模块化装配在汽车制造中的应用

1、模块化装配在汽车制造中的应用施垒 广州（510642）华南农业大学 工程学院摘要：汽车装配是汽车完成制造中的最后环节，对于保正汽车质量、降低总装成本意义重大。文章介绍了模块化装配在汽车中的具体应用，指出了对模块化装配对汽车工业供应链的巨大影响。同时指出模块化装配存在的两点不足，对模块化装配技术的发展进行展望。关键词：汽车制造 汽车装配 模块化 Abstract： Keywords：0引言 模块化设计的思想由来已久，早上世纪五六十年代，随着集成电路的发展各种功能模块随之出现1-4。比如放大电路模块、电机驱动模块2。装配是产品生产阶段的最终环节，装配质量的科技水平直接影响产品质量、性能、成本及生产

2、周期。而模块化装配，则是科技进步的体现。在现代的工业制造业中，装配工作约占整个产品生产工作量的45，约1/3的人力从事各种与装配有关的活动5-6。1996年，大众公司在巴西的合资公司就开始采用模块组合生产1。新厂是装配厂和零配件厂的结合物，目的是在经济全球化的时代，努力降低物耗以提高竞争力。在1996年，大众公司一直从合作伙伴那里购买数百种零件，单独装配汽车，这种方式必须彻底改变。在这家新工厂中，大众的主要零件供应商将承担卡车和公共汽车的整个不见的装配，还负责与过去大众直接通大众公司联系的耳机供货商签订合同。所有的这些厂家和供货公司都成为新工厂的组成部分，分成7个模块。每一个模块负责管理一个生

3、产阶段的工作，大众负责全面的监控。新工厂1400名员工中只有200名是大众公司的，其他1200人是供货商雇佣的。存储和运输上节省的费用使得这种分工负责所带来的效益十分可观，同之前相比成本降低20%到25%。在2001年，张国方老师就在文章7中预测，未来十年，汽车工业的发展趋势，其中第二点就是生产装配模块化。1. 模块化概念1.1 传统汽车装配传统的装配工艺（包括其它工艺制造过程）并没有模块化的概念，而是分总装和部装或者再分合装、组装等工艺过程。部件是产品的一部分，由若干零件装配在一起所组成。在产品装配过程中， 零件先被装配成部件（部装），然后才进入总装配6,8。某些部件（称为分部件）在进入总装

4、配之前还先与另外的部件和零件装配成更大的部件（称为总成）。模块化是一种新的生产工艺概念。模块也是产品的一部分，具有独立功能，同时还具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口单元。相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合可以形成最终的产品。 模块是模块化设计和制造的功能单元，它具有以下三大特征5,9-10：1） 相对独立性，能对模块单独进行设计、制造、调试、修改，便于由不同的专业化企业分别进行生产；2） 互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块满足更大数量的不同产品的需要；3） 通用性,有利于实现横系列/纵系列产品间模块的通用,实现跨系列

5、产品间模块的通用.从模块的特征可得出模块和部件的不同。由于模块具有独立性，所以模块装配生产线可以脱离总装线而单独存在，它甚至可以不再布置在总装线旁和总装厂内。反之，由于部件不具备这种独立性，所以部装线只能作为总装线的一部分，或是作为总装线的分支而存在。由模块组成的产品具有以下特点：1） 不同功能模块的组合配置，可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求2） 产品的开发既可以重用已有模块和已有设计经验，也可以重用相似模块生命周期中 的采购、物流、制造和服务资源；3） 减少产品设计的复杂性，在利用现有模块时可不再关心模块内部的功能实现，而只需关注模块之间的逻辑功能， 可大大提高产品工程管理质量和产

