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電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)
2021-09-30 09:03:53· 來源：汽車熱管理之家
摘要：基于電動(dòng)汽車行業(yè)的市場(chǎng)與客戶需求分析，提出了適用于某公司的快速高效的模塊化設(shè)計(jì)方法。以電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品為例，采用產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)與變形設(shè)計(jì)
摘要：基于電動(dòng)汽車行業(yè)的市場(chǎng)與客戶需求分析，提出了適用于某公司的快速高效的模塊化設(shè)計(jì)方法。以電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品為例，采用產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)與變形設(shè)計(jì)方法，對(duì)模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。該產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法包括：產(chǎn)品模塊化分析，即對(duì)各整車廠的技術(shù)要求進(jìn)行分析，提煉不同客戶的共性需求，并根據(jù)共性需求對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行系列規(guī)劃，劃分產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)模塊；產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建，即建立規(guī)范的產(chǎn)品編碼和零部件命名體系，編制主要結(jié)構(gòu)模塊間接口的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，建立標(biāo)準(zhǔn)模塊，并以設(shè)計(jì)模板、準(zhǔn)則和產(chǎn)品實(shí)例建立產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)。
當(dāng)今世界，為了適應(yīng)全球化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，滿足客戶多樣化的需求，制造企業(yè)漸漸將個(gè)性化服務(wù)作為賣點(diǎn)，根據(jù)不同客戶的需求進(jìn)行定制化產(chǎn)品的開發(fā)。祁國(guó)寧等提出了大批量定制技術(shù)的基本原理和方法。邵曉峰等分析了大規(guī)模定制生產(chǎn)的特點(diǎn)，即以客戶需求為出發(fā)點(diǎn)，以模塊化設(shè)計(jì)、零部件標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，以敏捷為標(biāo)志組織生產(chǎn)。王海軍在其博士學(xué)位論文中闡述了大規(guī)模定制與模塊化設(shè)計(jì)的概念，提出了面向大規(guī)模定制的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和模塊化產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)方法。在模塊化設(shè)計(jì)方法的研究方面，顧新建等以理論結(jié)合多個(gè)產(chǎn)品的應(yīng)用案例，對(duì)機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行全面研究，建立了產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的過程模型——“Y模型”，并且提出了機(jī)電產(chǎn)品模塊化程度的評(píng)價(jià)方法(包括產(chǎn)品模塊化程度評(píng)價(jià)與模塊化效益評(píng)價(jià))。侯亮等認(rèn)為模塊化設(shè)計(jì)的核心是分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)過程，并對(duì)它們進(jìn)行重組；同時(shí)，他們將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為“功能域”“技術(shù)域”“物理域”，構(gòu)建了三者之間的映射模型。孫銳等針對(duì)模塊化設(shè)計(jì)中用模糊聚類法劃分模塊時(shí)存在的精度缺陷，提出了基于核函數(shù)的模糊C均值聚類和遺傳算法的模塊劃分方法。王東星等將模塊化設(shè)計(jì)方法運(yùn)用在動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提高了制動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量與穩(wěn)定性，降低了整車組裝難度，縮短了整車裝配時(shí)間。不同層級(jí)的產(chǎn)品開發(fā)都可以運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法。模塊化技術(shù)能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低研發(fā)成本。
目前，模塊化設(shè)計(jì)方法已被廣泛應(yīng)用于船舶、燃油車、家具、計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的研發(fā)過程，但作為新興產(chǎn)業(yè)的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用還較少。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其零部件的研發(fā)制造過程面臨下列主要挑戰(zhàn)：①因零部件眾多、裝配關(guān)系復(fù)雜，各零部件之間大多采用金屬管路硬連接或軟管抱箍連接方式，所需安裝空間大，安裝效率低，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，可維修性差；②國(guó)內(nèi)外新能源造車公司眾多，對(duì)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其零部件的需求各異，存在接口不統(tǒng)一，所需零件互換性、通用性差的問題，眾口難調(diào)，如何調(diào)解個(gè)性化需求與大批量定制間的矛盾，已成為電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其零部件研發(fā)制造公司亟待解決的重要問題；③在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步整合、零部件研發(fā)周期要求縮短的背景下，電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其零部件在研發(fā)制造周期和使用可靠性方面仍存在問題。
