数字化转型 — 新能源汽车

Posted 2022-11-17 范桂飓

目录

文章目录

• 目录
• 1. 策划阶段
• • 1.1. 进行积极的市场调研和技术调研
  • 1.2. 进行可行性分析
  • 1.3. 对可行性报告进行评审
• 2. 设计阶段
• • 2.1. 概念设计阶段
  • 2.2. 方案设计阶段
  • • 2.2.1. 制定设计原则
    • 2.2.2. 选型和制定设计任务
    • • 2.2.2.1. 汽车总布置设计
      • 2.2.2.2. 绘制效果图
      • 2.2.2.3. 制作产品模型
      • 2.2.2.4. 编写产品设计任务书
  • 2.3. 详细设计阶段
  • • 2.3.1. 碰撞分析
    • 2.3.2. NVH 评价
    • 2.3.3. 系统整体优化
    • 2.3.4. 流体分析
    • 2.3.5. 产品疲劳寿命分析
    • 2.3.6. 冲压仿真分析
  • 2.4. 工作设计图
• 3. 试制试验阶段
• • 3.1. 样机试制
  • 3.2. RP 装车件
  • 3.3. 样机试验
  • • 3.3.1. 当前最常用的整车试验验证方式
    • 3.3.2. 整车开发各阶段的试验验证及目的
    • 3.3.3. 考核类型、试验方法和设备仪器
    • • 3.2.3.1. 考核类型
      • 3.2.3.2. 根据考核类型确定试验方法
    • 3.4. 小批试制
• 4. 生产阶段
• • 4.1. 试生产准备阶段（ET）
  • 4.2. 批量试生产阶段（PT）
  • 4.3. 预生产阶段（PP）
  • 4.4. 量产阶段（SOP）

1. 策划阶段

在汽车新产品开发之前，通常要对产品和市场进行调查，了解市场需求和新技术的发展状况，同时结合公司自身的特点、技术水平、设备状况、工艺水平、生产能力和实力等状况进行分析，必要的时候还要走访客户、考察配套商或者进行必要的试验测试等工作。

这一阶段必须要确认新产品的技术状态、产品档次、产品配置、目标成本以及预期售价、合理利润等。这些都是产品开发的初期资料和基本依据。决策阶段的工作必须务实和求真，分为如下步骤。

1.1. 进行积极的市场调研和技术调研

提出准确的市场预测和技术可行性报告。

市场调研是为了确定产品的预期市场占有率，同时也是为了全面了解市场对该类产品的功能、性能、安全、寿命、外观等方面的需求。

技术调研包括对目前市场上同类产品的技术水平，所使用的新技术、新材料和新工艺等进行预测。同时关注国家的重点项目、科技发展信息及产业结构调整对技术提出的新要求等，关注国家是否有新的技术法规和使用标准等。

1.2. 进行可行性分析

从本企业的生产经营角度，进行新产品开发的可行性分析，掌握本企业的技术来源和技术优势，对产品的开发周期和开发费用等投资作预测，对该产品的产量和盈利能力作预测，编写产品开发可行性报告。

1.3. 对可行性报告进行评审

评审通过后列入企业产品开发计划，然后编写产品开发任务书。

任务书一般包含如下内容：

• 产品设计和立项的依据
• 产品的用途和使用范围
• 产品的总体方案概述
• 关键性技术方案
• 总体布置及主要结构概述
• 基本的技术参数和性能指标
• 与其他同类产品的比较和改进目标
• 对产品的性能、寿命、成本的要求
• 标准化的综合要求
• 产品所遵循的法律法规
• 确定产品的开发周期和开发团队名单
• 对产品的试制试验周期和上市日期的估算
• 等等

2. 设计阶段

设计阶段主要是指通过设计确定总体方案、造型方案，进行设计计算，绘制设计图纸，编写设计文件，必要时还需要进行试验和设计评审等，整车设计一般分为如下步骤。

2.1. 概念设计阶段

在汽车新产品开发之前，公司需要对产品和市场进行调研，了解市场需求和新技术的发展状况，提出准确的市场预测和技术可行性报告，企划部门根据可行性报告，制定项目概念，包括产品车型基本参数、车身样式、同类车型、开发周期、竞争优势、生产地、生产纲领等项目立项的战略文件，成立项目组，启动项目开发。