6、品的可靠性。可以说“模块化” 是现代汽车工业发展的一个“魔块”，它能够变幻出各种设计思路，从而完成一辆车的进化11。1.2汽车总装线中的模块化从20 世纪初汽车生产工艺的流水化生产模式到现代社会的精益化生产工艺 ，汽车生产一直围绕的主题是降低成本的基础上制造出结构简单性能安全的汽车。近几年来 ，很多大型的汽车生产制造公司通过改进汽车的标准化配件，将不同车型的汽车公用一种配件 ，在一定程度上有效削减了投入成本12 ，又促进了多种车型的同步生产 ，满足市场的不同需求。在汽车生产中逐渐引入数字化技术 ，汽车制造工艺逐渐趋向于集约化、数字化和系统化 ，汽车中的总装过程也逐渐走向模块化的装配生产。模块化

7、生产工艺主要内容是将汽车的独立配件通过整合形成一个综合的单元系统。目前的汽车制造业领域内出现了两种生产理念 ，一种是以日系汽车为代表的电子控制系统集约化生产理念 ，还有一种是以德系汽车为代表的产品多功能结构与各种零配件相互联系的复杂体系。这两种理念筑造了汽车的模块化生产工艺。以丰田企业为例10,13 ，日系汽车推崇的理念是希望按照各种模块的不同功能将电子装置系统进行整合，能够涵盖更大的模块范围。比如汽车的制动设置、车身的控制、安全系统控制以及多媒体系统等等多个模块的共同开发。而对于德系车来说，他的主要生产模块是 ：动力构成总模块、车门总系统模块、仪表构成模块以及车前系统模块。通过对这些汽车系统

8、模块的总装配生产 ，缩短了生产时间 ，改善了生产工艺。2 模块化装配生产的具体运用在传统的汽车生产制造领域内 ，汽车装配中的使用零件都是通过叠加的形式来完成装配过程，整条生产线路比较长，配置的效率也相对较低14-15。而模块化的装配生产工艺彻底突破了传统的生产工艺缺陷 ，将串型的叠加式生产流程改变为并行式的生产流程。具体而言就是不同功能的模块装配技术同时在一条生产线上工作 ，然后通过将所有模块整合在一条总线路上共同运作来制造一辆车 ，这样的模块化装配生产大大提高了生产效率。模块化装配生产工艺不仅能够在总装区域内进行，还能够在独立的生产车间完成 ，供应商也可以按照模块的形式来供应生产原材料。在以

9、往的汽车总装工艺中，总装生产线路上需要配备有两万多个各种各样的零部件，引用了模块化的装配生产技术后，总装线路上一共只需要两千多个零部件，极大程度上促进了汽车生产的集约化管理水平5-6,16。因为模块化的装配工艺将一些主要任务通过总装线路转移到了模块化生产线路上，所以能够大大缩短总装线，也可以减少在主线上操作的工人，生产一辆车所使用的装配时间也可以有效缩短。例如某汽车生产企业将前端、前悬挂部位、变速箱以及发动机全部都集中在一个系统模块上进行装配，而不是以往的装配生产中将发动机直接装入整车。这就是模块化装配生产的简单应用。然而从装配的投入成本来看，模块化的装配生产工艺使用的资金与传统的工艺不相上下

10、。但是模块化装配生产工艺却能够带来许多传统工艺无法企及的优点。例如，独立生产的模块装配线路不会受到汽车总装生产车间的尺寸以及环境限制；模块装配生产线有利于方便地进行调整和扩展，快速适应生产新的车型以及新的产量要求；进行缩短后的汽车总装线路在一定程度上降低了成本。假设传统的汽车总装线总共有130个工位，引入模块化的装配工艺后，将总装线上的30个工作位置的装配内容转移到新设置的模块装配线上 ，在总装线上就可以减少 30个工位，生产的130辆车也就减少了30辆。如果每辆车所使用的流动资金假定为 5 万元 ，那么总装线路上的原有资金为650万元，而转移到装配线上之后，就会降低 150 万元的成本资金1

