2. Развитие модульного производства: долгосрочная перспектива
2.1 Этапы развития модульного производства
Еще в далеком прошлом начался процесс перехода промышленности к началам конструирования, производства и технического сервисного обслуживания товаров, основанного на модулях стандартизированного технологического блока. Для развития модульной архитектуры было характерно несколько этапов, которые и определили общий ход развития, связанного с инженерным проектированием. Данный процесс характеризовался большим количеством изменений, которые повлияли на производственную структуру в сфере промышленности. В первую очередь они были основаны на инновационно — технологической парадигме, что выражалось в выдвижении ряда существующих промышленных отраслей в положение базовых [46].
2.2. Переход от промышленной революции к массовому конвейерному производству
Можно предположить, что в основании модульных типов инженерных конструкций и применении технологических начал при выполнении производственных мероприятий, были стандартизированные заменяемые детали, которые стали применяться в процессах промышленной сборки с XIX в. Уже в 1910 году американское «Общество автомобильных инженеров» (SAE) предложило осуществить стандартизацию деталей в рамках целой отрасли. SAE стремилось сделать сборку автомобилей более эффективной, обеспечивая совместимость между деталями различных автопроизводителей. Однако совершить желаемое не удалось, в силу проявления сопротивления крупными автопроизводителями.
Исходя из этого, начиная с момента проведения первой промышленной революции, вплоть до первых лет ХХ-го в., происходило последовательное движение к применению конструкций модульного типа, для чего были освоены технологии модульного конструирования и применения технологических узлов стандартизированного типа [46].
2.3. Использование в конвейерном производстве крупноузловой модульной сборки
В начале ХХ века, промышленностью было отработано все массовое производство, которое осуществлялось в отношении конструкций, не используемых стандартизированных узлов технического характера. Преимущество отдавалось конструкциям, содержащим:
- не менее двух альтернативных компонентов, которые могли находиться в сочетании с основным продуктом,
- два или более компонентов могут использоваться внутри различных продуктов,
- один или несколько стандартных компонентов, которые используются с произвольными дополнительными компонентами,
- а также продукты, которые наделены не менее чем двумя областями контактов, за счет которых может находиться в сочетании с определенным набором компонентов.
В это время, возникновение модульных конструкций, было еще в далеком будущем. На территории США в 1958 г. впервые был смонтирован дом из двух секций. Основой такого дома стали модули, созданные в рамках одной площадки, на основе строительных правил. В этом же временном отрезке произошел переход американской автомобильной промышленности к процессу сборки авто на основании стандартизированных шасси, имеющих первоначальное название «платформ». При этом все ключевые составляющие авто были приобщены к данному определению позднее [46].
Необходимо указать, что примерно в середине ХХ в. был завершен период первого цикла по развитию процессов проектирования и производства, основанных на модулях. Широкое использование в данном временном периоде получило конвейерное производство, имеющее крупноузловую сборку.
Одним из значимых этапов становления модульного производства, принято считать действие экономического кризиса, произошедшего в 1920 г. Было установлено, что те промышленные отрасли, которые использовали модульное конструирование, смогли гибко отреагировать на ту динамику, которую демонстрировал рынок. К примеру, в General Motors кризис не был столь ощутимым, как, например, в Ford.
Со стороны экспертов было отмечено, что на данном этапе был создан ряд теоретических основ, на базе которых могло осуществляться модульное производство. Такие основы были определены со стороны Г. Шлезингера и Ф. Кенигсбергера еще в 1930 г. и получили наименование «das Baukasten System». Основная задача, которая ставилась перед внедрением модульной архитектуры, была представлена в виде рационализации разработок и производств, что свидетельствовало о переходе к мерам шаблонного проектирования, не имевшему высоких затрат. Впервые модульные конструкции были применены в машиностроительной сфере. Так, к 1920 г. они использовались при создании станков для токарей и фрезеровщиков, а также транспорта [46].
Наиболее существенный шаг развития рассматриваемого направления было совершено в сфере автомобилестроения, что ярко отразилось на Америке в послевоенное время. В указанный период возникла острая потребность в новых моделях автомобилей, которые должны были быть малозатратными. Единственным выходом стало использование таких платформ, которые не требовали принципиальных конструкций, однако содержали постоянный костяк с важными составляющими. Достичь такого результата удалось благодаря монтажу ряда стандартных компонентов, базированных в рамках единых платформ.