本文以電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品為例，擬提出適用于電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品高效開發(fā)的模塊化設(shè)計(jì)方法，以便面對(duì)整車客戶需求作出快速反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)研發(fā)制造出滿足不同客戶要求的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品。
1 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化分析
某公司2005年成立，從事汽車熱管理系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)銷售，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，其目前的單品功能零部件銷售量已經(jīng)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，車用熱力膨脹閥年銷售量達(dá)1 700萬件，穩(wěn)居世界前三甲；其他產(chǎn)品如電子水泵、電子水閥、油冷器、電池冷卻器、電子膨脹閥、電磁閥等的銷量在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。其單品功能零部件技術(shù)積累扎實(shí)，產(chǎn)品系列全面?；诖罅繂纹饭δ芰悴考挠唵螖?shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的整車客戶需求、已有產(chǎn)品功能等數(shù)據(jù)，能夠開展電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)。
1.1 產(chǎn)品的客戶需求分析
目前該公司在批量化生產(chǎn)的單品功能零部件方面已經(jīng)擁有大量的國(guó)內(nèi)外整車廠訂購(gòu)戶，如戴姆勒、通用、福特、大眾、吉利、沃爾沃、比亞迪、北汽新能源、蔚來汽車等公司。其電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑?/div>
產(chǎn)品擁有吉利、福特、沃爾沃、通用、恒大、比亞迪、小鵬等客戶的批量產(chǎn)品訂單。對(duì)單品功能零部件的大批量訂單及已有電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，可確定該公司的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)需求。
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的客戶需求分析步驟為：①調(diào)研并收集已有車廠的需求信息(此項(xiàng)數(shù)據(jù)主要由經(jīng)營(yíng)部門在與客戶日常項(xiàng)目溝通中積累獲取)，預(yù)測(cè)客戶未來需求或潛在需求，尤其需要挖掘其興奮需求(此項(xiàng)數(shù)據(jù)主要由產(chǎn)品技術(shù)人員在與整車客戶技術(shù)人員的實(shí)際項(xiàng)目合作中積累獲取)；②對(duì)獲取的整車客戶需求信息(包括產(chǎn)品要求、技術(shù)規(guī)范、壽命指標(biāo)、法規(guī)要求等)進(jìn)行矩陣分析，并判定哪些技術(shù)要求是目前公司電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品能夠滿足的、哪些是需要重新開發(fā)的、哪些是可以與客戶討論后舍棄的；③對(duì)戰(zhàn)略客戶需求進(jìn)行分析提煉(戰(zhàn)略客戶主要為全球幾大車廠，如本田、豐田、通用、戴姆勒、寶馬、標(biāo)致等)，形成不同整車廠的共有需求，為構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)據(jù)平臺(tái)提供支持。
表1所示為電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的部分戰(zhàn)略客戶技術(shù)要求和共性需求。
表1 產(chǎn)品的部分戰(zhàn)略客戶技術(shù)要求和共性需求
注：PAG為合成的聚(乙)二醇類潤(rùn)滑油(Polyalkylene Glycol)；POE為合成的多元醇酯類油(Polyol Ester)。
1.2 零部件ABC分析
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的單品功能零部件規(guī)格眾多，初步估計(jì)上千種。在產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)之前要對(duì)公司已有的零部件進(jìn)行ABC分析，按照不同的功能要求，將零部件分成A、B、C 3類。A類零部件指客戶為滿足整車安裝要求所定制的各類安裝板、換熱組件、接管、虛擬程序以及根據(jù)客戶特定接口定制的零部件。它們的通用化程度較低，成本較高。B類零部件指對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵性能、主要功能有影響的零部件。它們可以在不同電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品中互換，通用化程度高，容易進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，過程工藝的一致性較強(qiáng)，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、電容、電阻、絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、O形圈、異形圈、減震墊圈等。C類零部件通常指標(biāo)準(zhǔn)件。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)、尺寸、畫法、標(biāo)記等各方面有國(guó)標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以參照，如螺釘、螺母、彈簧等。
零部件ABC分析的作用在于為建立模塊化產(chǎn)品平臺(tái)打基礎(chǔ)，提升零部件在不同產(chǎn)品中的重用率，一方面將不同產(chǎn)品的專用零部件變?yōu)槎鄶?shù)產(chǎn)品可以通用互換的零部件；另一方面將大部分產(chǎn)品通用的
