以模块为基础的标准化设计方兴未艾
在汽车行业中,“去平台化”这一概念趋势正盛,取代平台的是模块的概念。越来越多的汽车制造商将车辆定义为多个模块的集合,并试图通过模块的组合来生产各种不同的车型。这就是所谓的“标准化设计”(表1-2),目的是使同一零件能够用在多种车型上。
空调单元的通用化图例。在过去,即使不同车辆等级(以车重划分)的车型使用同一平台,也很难进行单元的共通化,因此无法减少单元的种类。但是,分割为比平台更小的模块单元使得可以通用的范围扩大了。
基于日产汽车的资料编成。
表1-2 各汽车制造商标准化设计的趋势
例如,日产汽车公司在2013年以后推出的新车型上采用了一种叫作“日产CMF”的设计方法(图1-12)。日产CMF将车辆的底座分为四个模块,每个模块都有几种不同的类型。通过更改模块的组合,可以生产出各种不同的车型,如小型汽车、大型汽车、MPV(多功能汽车)、SUV(运动多功能汽车)等。
除了与这些结构有关的模块之外,日产汽车公司还开发了囊括所有电子零件的“电子架构”。通过此电子系统和模块的组合,日产可以高效地完成对车辆功能、性能的设计。这些方法预计能使新车型的开发人力、零件成本和生产投资各减少约30%。
图1-12 “日产CMF”的概述
将车辆划分为四个模块:“发动机舱”、“前车底”、“驾驶舱”和“后车底”。每个模块都有几种类型,不同类型组合而形成不同车型。图片根据日产汽车的资料编成。
日产汽车公司之所以采用这种设计方法,是因为在原先以平台为基础的车辆设计中感到了局限性。过去的基本设计理念是将不同的车身搭载在一个通用平台上,以此来开发各种不同的车型。但是,为了满足每种车型所需的功能和性能,实际情况是必须改变平台的一部分。因此,即使平台一样,使用的零件也不是那么共通。
不仅是平台本身包含的零件,平台上搭载的零件也是这样的。例如,空调单元的性能取决于车辆额定功率(车重),因此不同车种即便使用了同一平台,由于车辆额定功率的差异较大,也必须安装不同的空调单元(图1-13)。
图1-13 通用零件的范围
由于常规发动机的燃烧特性因型号而异,因此每个车型的设计和验证都需要花费时间。“SKYACTIV-G”则统一了燃烧特性,大大减少了设计和验证每个车型所需的工夫。图片根据马自达的资料编成。
相反,即使是不同平台的车型,如果车辆等级相近,也可以使用共通的空调单元。但在这种情况下,受空调单元和平台之间的接口限制,可以使用同一空调单元的车辆范围并不那么广,这就导致了空调单元的类型数量远大于平台的类型数量。
基于平台的车辆设计也并不一定会使单元和零件通用化,因此日产汽车在2009年开始制定“日产CMF”的构想。
无论平台的框架如何,日产CMF都可以与更多的车型共用同一单元和零件,其关键是分配给每个模块的“变异系数”。
变异系数也就是每个模块主要的功能和性能。例如,车辆前方的模块“前车底”的变化因素是车辆等级(车重)和安全性能。由于安全性能是该模块仅有的要素,因此整个车辆的安全性能由该模块决定。换句话说,其他模块可以不必考虑安全性能。
像这样按照汽车的主要功能和性能对模块化结构进行分类,就可以使用种类较少的单元和零件开发各种车型。每个模块里都设计了可根据功能和性能要求而更改的部分(可变部)和与要求无关的共通部分(固定部),汽车制造商可参照市场要求设定模块的种类。
虽然平台也是由可变部和固定部组成的,但平台的相关功能和性能的数量很多,因此很难满足多样化需求。日产CMF的模块相关功能和性能(变异系数)有限,因此更容易满足市场的多样化需求。
日产汽车并不是唯一一个摆脱平台的汽车生产商,德国大众和日本马自达也已转向基于模块化结构的设计。
大众在2000年代中期开始采用一种叫作“模块化工具包”的设计标准(图1-14),停止使用平台并将车身底部分成多个模块。这一点与日产CMF相似。但大众的模块单位要比日产CMF更小,并且将各车型都不同的上车身的一部分也进行了设计标准化,这比日产CMF更具野心。
图1-14 “Modular Toolkit(模块化工具包)”的概述
以前,虽然平台是相同的,但是每种车型都有很多固有的部分。未来,大众汽车将摆脱平台的概念,通过将其划分为较小的模块化单元来增加通用部分。图片来源于大众汽车的资料。
虽然到目前为止模块化工具包的具体成果尚不清楚,但大众汽车在2012年2月发布了“MQB”,即卧式发动机车辆的模块的(矩阵)组合。大众汽车将此MQB应用于多种车型,例如“Polo”、“Golf”和“Passat”等。在过去,这些车型都有不同的平台。
此外,大众汽车还将把MQB等模块化工具包应用到其旗下的汽车制造商的车型里,比如MQB就应用于下一个高尔夫系列以及德国奥迪“A3”系列。这样一来,新车型的开发人力可减少约30%,购买零件和生产投资的成本也将分别减少约20%。
马自达也从2006年开始采用设计标准化,这与大众汽车大致相同。尽管马自达不使用“模块”这个词,但在设计上也根据功能和性能划分了可变部和固定部,其基本思想与日产汽车和大众汽车几乎相同(图1-15)。马自达称这种方法为“通用架构”。
马自达在2012年2月首次发布了采用该方法研发的新型SUV“CX-5”,在量产车的应用方面领先于上述两家公司。此外,丰田汽车公司也引入了类似的设计方法来迎头赶上。探索产品多样性和开发效率的设计标准化的动向今后可能会一直持续。
图1-15 具有通用架构的车辆设计
(a)是通用架构的概述。以前每个平台都会单独设计一个通用架构,将来,所有平台都可分为平台间共通的“固定要素”和平台间不同的“可变要素”,从而高效地开发各种车型。实际上,所谓固定要素和可变要素是基于C/D级轿车确定的。(b)是基于通用架构开发的首款新车型“CX-5”(于2012年2月发布)。图片内容基于马自达的资料编成。