На протяжении этого периода происходило использование модульных конструкций, которое требовалось для того, чтобы рационализировать производство. Как результат, были использованы ранее отработанные технологические решения, ускоренное проектирование и финишная сборка, а также запуск параллельных производств. В промышленности, а именно, в машиностроении, были отработаны модульные технологии, а также систематизирован прежний опыт, что повысило показатели экономической эффективности.[46]
2.4. Переход к модульным платформам
В 60 – е годы прошлого века был очередной этап перехода к модульному производству, который выражался в создании платформ. Благодаря стремительному развитию, возникла «модульная революция». Основным ее проявлением стал переход не только к инструкциям модульного типа, а именно к платформам, на базе которых должны собираться готовые изделия. При создании таких изделий используются модули-блоки, наделенные стандартным интерфейсом и жесткой привязкой к ряду функций, не имеющим связи с индивидуальными товарами, создаваемыми на основе заданных мер. Именно потому, использование модулей допускается при производстве не конкретных товаров, а определенного круга продукции.
Только теперь производство сделало шаг к модульности, постепенно избавляясь от признаков стандартизации. На этом фоне возникло множество возможностей по массовому выпуску. На базе модульных платформ была достигнута индивидуализация выпускаемых товаров, в том числе и за счет использования уникальных составляющих. При этом основная заслуга индивидуальности связана с оригинальной компоновкой модулей, имеющих признаки стандартизации, с условием, что они соединены за счет стандартизированных интерфейсов. Данные технологические достижения позволили ускорить процессы, связанные с проектированием продукции, что существенно снизило производственные затраты и обеспечило необходимый уровень управления за качественными показателями. Положительные изменения затронули и меры сервисного обслуживания, в том числе и такие, которые выражены в модернизации поставленной продукции.[46]
Условно, первый этап, связанный с развитием модульного производства, был назван периодом «рационализации». Для второго этапа был характерен период, связанный с освоением модульного инструмента, за счет чего достигалась требуемая производственная гибкость.
Исходя из этого, период 1900-50-х гг. стал временем накопления решений модульного типа. Последующие 30 лет стали моментом по формированию платформ модульного характера, которые были основаны на проектных методиках. Выражением данных изменений стало увеличение количества модульных платформ, используемых в производственных процессах, в частности, при производстве судов, автомобилей, компьютеров и прочей техники.
Для данного периода было свойственно развитие практики по модульному производству. Вместе с ним, была углублена и концептуальная проработка. Период 1960-х годов стал временем широких дискуссий, которые происходили на предмет возможностей, существующих у модульных производств. В итоге пройденных лет, определение «модуль» вытеснило термин «блок».[46]
Первыми отраслями, в которых сформировались развитые модульные «платформы», оказались самые кастомизированные и самые информатированные отрасли, связанные с серийным производством сложной техники: электроника, связь, автомобилестроение (в частности, среди компаний, одними из первых, реализовавших стратегии перехода к модульным платформам, были IBM, Sony, Honda и др.). За ними модульный подход начал широко применяться в индустрии инженерных систем сооружений (HVAC), судо- и авиастроении (соответственно, среди компаний, реализующих модульное проектирование и производство выделились такие, как Boeing, Chrysler, Ford, Motorola, Swatch, Microsoft, Conti Tires и др.).
Для автомобилестроения была присуща ситуация, при которой одна платформа использовалась для производства нескольких серий авто. Само понятие платформы постепенно расширялось. В его качестве воспринимались не только шасси, но и основы конструкции, стандартный интерфейс, на базе которого происходит сборка модуля.
Несмотря на это, только к 80-м годам, автозаводы стали собирать ни одну, а несколько моделей. Применение аутсорсинга практически не осуществлялось.