概念设计阶段确定整个汽车产品的目标定位，确定整车、各大总成的性能参数，制定各大总成设计任务书，规定设计控制数据，完成可行性研究报告。概念设计是汽车设计中最重要的阶段，许多整车参数都在此阶段确定。这些参数决定了整车结构尺寸的详细设计。由于整个系统的复杂性，仅依靠经验和样车试验，无法形成完整科学的设计控制指标。

基于 CAE 技术及大量经验和试验数据的整车数字化仿真体系可以模拟整车在不同路况下的实际响应，为各零部件的精确 CAE 分析提供载荷条件，从而进行复杂的非线性动力学分析、关键部件疲劳寿命分析、整车 NVH 分析。

使用 CAE 分析驱动车身结构设计的方法，在详细 CAD 设计过程之前介入对各种方案的粗略分析，定量地分配强度、刚度、质量等设计控制指标，并设置碰撞安全性目标和 NVH 性能目标，明确车辆动态性能的目标。

概念设计阶段决定了车辆整体结构性能，要求设计者具有丰富的设计和制造工艺经验。

2.2. 方案设计阶段

主要工作内容为确定总体方案、造型方案，设计计算，绘制设计图纸，编写设计文件，内外油泥模型冻结。这标志着前期整车开发结束和项目工程开始正式启动；

产品的技术方案的可行性分析和总体工艺可行性分析结束。

2.2.1. 制定设计原则

这一阶段的主要任务是制定设计方针，明确目标，确定是全新产品设计还是改型设计，是自主设计还是反求设计等。

明确最基本的技术要求后，还要了解国家在汽车产品的技术方面的先进性、产品的系列化和生产方式方面的具体要求，同时收集国内外的资料，进行使用调查、生产状况调查以及同类产品的结构分析，通过整车结构和外形设想，制定产品的开发设计原则。

设计原则应包括：

• 对技术的先进性、工艺性、继承性、零部件通用化和生产成本的要求；
• 产品使用中要优先保证的性能以及要考虑到的变型等。

通过对产品方案进行性能和成本分析，确定合理的设计方案。通常要绘制或提供多套总体方案，要求各个方案的特点要突出，思路明确，然后对这些方案进行分析、评价，区分各方案的差别并改进，形成最终方案。

2.2.2. 选型和制定设计任务

这一阶段主要是正确地选择整车和各总成的结构形式以及主要的技术特性，确定性能参数，形成整车概念，并进行总体布置和选型工作，编制设计任务书。主要包括以下内容。

2.2.2.1. 汽车总布置设计

总布置设计时要求将汽车各个总成及装载的人员或货物安排在恰当的位置，以保证各总成运转相互协调、乘坐舒适或装卸方便。还需要拟定出许多重要总成的相关位置和控制尺寸。这个过程一般需要由经验丰富的专门人员进行。经过汽车总布置设计，可确定汽车的主要尺寸和基本结构。

2.2.2.2. 绘制效果图

效果图用来表现汽车造型效果。总布置图完成后，造型设计师根据总布置设计确定的电动汽车尺寸和基本形状，勾画出汽车的大体形象，或绘制构思草图，或绘制彩色效果图。

2.2.2.3. 制作产品模型

可根据需要制作缩小比例模型。比例模型是在彩色效果图的基础上更进一步表达造型构思，更具有立体形象，更有真实感，要求各部分比例严格、曲线流畅、曲面光顺。缩小比例的模型还可以用于风洞试验，用来确定空气动力学特性。

在汽车造型设计中，油泥模型制作是十分重要也是必须经历的一个环节。它将平面图形立体化，呈现出了一个十分逼真的立体汽车形态。这些模型带给我们的感受和实车是截然不同的，但相同的是，都能让我们体会到汽车每一个细节设计，或结实饱满，或端庄，或动感十足。