11、0-11。由此可见，在汽车总装生产工艺中，使用模块化生产能够为汽车制造业带来巨大的经济效益。此外，汽车装配生产中的模块化装配工艺在一定程度上降低了新车生产的风险。如果制造出的新车型在市场上比较畅销，那么就能够利用模块化的装配生产线进行扩大生产 ；如果新的车型不受市场欢迎，模块生产线就能够及时满足其他车型的生产需要14,17。随着全球汽车行业的市场竞争日益加剧，世界各大汽车生产企业纷纷实现了模块化供应的生产要求，利用新技术开发汽车零部件主要依靠于零部件生产企业，整个企业行业的竞争主要趋向于品牌之间的竞争。模块化装配生产模式使得汽车制造商可以在全球的汽车制造范围内选择合适的装配工艺以及各类零部件，

12、设计汽车制造方案时能够得到最大程度的优化，有利于扩大和提高各类汽车零部件的种类、智能化水平以及生产质量。2.2汽车模块化装配设计2.2.1 仪表板模块设计仪表板模块主要包括仪表板本体、仪表线束、仪表横梁、转向管柱、组合仪表、组合仪表罩、DVD或 CD、中控面板、储物盒、阳光温度传感器等5。图 1 为仪表板模块主要组成部件.图1 仪表板模块主要组成部件( 1) 仪表板模块分装设计需要考虑的因素: a) 仪表横梁上工艺孔数量及位置;b) 仪表板模块在工装上的翻转方式; c) 仪表板模块分装台的高度，符合人机工程要求;d) 仪表板本体表面耐刮擦系数; e) 仪表板横梁中间轴强度满足要求，能够承载整个

13、仪表板总成的重力; f) 横梁两端需焊接带凹槽形状的定位销，确保仪表板模块稳固地挂在车身上，方便工人操作。( 2) 仪表板总成助力机械手设计要求a) 仪表板总成助力机械手设计需考虑的因素: b) 机械手的抓取方式，是在仪表横梁两端采用销孔式抓取还是在仪表横梁的管梁下方采用支座托起式; c) 校核左、右前门处的室内空间，确保机械手能顺利进入和撤出车内; $机械手采用三点定位方式，防止抓取过程中仪表台模块旋转;d) 仪表板总成机械手移水线的速度相同，同时机械手移动到最大行程位置时，系统设置报警装置进行提醒。( 3) 仪表板模块设计优点仪表板模块设计优点: a) 减少员工室内作业频次，降低车内遗留件

14、!面漆划伤等风险;b) 总成上线，可保证仪表板模块与车身的定位精度;c) 可以在上线前，利用电检设备检测电路是否异常并及时进行处理; )采用机械手抓取仪表板总成的方式，可降低员工劳动强度。2.2.2 动力总成及前悬架模块装配( 1) 动力总成及前悬架模块组成部件动力总成及前悬架模块包含动力总成模块及前悬架模块，其中动力总成模块包含发动机、变速器、助力转向泵、压缩机、起动机总成、驱动轴等; 前悬架模块包含副车架总成、前稳定杆总成、下控制臂总成、动力转向器带横拉杆总成、转向高压油管总成、左右制动器总成等两个模块分别组装好后进行合装，形成动力总成及前悬架模块图2为动力总成及前悬架模块示意图图2 动力

15、总成及前悬架模块6（2）总装装配工艺对动力总成及前悬架模块组装基本要求基本要求:a) 动力总成模块与托盘需要相对定位，因车型的结构不同，定位方式会有所不同，可根据实际需要，设计定位方式;b) 动力总成及前悬架模块放置在托盘上应固定牢靠，防止滑落伤人; c) 托盘在水平面上能够 360旋转，方便工人操作。3汽车模块化装配的影响近十年内，模块化装配生产已经使汽车的生产方式发生了重大变革，传统汽车总装线上的部分装配内容转移到了线外进行，减少了汽车制造企业中在制部件、在制车的数量、简化了总装工艺、节省了总装时间、降低了管理成本和生产费用。采用模块化生产方式有利于提高汽车零部件的质量、自动化水平和产品的