До начала 80-х было характерно стремительное развитие японского автопрома. Связано это было с тем, что произошло внедрение «тойотизма». Фактически были созданы целые регионы сетей производства, участниками которых стали вертикально-интегрированные сети, представленные поставщиками и монтажниками. Это дало возможность использования тех преимуществ, которые характерны гибкому производству. В результате поставки осуществлялись в точно установленные сроки. Контроль за работой сборщиков был переадресован на поставщиков. Со стороны японских компаний был выполнен переход к быстрому производству разнообразных моделей авто, для чего использовались одни и те же платформы. Вместе с тем, на территории США была начата оффшорная сборка транспорта.[46]
Вызов Японии был принят американской автомобильной промышленностью, которая стала использовать вертикальную интеграцию, а позже перешла к использованию модульных платформ иерархических систем поставок. Распределение производственных мощностей было основано на развитии аутсорсинга, базированного на примере бережливого производства. Впервые реализовать такую бизнес-модель в США удалось компании Chrysler. Позже к ней перешли и иные производители американского происхождения. По данной линии начали работать концерны Кореи и Европы (с 1990 г.). Для снижения показателей сложности производственного процесса, которая показала резкий скачок, было принято решение о переходе к модульным сборкам, базированным на модульных платформах. Это стало поводом для того, чтобы и иные смежные отрасли стали использовать меры модульного конструирования и производства.
2.5. Переход от традиционных модульных платформ к унифицированным, рост значения модульного дизайна
В соответствии с многочисленными исследованиями, в 1990-х годах те компании автомобильной промышленности, которые использовали модульную платформу в качестве основы разработки и продвижения новых продуктов, отвоевывали около 5% доли рынка в год, в то время как компании, выпускавшие продукцию интегрированной архитектуры, теряли в районе 2% за тот же период. В конце 1990-х Volkswagen экономил около 1,5 млрд. долл. в год на снижении капитальных затрат (за счет гибкого использования основных фондов) при переходе к модульным платформам и сокращению числа используемых платформ с шести до трех. Считается, что Volkswagen был одним из первых OEM (original equipment manufacturer — «оригинальный производитель оборудования»), применивших модульную концепцию производства при построении глобальной технологической цепочки [46].
Необходимо отметить, что те выводы, которые были сделаны относительно эффективности модульных производств, которые были получены в процессе исследования, смогли оказать высокое влияние на мировое развитие модульного производства, которое теперь охватывало не только автомобильную промышленность.
MIT (Massachusetts Institute of Technology- «Массачусетский технологический институт»), как это нередко бывает в технологической сфере, выступил «стартером» для запуска механизма ускоренной реструктуризации всех производств, где управление сложностью представляет собой значительную проблему, задал направление перехода к модульным платформам, причем в их унифицированной модификации.
Несмотря на это, «модульный энтузиазм» к 1990 г. показал спад. Причиной тому, в первую очередь, стал переход к использованию модульных конструкций, что приняло массовый вид в каждой отдельной отрасли. В то же время, широко распространилось и веяние производственного аутсорсинга, конструкция которого, в части производства, была сложна. В результате, в пределах рынка появились «поздние последователи». Факт эффективности использования новейших технологий производства, при наличии условий повсеместного перехода к таковым, имел относительные результаты. На этом основании были сделаны выводы о том, что за счет модульности невозможно разрешить все производственные задачи, которые могут возникнуть. В то же время, для модульного производства стала новая проблема, связанная с «перепроизводством» таких модулей и платформ.
Указанный перечень причин, а также состоявшаяся в 90-е годы замена тех версий, которые существовали в направлении бережливого производства, за счет более продвинутых его вариантов, позволили сбалансировать производство. Достижение такого баланса было связано с внедрением в управленческие процессы таких моделей модульного производства, которые были оптимизированы. В этом процессе произошла замена тех модульных платформ, которые были простыми, платформами унифицированного типа [46].
Это – еще не «открытая» модульная архитектура, но базой сборки продукции являются вовсе не уникальные, а стандартизированные модули, нередко применимые для сборки и на других платформах. Процесс постановки к производству унифицированных модульных платформ, был обеспечен за счет определенного «пакета» применяемых инструментов.
Унификация, сокращение числа модификаций модулей и платформ, иерархические системы поставок, которые были связаны с уменьшением количественных показателей лиц, выступающих поставщиками, совместно с сокращением количества применяемых платформ, в условиях повышенной гибкости и реакции, в пределах отдельных платформ, стали выступать трендами, на базе которых определились процессы развития модульных производств конца ХХ в.