2.2.2.4. 编写产品设计任务书

其内容包括：

• 任务来源、设计原则和设计依据；
• 产品的用途及使用条件；
• 汽车型号、承载容量、布置形式及主要技术指标和参数，包括：空车及满载下的整车尺寸、轴荷及性能参数，有关的可靠性指标及环保指标等；
• 各总成及部件的结构形式和特性参数；
• 标准化、通用化、系列化水平及变型方案，拟采用的新技术、新结构、新装备、新材料和新工艺，维修、及其方便性的要求，续驶里程；
• 生产规划、设备条件及预期制造成本和技术经济预测。
• 等等

有时也加入与国内外同类型汽车技术性能的分析和对比等。有的还附有汽车总布置方案草图及车身外形方案图。

2.3. 详细设计阶段

在汽车造型审定后，就可以着手进行汽车结构设计，确定整车、部件（总成）和零件的结构。主要内容如下：

• 进行各项参数计算，确定总体配置。
• 确定各部件总成所在的位置和连接方式。
• 确定各部件总成的控制尺寸和控制质量。
• 确定各操纵机构的位置及其运动范围。
• 对各运动零件进行运动校核，防止运动干涉。
• 确定驾驶区的内部布置，驾驶员视野以及周边各附件的操控的方便性，此时要考虑驾驶员的操纵轻便性以及义表、照明、暖气、除霜及通风性能。
• 确定车辆内部空间的大小，确保乘客的乘坐安全性和舒适性。
• 确定各部件的质心位置，计算电动汽车在空载和满载时的轴荷分布情况和质心高度。
• 详细设计阶段的 CAE 技术具有传统的应用，支持产品设计，保证设计满足强度、刚度、疲劳寿命、振动噪声要求和设计质量控制目标，达到优化设计的目的。

这一阶段的工作取决于汽车的性能目标，关键在于建立完善的分析方法和评价策略，主要包括以下分析内容。

2.3.1. 碰撞分析

目的在于提高产品的被动安全性能，通过正面、侧面、后面、翻滚等各种实车安全性能方面的模拟分析，在产品设计阶段及时发现产品被动安全性能方面的缺陷，提出改进措施，确保产品及时通过国家规定的各种被动安全性能方面的法规，避免产品投入市场后出现不良的反映及其带来的各种严重后果。

如何提高车身的抗碰撞能力是汽车被动安全性中需要解决的问题。抗碰撞性能直接影响到产品最终能否投向市场。为了提高抗碰撞性能同时考虑到轻量化的要求，当前汽车产品越来越多地使用超高强度钢板和轻质合金材料，如铝、镁合金。

2.3.2. NVH 评价

NVH 性能是评价车辆舒适性的重要指标，直接关系到产品的市场形象。

NVH 分析有助于匹配产品结构中各子系统的振动频率特性，合理分布各子系统的振动频率和振型，以消除振动过程中的耦合现象 ，从而改善产品的振动特性，降低产品的噪音，提高产品的舒适性能。

噪音、振动分析包括动力总成的刚体模态、点的传递函数、静负荷强度及动态响应、BIW 动态稳定性，整车各子系统的刚度频率匹配等。目前国内在该方面的研究能力仍较薄弱，主要原因在于试验手段的缺乏和数据积累的不足，尚未形成系统的分析规范。

自主品牌的汽车和国外知名品牌的汽车竞争，NVH 性能是关键的衡量指标之一。

2.3.3. 系统整体优化

在工程样车试制之前，基于多柔体系统理论，解决汽车机械系统设计和动态性能的优化设计问题，将车辆作为一个完整的控制系统进行分析研究，可以建立整车动力学模型，并针对操纵稳定性、平顺性和制动性等性能进行虚拟试验场动态仿真分析，并输出标志整车动态性能的特征参数，制定优化策略。

它可让设计人员掌握部件结构参数和整车性能的关系本质规律，并对其性能进行预测、可行性研究和优化设计。车辆多体分析内容包括悬架振动、车辆操稳性能和舒适性能等。

2.3.4. 流体分析

流体分析在汽车工业中主要考虑车外流场对汽车的阻力和升力、车内空调系统通风口的设计、发动机舱的散热、制动系统的散热等，考察整车外形是否流畅，空调系统是否可以快速调节车内所有地点温度，发动机舱和制动片是否散热良好等。