零部件盡可能變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)件。通過零部件ABC分析，能夠篩選可通過模塊化設(shè)計(jì)工作減少的零部件種類。電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品中A、B、C類零部件數(shù)量與成本占比情況如圖1所示。
圖1 集成產(chǎn)品中A、B、C類零部件數(shù)量和成本占比
圖2所示為電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品中部分零部件的頻譜分析圖。
從圖2可看出，B類和C類是使用頻率較高的零部件，模塊化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用。
注：PCB為印刷線路板(Printed Circuit Board);TVS為瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor)。
圖2 集成產(chǎn)品中部分零部件頻譜分析圖
1.3 產(chǎn)品型譜分析
產(chǎn)品型譜是反映產(chǎn)品型號(hào)與發(fā)貨量(需求量)的關(guān)系圖。圖3所示為某公司電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品型譜。對(duì)電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品型譜進(jìn)行深入分析，制定相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，有利于提升電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿Α?/div>
圖3 某公司電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品型譜
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的分類主要由產(chǎn)品參數(shù)決定，產(chǎn)品參數(shù)又與客戶需求相關(guān)聯(lián)(表2)。
表2 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的客戶需求與產(chǎn)品參數(shù)
1.4 產(chǎn)品功能模塊劃分
產(chǎn)品功能模塊劃分的基本準(zhǔn)則有零件合并準(zhǔn)則、功能準(zhǔn)則等。零件合并準(zhǔn)則是指把已有的多個(gè)零件整合成單個(gè)新零件，把已有多個(gè)零件各種相互關(guān)系變?yōu)橐粋€(gè)零件內(nèi)的相互關(guān)系，以減少材料的使用量，降低加工和裝配的成本；功能準(zhǔn)則主要是指從各零件間的結(jié)構(gòu)、能量、物質(zhì)、信號(hào)、作用力的相關(guān)度出發(fā)，完成模塊劃分。
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品功能模塊劃分是根據(jù)已有批量產(chǎn)品的功能原理、整車客戶技術(shù)要求，按照產(chǎn)品功能模塊劃分的基本準(zhǔn)則進(jìn)行的。電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的核心功能是熱量交換、流量調(diào)節(jié)、流量開關(guān)，其主要功能模塊有換熱芯體、制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊、冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊等。
1.4.1 換熱芯體
換熱量是電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的核心指標(biāo)之一，反映了產(chǎn)品的熱量交換能力。電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品不同型號(hào)的換熱芯體對(duì)應(yīng)于系列化的功能參數(shù)，從而形成具有不同熱量交換能力的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品。換熱芯體的換熱量參數(shù)系列化設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 換熱芯體的換熱量參數(shù)系列化設(shè)計(jì)示意圖
1.4.2 制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊
制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊能夠通過調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)回路中制冷劑流量，改變空調(diào)系統(tǒng)用于電池包冷卻的換熱量、用于乘客艙降溫的冷量，并輔助電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行電池包的冷卻。制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊能根據(jù)閥口大小來定義流量調(diào)節(jié)能力，使流量調(diào)節(jié)能力系列化(表3)。
表3 制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊的系列化流量調(diào)節(jié)能力
1.4.3 冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊
冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊能夠通過調(diào)節(jié)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻液流量與流向，來控制電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的換熱量，從而使電池包的工作溫度在合理范圍，提高電池的效率，提升電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊能根據(jù)換向功能數(shù)量實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化(表4)。圖5所示為不同換向功能數(shù)量的冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊。
表4 根據(jù)換向功能數(shù)量實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品系列化 個(gè)
(a) 二通 (b) 三通 (c) 四通
圖5 不同換向功能數(shù)量的冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊
1.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊劃分