2.6 Развитие модульного производства: долгосрочная перспектива
События, свидетельствующие о распространении модульных архитектур, указывают о том, что такие процессы базированы на зрелых технологиях. В результате использования модульных конструкций достигается требуемая гибкость производств и их экономическая эффективность. Применение модульности, выступающей средством, при помощи которого осуществляется оптимизация технологического процесса, позволяет создавать новую продукцию в то время, когда имеются базовые образцы. Несмотря на то, что со стороны модульных конструкций и концепций был пройден существенный путь, остановка данного процесса в будущие несколько десятков лет не предвидится [46]. Важнейшими трендами, демонстрирующими развитие модульных конструкций, являются:
- Дальнейшее возрастание показателей распространения изучаемых конструкций, на базе тех отраслей, где их применение является традиционным. Данный факт фиксируется большим количеством опросов, проводимых со стороны консультационных агентств. Из этого можно сделать вывод о наступлении эпохи «платформных войн». Главное отличие такой эпохи заключается в высоком уровне конкурентоспособности компаний, занятых в различных секторах общего рынка. Наиболее ярким выражением такой войны можно назвать соперничество, возникающее между поставщиками электроники.
- Выполнение перехода от признаков модульности производства к аналогичному признаку, используемому в ходе проектирования.
- Увеличение показателя значимости, присущего использованию модульных конструкций, являющихся инструментами кастоматизации, создает основы для интенсификации инновационных производств. Нельзя говорить о новизне данного тренда. К 2000-м годам стало очевидным, что использование цифровых методов при проектировании, а также снижение стоимости электронной коммуникации, стали основанием для изменений в «парадигме проектирования». На этой базе были определены источники инноваций, не связанных с производителями. Исходя из этого, потребителем мог бы стать со-проектировщик нового товара, нацеленный на внедрение систем, связанным с «открытыми инновациями» и «открытыми стандартами», «открытой архитектурой» [46].
- Продолжение эволюции уже выведенных на рынок ведущими ОЕМ-производителями или готовящихся к выведению модульных платформ в следующих направлениях: а) сокращение их числа (отчасти, этот процесс отражает дальнейшую консолидацию производства в секторах традиционной индустрии); б) формирование так называемых «глобальных» платформ, являющихся платформами глобальных цепочек поставок компонентов и в этом смысле настраивающихся над внутрифирменными платформами; в) рост числа стандартизированных компонентов при одновременном сокращении числа используемых модулей в пределах уже находящихся в производстве платформ (хотя данный процесс управления разнообразием носит более сложный характер); г) продолжение эволюции зрелых платформ в направлении от внутрифирменных к платформам цепочек поставок и отраслей/рынков, а также от закрытой архитектуры к открытой.
Для того, чтобы охарактеризовать данный тренд в развитии модульных конструкций и модульного производства, появился даже специальный термин – коммонализация (англ. common- общий) компонентов и платформ, т.е. превращение их в общедоступные (обмен компонентами и архитектурными решениями между платформами). При этом большинство из развиваемых сейчас платформ, базирующихся на зрелых технологиях, сохранятся, хотя это не отменяет того факта, что в рамках этих платформ будут появляться все новые и новые поколения продуктов.[46]
5) Технологически зрелые сектора экономики используются для того, чтобы управлять сложными модульными конструкциями. Процессы, связанные с консолидацией активов, нацелены на интеграцию, как самих производственных активов, так и согласования стратегий рынка. Вместе с тем, происходит и технологическая интеграция, присущая компонентной базе, а также унификация, присущая модульным платформам. Отсутствие такого соединения между платформами слияния и поглощения, не имеет смысловой нагрузки в подобном рыночном секторе. Те пользователи, которые обладают неинтегрируемыми платформами, в ходе конкуренции, могут быть вытеснены с рынка, но не поглощены и не использованы.
В дальнейшем M&A (mergers and acquisitions- «Слияния и поглощения») в технологически сложных отраслях будут все больше и больше строиться на объединении (обменах модулями и компонентами или «коммонализации») модульных платформ.