在产品设计阶段就可以预测产品的空气动力学特性，确保产品制造出来后符合设计时的空气动力学的要求。通过流体动力学分析验证和改进流体及热传导对产品性能的影响。

2.3.5. 产品疲劳寿命分析

产品疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。它有助于提早发现产品结构的强度及疲劳耐久性方面的问题，对高应力区域提供优化解决方案。

通过合理地分配结构中的各种载荷，从而改善其疲劳耐久性能，提高产品的可靠性能。疲劳寿命设计需要了解产品的使用环境。疲劳耐久性分析包括悬挂组件强度、车门强度、引擎盖强度、行李箱盖强度等。随着市场竞争的日趋激烈，产品的寿命成为树立产品品牌形象的重要指标。

2.3.6. 冲压仿真分析

冲压成形仿真有助于确定产品的可制造性，优化冲压方向，工艺补充，坯料估算和排样。

它可以在设计阶段预测产品冲压成形中可能出现的质量缺陷（如起皱、开裂等），进而对产品设计进行优化, 以消除成形缺陷。

由于此时还处于产品设计阶段，产品的修改代价最小。此部分成熟的应用软件有 ETA 公司的 DYNAFORM 和 LSTC 公司的 LS-DYNA。

由于汽车车身上金属覆盖件占的比例最高，钣金件的模具成本是整个制造过程中最大的成本之一。工艺过程仿真是降低废品率压缩生产成本的有效方法。

2.4. 工作设计图

工作设计图是指在技术设计的基础上，完成在试制或生产过程中加工、装配、销、生产管理及随产品出厂使用的全部图样和技术文件。

成套的产品图样有：

• 总图
• 简图
• 主要零部件图
• 部件装配图
• 总装配图
• 安装图
• 样目录
• 明细表
• 汇总表
• 等等

零件图需要详细地标注出各部分的尺寸。总成图应清地表达零件相互装配的关系并标注出相关的装配尺寸及装配要求。

图纸绘制成后．需要部件和零件按照它们所属的装配关系编成 “组” 及其下属的 “分组” 号码。每个部件、件及其图纸都给定一个编号，以便于对全部图纸进行管理。

设计阶段工作量大而繁琐，可能需要一个或几个团队一起来进行。整个设计工作的纲领即是设计任务书，设计人员之间始终要对相关的零部件进行校核，预测可能出现的盾和问题，共同探讨解决问题的办法。

3. 试制试验阶段

试制试验阶段是产品由图纸走向实践的过程，进行样机试制试验并进行小批试制，验证产品图样、设计文件和工艺文件、工装图样的正确性；验证产品的适用性、可靠性和安全性，并完成产品的鉴定。通过小批量试制，进行产品的各种形式试验和试销，确认产品的性能和适应性。

试制试验阶段的主要工作包括以下 3 个方面。

3.1. 样机试制

样机试制是指根据设计图样生产零部件，进行样机组装试制。汽车的样机试制不仅是按汽车零部件图纸生产，还需要对生产所用到的一些辅助模具、检具进行设计，包括编制工艺文件和制作必要的工装设备。

生产样机的数量应根据产品的类型和试验需要来确定。试制样机的主要目的是为了验证设计产品的结构、性能和工艺性等，考核产品图样和设计文件的质量，同时为试验提供必要的车辆。

3.2. RP 装车件

快速成型（也称快速原型）制造技术（Rapid Prototyping & Manufacturing，RP & M）是 80 年代发展起来的一种新型制造技术。

RP 试制样件可以用作 CAD 数字模型的可视化、设计评价、干涉检验，甚至可以进行某些功能测试。

另外试制件能够使用户非常直观地了解尚未投入批量生产的产品外观及其性能并能及时作出评价，使厂方能够根据用户的需求及市场调研及时改进产品，为产品的销售创造有利条件并避免由于盲目生产可能造成的损失。利用 RP 件试制能优化产品设计、缩短产品开发周期、降低开发成本，从而提高企业的竞争力。