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊是功能模塊的載體，結(jié)構(gòu)模塊劃分應(yīng)結(jié)合功能模塊的劃分來做，以盡可能少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品。模塊劃分應(yīng)方便設(shè)計(jì)選用、加工裝配、物流管理和維護(hù)保養(yǎng)等。
根據(jù)文獻(xiàn)[4]，電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊劃分的基本過程如圖6所示。
圖6 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊劃分的基本過程
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊劃分的順序是先整體后局部，依次劃分部件、組件、零件3個(gè)層次的模塊，或稱為I級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)3個(gè)層級(jí)的模塊。首先確定對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵功能有重大影響的主要模塊，如換熱芯體組件、制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊等；然后劃分次要模塊；最后確定輔助模塊，如安裝支架組件等。
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊劃分情況如圖7所示。I級(jí)模塊包括冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊、制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊、換熱組件模塊、安裝支架組件模塊等。
圖7 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊劃分情況
2 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建
2.1 建立產(chǎn)品編碼和零部件命名體系
建立產(chǎn)品編碼和零部件命名體系是指,對(duì)總成、部件、零件等用字母或數(shù)字進(jìn)行編碼，并由專人對(duì)編碼、命名申請(qǐng)進(jìn)行審核，以便在模塊化設(shè)計(jì)時(shí)搜索、選用和分析。
2.1.1 產(chǎn)品編碼體系
針對(duì)某公司的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品，本文按照J(rèn)B/T 5054.4—2000《產(chǎn)品圖樣及設(shè)計(jì)文件編號(hào)原則》(它提供一種平行編碼體系)進(jìn)行編碼。在圖8所示的產(chǎn)品編碼體系中，類別號(hào)與區(qū)分號(hào)具有不同編碼規(guī)則，可以不斷擴(kuò)容。編碼規(guī)則及說明如下：編碼0127-08-00001表示某個(gè)電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊。
圖8 一種產(chǎn)品編碼體系
(1) 產(chǎn)品號(hào)由4位阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成。如0127中，01表示電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，27表示集成產(chǎn)品。不同產(chǎn)品中同類零部件的產(chǎn)品號(hào)各不相同，以首次使用的產(chǎn)品代號(hào)作為其產(chǎn)品號(hào)。
(2) 類別號(hào)由2位阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成。應(yīng)根據(jù)不同的零部件功能，對(duì)部件和零件進(jìn)行分類。電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品部分零部件的類別號(hào)如表5所示。
表5 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品部分零部件的類別號(hào)
(3) 區(qū)分號(hào)是為區(qū)分具有不同參數(shù)信息的同類零部件，由電腦或者系統(tǒng)自動(dòng)生成的序號(hào)。
2.1.2 零部件命名體系
零部件命名是對(duì)零部件所具備功能的簡(jiǎn)單總結(jié)，搭建零部件命名體系是為了使零部件命名過程有章可依，方便選用零部件時(shí)快速辨別，減少零部件類型的數(shù)量，提升零部件重用度。規(guī)范化的零部件命名體系在模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用中具有很重要的作用。
零部件名稱規(guī)范化是對(duì)已有零部件名稱進(jìn)行分析并編制命名規(guī)范的過程。在制定零部件命名規(guī)則時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)零部件分類，基于功能和結(jié)構(gòu)特性，盡量避免歧義，以使用頻次高、名稱精練、符合邏輯的名稱作為參考，然后歸納出通用規(guī)則。此外，應(yīng)根據(jù)零部件命名規(guī)則來定義零部件名稱，以保證零部件的名稱具有一致性和唯一性。制定命名規(guī)則后對(duì)零部件名稱逐一校驗(yàn)，并對(duì)每個(gè)零部件名稱進(jìn)行備注說明，以便于產(chǎn)品開發(fā)人員在新建零部件時(shí)查詢。零部件名稱申請(qǐng)與零部件編碼申請(qǐng)相同，需要通過公司標(biāo)準(zhǔn)化專員的審核，審核通過后才能將新的零部件名稱添加至編碼庫(kù)。
2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模塊并定義標(biāo)準(zhǔn)接口
2.2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模塊
設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模塊是電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是所有產(chǎn)品模塊化開發(fā)的必有步驟。它包括分析零部件幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立模塊主模型和各種主文檔等。
通過分析，找出不同產(chǎn)品及零部件使用功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)、制造過程的相似性，建立可以在不同產(chǎn)品之間互換的通用模塊，以滿足變型設(shè)計(jì)的要求，減少零部件的種類。如電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的接管零件，需要滿足不同流量、不同客戶安裝位置、不同對(duì)手件的要求，種類很多。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)很多接管零件的尺寸和形狀特征都非常相似，如其墩頭的倒角、限位、大小等(圖9)。