Распространение модульных технологий на новые сектора промышленности. Среди наиболее перспективных секторов развертывания модульного производства и проектирования эксперты обычно называют атомную промышленность, гражданское строительство и инфраструктурное развитие. Не так давно Американское общество инженеров-механиков (ASME) провело «Глобальный саммит будущего инжиниринга в машиностроении», по итогам которого был сформирован прогноз развития данного инжиниринга. Одним из выводов этого прогноза стала констатация того факта, что методы проектирования и производства, отработанные в машиностроении в ближайшие десятилетия, будут переноситься в другие сферы. В том числе, модульная сборка начнет применяться в биотехе, фармацевтике и станет возможна на наноразмере. Возможно, что именно этот потенциал использования модульной сборки на самом мельчайшем уровне лежит в основе широкого распространения в ближайшее время конструируемых материалов, CAD в химии и фармацевтике, биотехе. Именно этот метод конструирования будет определять развитие не только машиностроения, но и данных отраслей [46].
- Модульное производство может быть само организовано как модульная система (Module Structured Production System (MSPS)). Часть исследователей считает, что такая организация является перспективной и гибкой формой реагирования на производственные задачи будущего. В принципе, автомобильная промышленность уже развивается по этому пути.
- Стандартизация модулей «интеллекта» выпускаемой продукции, переход от «модульных платформ» к гибким/мобильным модульным гиперсистемам, обладающими стандартизированными интерфейсами, которые позволяют собирать и разбирать почти в произвольном режиме технологические комплексы из самостоятельных управляемых модулей. Например, электромобиль, подключенный к сети, может служить поставщиком энергии в нее в момент низких нагрузок. Следствием интеграции таких модулей «интеллекта» в разнообразные конструкции является постоянный рост доли электроники в конечной стоимости продукции, обязательное наличие систем (модулей) передачи данных и пространственно-временного позиционирования (Глонасс, GPS и т.п.). При этом «интеллектуальный» модуль, обеспечивающий контроль параметров состояния объектов или протекания процесса, а также передачу данных в системах «вещи-вещи» (М2М, «Интернет вещей» и т.п.) становится обязательной частью проектируемой архитектуры таких объектов [46].
За модульными платформами, имеющими открытую архитектуру, была закреплена роль, имеющая особое сходство с инфраструктурой. Такие платформы могли становиться техническими основами для создания инфраструктурных элементов. Основанием для этого служили следующие факты: наличие открытости для использования со стороны тех, кто обеспечивает рекомбинацию модуля, находящегося во владении различных субъектов. В большинстве случаев, такая инфраструктура собрана исходя из «сотового принципа», в основе чего лежит большое количество игроков, имеющих экономические интересы. Такие версии наиболее характерны для умных сетей, которые применяются в направлении энергетики, медицины и прочих сферах. В методологии проектирования и менеджмента на базе теории холонического проектирования и производства как управляющая подсистема разработана концепция «мультиагентских систем», способных непрерывно приобретать новых агентов и изменять свою структуру, приспосабливаясь к новым производственным задачам и рыночным условиям. Исходя из указанного, можно утверждать, что современная инфраструктура будет построена на основе модульных платформ, имеющих открытую архитектуру и управляемых при помощи мультиагентной системы.[46]
3. Конструктивные особенности модульных автопоездов и их преимущества
3.1 Особенности концепции модульного построения изделий
Совсем недавно понятие модуля использовалось, в основном, применительно к типовым элементам замены (ТЭЗ). ТЭЗ подразделяли на уровни (приборы, блоки и т.д.), создавали из них многоканальные системы, но в любом случае они решали только одну главную задачу – замену модуля на его полный аналог. С развитием микро, а затем и нано технологий появились гибкие многофункциональные устройства, у которых имеется возможность изменения конфигурации за счет функциональных модулей для решения множества разнообразных задач. Ярким примером таких устройств являются персональные компьютеры (ПК). При этом если стратегии построения ПК есть у каждой фирмы-разработчика, то в целом для всех многофункциональных мультимодульных устройств общей концепции построения не прослеживается. Таким образом, сформировалась необходимость проанализировать и охарактеризовать модульные принципы построения многофункциональных систем как самостоятельную концепцию.