16、可靠性、缩短生产周期，并有利于推进国际化采购。正如100多年前福特创造的大批量生产方式,支持这一历史性变革的是零部件的互换性。同样道理,模块化的技术改变了供货的模式,打破了传统供应链周转的流程。在模块化装配生产方式下， 汽车技术创新的重心部分移到了模块化的零部件方面， 零部件供应商直接参与汽车厂商的产品设计，做到同步开发，缩短了整车开发时间，节约了开发经费。当前，世界各大汽车公司以全球范围作为市场空间，生产配套基地必需进行汽车模块的选择和匹配设计，优化汽车设计方案。汽车公司也要求零部件供应商向模块化发展，以模块化、成套化、系统化供货。例如仪表板供应商，不仅要生产仪表板，而且要将仪表板上的仪表，

17、电气件、电线束及风道等部件全部组合向汽车总装线提供一个仪表模块。在经济全球化的背景，迫于市场竞争力和成本压力，汽车制造业开始进行全球生产链的改革，主要汽车生产企业都实施了零部件全球化采购。模块化生产方式是汽车装配行业的一场变革4 模块化装配存在的问题（1）整车厂与集成系统供应商的协调难度大 具备条件的系统供应商除去承担自身产品的研制、生产外,对下家(二、三级供货商)必需具备良好的协调能力,对上家(整车厂)生产计划要具备高度的同步性。为此其在供应链人中的地位由单一的上游角色变为供应链中承上启下的关、键结点,与整车厂的关系从“受制”的状态转为互动的关系。与此同时,己往由整车厂承担的供求关系中协调风

18、险也一并转移过来。协调难一直是供需链条中不容低估的挑战。例如生产门锁的基尔凯特公司与福特公司因一份新的合同协议而中断供货,致使福特集团的销售额损失近亿万德国马克。18（2）对零配件生产商管理水平的要求和技术要求提高李尔公司182000年在一次公开的场合展示了自行研制的汽车内饰模块系统。其中仅车门单元组件的研制费用就高达100多万美元。其次,随着一部分原本在整车厂内周转的制成品被分流出去,供应商将被迫分摊生产过程中发生的成本,成本风险增大。由于系统集成商在上、下家之间扮演的重要角色,整车厂与系统集成商一旦发生利益冲突,合作将变得十分困难,损伤巨大。一位曾在西方汽车界管理层供职多年的资深人士指出;

19、除非有重大危机发生,否则要改变汽车业根深蒂固的组织结构和经营观念不是一件易事。从这个意义上说,模块化供货,技术问题并不是最大的障碍,因为目前主要汽车生产商和供应商在设计、管理、制造水平上不相上下。但是对于众多的中小型零配件企业，他们往往做了大量的工作，拿到的却是最低的利润。在管理水平底下，技术水平不高的环境下，拿出资金去提高自己的管理水平变得不太现实。这就会经历一场洗牌和重组，这也是经济发展的必然结果。5 结束语模块化装配有以下5个有点: (1) 缩短装配线的长度，容易实现不同车型的柔性化生产，减少投资费用; ( 2) 能够满足现代汽车大批量!多配置的生产需求; ( 3) 实现多车型混线生产，

20、排序供货错误率低; ( 4) 改善主线与分装线的装配及时性及同步性; ( 5) 降低因零件种类多而导致的错、漏装发生率，提升产品质量。同时也有2个不足：（1）整车厂与模块供应商的沟通难度加大（2）零配件制造企业的生存压力增大。总的来说，模块化装配是分工的进一步细化的结果，在提高生产效率和降低生产成本上效益显著。在未来电动汽车成为主流的时代，模块化装配将发展到极致11。参考文献1 运城.我们的座右铭:全球化汽车生产模块组合规模效应J.国际市场,1997(5):39.2 E.m.ddvis,游鄂毓.固体逻辑电路的制造工艺J.电子计算机参考资料,1965(2):13-24.3 D.a.findlay,李航海.模块设计提高集成电路计算机的灵活性J.电子计算机参考资料,1965(7):26-27.4 佚名.98SAE年会暨展览会德尔福“下一世纪赢家”之六先进的集成车用电气/电子系统J.汽车与配件,1998(16):28.5 范平清,