圖9 尺寸和形狀特征相似的多樣化接管零件
對(duì)圖10所示接管零件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析后，可將這些參數(shù)分為功能需求、加工需求等類別；因R1、d2、H3等為不變尺寸，而其他尺寸隨不同裝配要求而變動(dòng)，所以又可根據(jù)參數(shù)是固定的還是可變的，以及不同參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分類。
圖10 接管零件結(jié)構(gòu)參數(shù)
對(duì)應(yīng)圖10，可作圖11所示電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品接管零件的主模型。圖11中，接管零件僅有A、B、C 3個(gè)參數(shù)的變化需要控制，其他參數(shù)如DAB、DAC、DAD、DAE，要么是固定不變的，要么都可以通過這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
圖11 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品接管零件的主模型
接管零件主模型應(yīng)與事物特性表聯(lián)系起來，形成模塊主模型。事物特性表用于描述模塊族中各模塊的具體尺寸及特性(如規(guī)格、材料牌號(hào)等)。表6 所示為電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品接管零件的事物特性表。
表6 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品接管零件的事物特性表
2.2.2 定義標(biāo)準(zhǔn)接口
同類模塊的快速更換、不同模塊的方便裝配，都要用到模塊上的接口。只有各模塊間接口具備協(xié)調(diào)性，模塊才有更好的獨(dú)立性，才能對(duì)相互獨(dú)立的不同模塊進(jìn)行快速組合，以形成功能協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊而具有柔性的產(chǎn)品。模塊接口設(shè)計(jì)是否合理對(duì)模塊化產(chǎn)品的性能有很大影響。
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品以接管連接、固定接口為主，以電控接口為輔。
表7所示為冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊閥體部件的接口設(shè)計(jì)規(guī)范示例。與之相應(yīng)的圖例見圖12。
表7 回路流量調(diào)節(jié)模塊閥體部件接口的設(shè)計(jì)規(guī)范示例
(a) 剖面1 (b) 剖面2 (c) 俯視圖 (d) 軸測(cè)圖
圖12 冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊閥體部件接口設(shè)計(jì)規(guī)范圖例
2.3 構(gòu)建產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建就是建立各模塊之間的聯(lián)系，以便在產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)時(shí)選擇模塊。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建過程包括：建立產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)、分析產(chǎn)品參數(shù)、布置產(chǎn)品系列、設(shè)計(jì)系列化產(chǎn)品模塊等。
產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)即根據(jù)產(chǎn)品工作原理和功能模塊分類編制的結(jié)構(gòu)樹模型。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依據(jù)其結(jié)構(gòu)樹模型，在功能上選擇不同的模塊進(jìn)行組合。圖13 所示為電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)。
圖13 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)面向產(chǎn)品族，包括必選模塊和可選模塊。在電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊、制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊、換熱組件模塊、安裝支架組件模塊等都是必選模塊，而制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊中的II級(jí)模塊傳感器、換熱組件模塊中的Ⅱ級(jí)模塊線束固定架屬于可選模塊。
通過產(chǎn)品的客戶需求分析和功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃，將會(huì)形成產(chǎn)品功能參數(shù)、性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，功能參數(shù)包括換熱量、換熱流道數(shù)量、冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊精度等；性能參數(shù)包括泄漏量、噪聲等；結(jié)構(gòu)參數(shù)包括安裝支架模塊尺寸、接管安裝墩頭尺寸等。圖14所示為電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的幾個(gè)代表品種。
(a) 品種1 (b) 品種2 (c) 品種3 (d) 品種4
圖14 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的幾個(gè)代表品種
產(chǎn)品模塊系列化設(shè)計(jì)以產(chǎn)品系列化和產(chǎn)品參數(shù)分析為基礎(chǔ)。模塊系列化設(shè)計(jì)是指讓各級(jí)模塊規(guī)格和數(shù)量減少(如襯套、閥體組件的類似固定方式為3-5 種)，但能滿足不同的整車客戶需求；通過不同模塊之間的互換組合，形成多樣化的產(chǎn)品規(guī)格。對(duì)電
動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的換熱組件模塊進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品換熱能力及換熱流道數(shù)量的要求，可設(shè)計(jì)系列化的換熱組件A1、換熱組件A2、換熱組件A3等(表8)。