3.3. 样机试验

样机试验是对电动汽车的设计和产品进行验证，以保证产品的结构和安全。样机试验是多 方面的，目的是为了验证产品的可靠性、安全性，并进行技术鉴定。

整个试制试验过程也是汽车设计从理论走向实践的过程，试制试验的主要工作是进行样车试制，掌握整车和部件的结构工艺性，发现整车在装配中发生的问题并及时协调解决。

这一阶段要求技术设计的开发团队进行必要的跟踪和服务，将反映出来的问题一一记录，为技术或工艺的改进提供最直接的参考。为验证样车是否符合设计要求，必须进行试验。

在试验过程中，设计人员要及时地与试验人员沟通，及时分析和解决出现的问题，取得相应数据，对设计的改进提供原始资料。试验的项目包括尺寸参数和质量参数的测定、整车性能试验、可靠性试验和耐久性试验，试验的过程有可能延续至产品定型。

3.3.1. 当前最常用的整车试验验证方式

• 整车道路（公路）试验
• 场地道路试验
• 整车台架试验
• 整车动、静态主观评价试验
• 计算机仿真验证分析

3.3.2. 整车开发各阶段的试验验证及目的

整车的试验和验证与整车开发的各个阶段总是相互伴随着：

• 建立目标阶段伴随有对标样车的试验、评价；
• 设计开发阶段伴随有数字样车的数据仿真验证分析、骡子车的专项性能试验、FT（功能）样车的各项功能性验证和车身相关试验；
• 生产准备阶段伴随有 ET（工程）样车的耐久试验验证和评价及标定和法规认证；
• 试生产阶段伴随有 PT（生产）样车的品质验证确认。

3.3.3. 考核类型、试验方法和设备仪器

3.2.3.1. 考核类型

• 功能（也即性能）
• 强度（极限工况不至于失效的能力）
• 耐久性及可靠性（整车和部件的使用寿命、确定期间内不出故障的质量能力）

3.2.3.2. 根据考核类型确定试验方法

• 整车公路试验：实际环境考核耐久和可靠性。
• 整车场地试验：考核性能和耐久和可靠性。
• 整车台架试验：主要考核性能。
• 整车动静态主观评价：以对比打分的形式评价性能。

3.4. 小批试制

小批试制是在样机试制试验的基础上进行的，它的主要目的是考核产品的工艺性，验，证正式生产全部工艺文件及工艺装备质量，并进一步验证产品的性能、结构和经设计改进后的产品设计文件及图样的正确性和合理性。

小批量试制在工艺上为批量生产做准备，因此应按工艺管理的有关规定进行。小批试制应依据样机试制阶段经确认的全部技术文件及图样进行。

小批量试制完成以后，提交经过修改、改进并最终通过评审的设计资料、工艺文件和全部图样，最终形成完整的产品文件。

4. 生产阶段

4.1. 试生产准备阶段（ET）

ET（Engineering Trial，工程调试）设计验证阶段。

冲、焊、涂、总四大工艺及检验的人、机、料、法、测已准备完成，设计确认车完成规定的可靠性和耐久性试验项目。

4.2. 批量试生产阶段（PT）

PT（Production Trial，生产调试）生产验证阶段。

所有的零部件和总成件都是用批量生产的设备及工装模具制造出来，整个生产过程可在不连续的条件下按试生产阶段图纸进行生产，从而对各工序加工能力、生产设备、试生产控制计划是否适当以及生产线的制造可行性、装配可行性、通过性、批量生产的适宜性进行实际验证；新产品上市流程已启动。

4.3. 预生产阶段（PP）

PP（Pre-production or pilot production，预生产），初期量产。

典型要求：工艺规范化、物流规范化，包装规范化、工位器具规范化、节拍符合设计要求、人员与训练组织到位。

4.4. 量产阶段（SOP）

SOP 阶段（Start Of Production，小批量生产阶段）。

各项验证完成，进入投放市场的 小批量生产。

典型要求：按设计节拍实现标准化作业。得到国家和地方认证后，电动汽车还需要通过调试、验证阶段。产品将在实际产线上进行初产验证，目标达成后，将进行大批量的生产。