Стремление создавать более совершенные и конкурентоспособные конструкции машин непрерывно заставляет разработчиков искать новые концептуальные подходы и принципы их построения. Стандартизация способствовала появлению изделий, унифицированных по отдельным техническим признакам. Развитие техники в последние десятки лет определило комплексные подходы к созданию сложных технических объектов, которые характеризуются огромным разнообразием функциональных возможностей благодаря внедрению модульных конструкций из наборов единиц-модулей. Поэтому для создания концепции модульного построения перспективных магистральных автопоездов с активными звеньями следует определить, что необходимо понимать под терминами «модуль», «модульный принцип».
Слово «modulus» в переводе с латинского означает «мера», а одними из первых научно обоснованных являются следующие определения термина «модуль» [47]:
- «применительно к архитектуре это – условная единица, принимаемая для координации размеров частей здания или комплекса»;
- «применительно к электронике это – унифицированный функциональный узел, функционально законченный узел радиоэлектронной аппаратуры, оформленный конструктивно как самостоятельное изделие».
В [48] дано следующее определение модулю. «Это – в определенном смысле завершенный (самостоятельный) элемент, который может служить метрологической, конструктивной, функциональной, информационной и другой единицей (мерой) при проектировании, изготовлении, эксплуатации и сравнении технических и информационно-управляющих систем». Также понятие модуля разделено на две категории: модуль-меру и модуль-изделие. Последнее представляет наибольший интерес и под ним понимается «конструктивно и технологически законченная типовая или стандартная сборочная единица, общая для нескольких более сложных систем, имеющая автономную документацию на изготовление, полностью собранная, прошедшая функциональную проверку и готовая к монтажу».
Также на основе выполненных обобщений в [48] дается определение модульному принципу как особенности построения технических систем, заключающейся «в подчинении их размеров проектному модулю (модулям) и (или) в обеспечении возможности комплектования разнообразных сложных нестандартных технических систем с большим различием характеристик из небольшого, экономически обоснованного, количества типов и типоразмеров одинаковых первичных (типовых или стандартных) общих модуль-элементов.
Под модульной системой понимается 1) совокупность проектных модулей, подчиненная какой-либо закономерности; 2) совокупность модуль-изделий, подчиненных какой-либо закономерности; 3) сложная техническая система, скомплектованная из модуль-изделий».
В области машиностроения самое широкое распространение термин «модуль» получил при проектировании зубчатых передач. Здесь под модулем понимается отношение диаметра делительной окружности к числу зубьев зубчатого колеса.
В технической литературе различают следующие иерархические виды модульности в зависимости от степени дробления проектируемого автотранспортного средства на отдельные модули и от возможности использования модулей в производстве и эксплуатации [49]:
микромодульность;
Автомобиль имеет кузов с оптимизированной силовой схемой (каркасно-модульный), в которой отсутствующие элементы, способные лишь нести функции защиты от окружающей среды, частично или полностью заменены модулями (крыльями, стенками и пр.). Этот принцип проектирования позволяет резко ускорить разработку и выпуск новых модификаций на базе старой конструкции. Необходимость данной модернизации возникает тогда, когда автомобиль уже «морально устарел». Поэтому компания, которая производит такой автомобиль, ищет новую сферу на потребительском рынке за счет привлечения потенциальных покупателей. Каркасно-модульный кузов обеспечивает разработку конкурентной продукции с новыми потребительскими качествами без больших затрат на разработку шасси автомобиля (разработка нового автомобиля занимает около 4-5 лет, а модернизация – несколько месяцев). Для этого конструкция кузова и технология сборки изменяется. Каркас кузова формируется не за счет выштамповок листовых панелей, а формируется из трубчатых элементов, и на этот каркас навешиваются панели обшивки. Причем на одном каркасе возможна разработка большого количества различных автомобилей. Каркас кузова может долгое время не изменяться, при этом его конструкция должна обеспечивать высокую прочность, жесткость и безопасность всего автомобиля. Затраты же, которые были вложены в разработку нового несущего каркаса, окупаются количеством модификаций. При этом стоит заметить, что такая модульность возможна лишь на стадии проектирования, так как замена каких-либо модулей может нарушить всю жесткость кузова.