表8 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的系列化換熱組件
3 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用
電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法主要有配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)。
3.1 產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)
產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)是指根據(jù)預(yù)定義的零部件集和它們之間的約束關(guān)系，通過合理組合，形成能滿足客戶個(gè)性化要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的配置設(shè)計(jì)是根據(jù)電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的客戶需求定義，在電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的性能、功能、壽命等滿足整車廠要求下，以產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過選配不同的Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)模塊(如不同換熱量的換熱芯體組件、不同流量的制冷劑流量調(diào)節(jié)模塊)，進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查和驗(yàn)證，開發(fā)能滿足各種需求產(chǎn)品的過程。
產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)的方法可以分為：產(chǎn)品功能配置設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置設(shè)計(jì)。其中，產(chǎn)品功能配置設(shè)計(jì)主要面向整車市場(chǎng)與客戶，以功能要求的輸入和選用為主；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置設(shè)計(jì)主要面向產(chǎn)品開發(fā)人員，以結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入與組合為主。
3.2 產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)
改變產(chǎn)品零部件的部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成新的零部件，使原有產(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)和功能不變，這是產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的原則。產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠快速設(shè)計(jì)成型。實(shí)踐中,產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)往往與配置設(shè)計(jì)相結(jié)合，來完成產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，滿足不同客戶的需求。
應(yīng)用電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法時(shí)，為滿足客戶對(duì)電池包冷卻液的需求，需設(shè)計(jì)一款冷卻液流量較大的產(chǎn)品。根據(jù)換熱芯體組件、閥體組件等結(jié)構(gòu)配置要求，設(shè)計(jì)接管時(shí)采用參數(shù)系列化設(shè)計(jì)方法，對(duì)表6中A、B、C 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，設(shè)計(jì)了新的接管零件，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。某客戶需對(duì)冷卻液回路的安裝接口的方向進(jìn)行調(diào)整，為此在已有冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊的閥體部件上，對(duì)接管零件進(jìn)行簡(jiǎn)單的變型設(shè)計(jì)，其余結(jié)構(gòu)不變。通過產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)，滿足了客戶新的需求。冷卻液回路流量調(diào)節(jié)模塊的閥體部件局部結(jié)構(gòu)變型設(shè)計(jì)如圖15所示。
(a) 原有設(shè)計(jì) (b) 變型設(shè)計(jì)
圖15 閥體部件局部結(jié)構(gòu)變型設(shè)計(jì)示例
4 結(jié)束語
本文基于某公司已有產(chǎn)品數(shù)據(jù)，從加快產(chǎn)品開發(fā)速度、提高產(chǎn)品過程質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本的要求出發(fā)，提出了電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法。對(duì)電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的客戶需求進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主模塊進(jìn)行劃分，建立產(chǎn)品編碼和零部件命名體系，搭建了產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)。實(shí)踐證明，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠加快電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑僧a(chǎn)品的研發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低研發(fā)成本。
作者：錢柯浙1 ，顧 復(fù)1，2 ，顧新建2
1. 浙江大學(xué) 工程師學(xué)院
2. 浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院
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