модульность среднего уровня;
При таком виде модульности на базе одной платформы или рамы путем ее укорачивания или удлинения изготавливаются автомобили разного класса или назначения: тягачи Volvo-FH, DAF-85, Iveco EuroTech, Renault-Premium с разными кабинами и другие. Так, на одной платформе может быть построено до 10-12 автомобилей разного класса. Удобство состоит в том, что малыми затратами можно сделать не просто модернизированный, а совершенно новый автомобиль.
Примером средней модульности могут служить рамные автомобили ГАЗ, МАЗ, КамАЗ, Ford-F150, — F250, -F350, Chevrolet-S10, Toyota-Tundra, Nissan-Pickup, Chevrolet-Silverado и др. Часто на базе пикапов создаются внедорожные автомобили (Ford-Excursion на базе Ford-F250, Chevrolet-Blazer на базе Chevrolet-S10, Nissan- Pathfinder на базе Nissan-Pickup и другие). Нагрузку на таких автомобилях берет на себя металлическая рама. Эта концепция используется, прежде всего, на грузовых автомобилях и пикапах. Имея одно рамное шасси, производители устанавливают на него свои кузова от открытой платформы до изотермического фургона.
макромодульность
Применение укрупненных модулей дает возможность выпускать большое число моделей изделия в производстве и позволяет с малыми затратами варьировать потребительскими свойствами машин в зависимости от заданных условий эксплуатации. Принцип создания машин на основе макромодулей был успешно реализован в боевой машине BAE Systems, электропоезде A-train компании Hitachi Rail Systems и др.
Основные преимущества от использования принципа модульного построения состоят в том, что они дают возможность получить существенные преимущества как в процессе производства, так и при эксплуатации транспорта:
- затраты, вложенные в разработку нового шасси, окупаются возможностью выпуска большого количества модификаций;
- удешевляется процесс изготовления и появляется возможность увеличить число модификаций автотранспортных средств при малых затратах на их модернизацию;
- на одном шасси может быть создано несколько моделей автомобилей, в том числе на различных предприятиях;
- используя освоенные модули, можно при малых затратах сделать не просто модернизированный автомобиль, а изделие как совершенно нового класса, так и совершенно другого назначения;
- освоенные модули можно использовать для постройки концептуальных автомобилей;
- возможность в процессе эксплуатации смены кузова в зависимости от перевозимого груза и сокращения времени на погрузочно-разгрузочные операции;
- возможность более полно учесть пожелания и требования потребителя.
3.2 Модульное построение многозвенных магистральных автопоездов с активными управляемыми звеньями
Отмеченные выше подходы к использованию принципа модульного построения сложных технических систем позволяют предложить концепцию модульных многозвенных магистральных автопоездов и сформулировать ряд базовых требований, понятий и определений применительно к перспективным автопоездам.
Основные требования к перспективному магистральному автопоезду с активными управляемыми звеньями для трансконтинентальных перевозок можно представить следующим образом:
- модульность построения основного и прицепных звеньев автопоезда. Использование этого принципа позволяет комплектовать автопоезда необходимой грузоподъемности и грузовместимости на базе унифицированных модулей;
- многозвенность автопоезда. Этим достигается большая длина автопоезда на базе прицепных звеньев с целью получения необходимых грузоподъемности и грузовместимости;
- мобильность звеньев автопоезда. Звено автопоезда должно иметь индивидуальный привод хотя бы на одну ось и систему рулевого управления для работы в автономном режиме.
Это необходимо для следующих целей:
а) самостоятельного комплектования звеньев в многозвенный автопоезд;
б) самостоятельного подъезда каждого звена к разгрузочным площадкам при выполнении погрузочно-разгрузочных работ;
в) обеспечения необходимых характеристик автопоезда по маневренности, управляемости и устойчивости;
г) сохранения мобильности автопоезда в случае поочередного преодоления отдельными звеньями участков дорог (мостов) пониженной несущей способности;
д) возможности использования на автопоезде оптимальной суммарной мощности силовых установок для каждого конкретного случая в зависимости от условий эксплуатации;
- формирование конфигурации автопоезда непосредственно в транспортных организациях под определенную партию груза и условия клиента (маршрут движения, время доставки и др.).
- возможность трансформации состава автопоезда во время одного рейса:
а) уменьшением или увеличением количества звеньев для изменения грузоподъемности и грузовместимости;
б) уменьшением или увеличением количества тяговых модулей для изменения тягово-динамических характеристик.
С учетом сказанного сформулируем и общие требования к отдельным модулям модульного магистрального многозвенного автопоезда:
1) изделие в процессе разработки должно быть разделено на несколько автономных модулей с простыми и согласованными связями между ними;
2) модули должны быть настолько независимыми, чтобы обеспечить возможность разделения труда при проектировании;
3) возможные взаимозависимости между модулями за счет их высокой унификации необходимо свести к минимуму, чтобы разработка каждого из модулей не ограничивалась темпами работы над другими модулями;
4) взаимозависимости между модулями должны быть известны и определяются разработчиком на ранних стадиях проектирования, чтобы после завершения разработки изделия не только получить набор высокоунифицированных модулей, которые будут работать каждый в отдельности, но также смогут быть собраны вместе в единую систему, функционирование которой удовлетворяет общим требованиям;
5) модули должны быть совместимы, то есть позволять свободную сборку готового изделия определенного функционального назначения с заданными или новыми характеристиками;
6) каждый модуль должен разрабатываться по специфическим, характерным для него требованиям, чтобы при работе в составе изделия обеспечить те параметры последнего, для выполнения которых данный модуль предназначен [50].
Под макромодулем как под базовой единицей-модулем следует понимать полнофункциональное звено многозвенного автопоезда, способное совершать самостоятельное движение и работать совместно с другими звеньями в составе автопоезда. При этом макромодули включают модули среднего уровня. Под последними предлагается понимать входящие в активные звенья грузовые и тяговые модули, модуль «кабина». Микромодули представляют собой набор компонентов, входящих в состав модулей среднего уровня (моторно-трансмиссионные установки, тягово-сцепное устройство, оси и т.д.).
Таким образом, концепция модульных многозвенных магистральных автопоездов с активными управляемыми звеньями как нового вида транспортных средств для массовых трансконтинентальных перевозок состоит в следующем: звенья автопоезда формируют из набора типоразмерных рядов, унифицированных тяговых и грузовых модулей и соединяются между собой мехатронными сцепными устройствами для построения различных конфигураций и комплектаций автопоездов в зависимости от их назначения.
Тяговые модули обеспечивают мобильность транспортного средства за счет использования источников энергии в традиционном (дизельные двигатели, дизель-генераторные установки, накопители энергии) и комбинированном (гибридном) вариантах с традиционными (механическими, электромеханическими) или комбинированными (гибридными) трансмиссиями для привода ведущих колес.
В прицепных звеньях допускается применение пассивных модулей вместо тяговых модулей в тех случаях, когда в автопоезде в целом обеспечивается требуемый сцепной вес.
Грузовые модули обеспечивают заданную грузоподъемность и грузовместимость звена и участвуют в улучшении параметров маневренности автопоезда при оснащении управляемыми колесами.
Сцепные устройства повышают технико-эксплуатационные характеристики автопоезда посредством регулирования расстояния между звеньями в зависимости от скорости и режима движения. Согласованное движение звеньев в составе автопоезда осуществляется на основе мехатронных систем.
Под активным понимается звено, включающее тяговый модуль, а под пассивным – не имеющее активного привода.
С учетом вышесказанного магистральный автопоезд модульной конструкции может состоять из следующих основных структурных единиц (рисунок 3.1) [1–А]: головное и прицепные звенья (макромодульность), кабина, грузовой модуль, тяговый модуль со сцепным устройством (модульность среднего уровня). При этом тяговый модуль используется в головном и прицепных звеньях и предназначен для придания автопоезду требуемых тягово-динамических свойств при выполнении транспортной работы. В состав тягового модуля входит рама, силовая установка (двигатель внутреннего сгорания со вспомогательными системами), трансмиссионный блок (привод колес ведущего моста), оси (мосты), подвеска ведущего моста и оси с управляемыми колесами, рулевое управление, тормозная система и устройство быстрого присоединения грузового модуля к тяговому модулю (микромодульность).
