正向開發(fā)過程中總布置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

尚偉 金賢鎮(zhèn) 陳鴻運(yùn)

（北京現(xiàn)代汽車有限公司）

隨著汽車行業(yè)發(fā)展的日益成熟，總布置設(shè)計(jì)已成為整車開發(fā)過程中不可或缺的一部分。汽車性能的優(yōu)劣不僅取決于汽車各部件的性能，而且在很大程度上取決于各部件的協(xié)調(diào)和配合，即總體布置；總體設(shè)計(jì)水平的高低對汽車的設(shè)計(jì)質(zhì)量、使用性能和產(chǎn)品的生命力有著決定性的影響。尤其在整車設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)總布置概念方案及設(shè)計(jì)輸入，編制詳細(xì)的總布置方案，總布置在工程設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)之間起協(xié)調(diào)作用，既要確保造型自由度，又要確保工程設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)[1]。文章結(jié)合某電動車開發(fā)項(xiàng)目，分析了布置過程，得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，明確了今后的努力方向。

1 總布置概況

汽車總布置可以用布置和人機(jī)界面來定義?！安贾谩备拍钚缘囟x了汽車內(nèi)外部的幾何尺寸和所有大型零部件的位置；“人機(jī)界面”則是設(shè)計(jì)工作場所時(shí)使人與工作環(huán)境協(xié)調(diào)的一門科學(xué)，所以總布置開發(fā)的作用就是要保證幾何協(xié)調(diào)（位置空間、造型比例）、功能有序（制造性、維護(hù)性）和性能平衡。

總布置作為汽車設(shè)計(jì)的主線，在汽車的開發(fā)過程中扮演著總設(shè)計(jì)師的角色，是新車型開發(fā)的第1道工序，而新車型總體方案的確定是總布置設(shè)計(jì)的第1步。首先通過充分準(zhǔn)備和綜合分析，選擇一個合理的整車方案，并經(jīng)過一定的程序?qū)⑵浯_定下來。方案確定后，進(jìn)行準(zhǔn)確布置和計(jì)算，并為各總成下一步開展的工作打好基礎(chǔ)、準(zhǔn)備條件、提出要求并與各專業(yè)組協(xié)同完成全部的設(shè)計(jì)，共同實(shí)現(xiàn)整車的總目標(biāo)。

2 總布置一般步驟和任務(wù)

汽車尤其是新車型的設(shè)計(jì)是根據(jù)社會對該車型的使用要求而提出的整車參數(shù)與性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的。需要從整車的總體設(shè)計(jì)開始，通過總體設(shè)計(jì)的分析與計(jì)算，將整車參數(shù)和性能指標(biāo)分解為有關(guān)總成的參數(shù)和功能后，再進(jìn)行總成和部件設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行局部設(shè)計(jì)與研究。

2.1 產(chǎn)品規(guī)劃

產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是選定設(shè)計(jì)目標(biāo)，并制定設(shè)計(jì)工作方針及設(shè)計(jì)原則。主要包含：競爭車型對比分析研究、整車參數(shù)性能目標(biāo)定義，以及根據(jù)所確定的尺寸和性能參數(shù)繪制總布置草圖。圖1示出汽車總布置外形尺寸輪廓圖。

圖1 汽車總布置外形尺寸輪廓圖

2.2 造型階段

造型部門依據(jù)總布置輸出的造型硬點(diǎn)（長、寬、高、軸距、輪距、前后懸、前后視野、前后擋傾角、通過性要求及內(nèi)部空間等）進(jìn)行造型概念草圖和效果圖設(shè)計(jì)，并經(jīng)過總布置工程師及其他相關(guān)部門反復(fù)討論與分析以及領(lǐng)導(dǎo)決策，形成最終造型面數(shù)據(jù)及總布置設(shè)計(jì)圖（如圖2所示）。

圖2 某車型總布置設(shè)計(jì)圖

2.3 可行性分析階段

可行性分析階段包含典型斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)、主體方案性能分析與優(yōu)化、工藝可行性分析以及法規(guī)可行性研究。對各部件進(jìn)行合理布置和運(yùn)動校核，整合汽車各系統(tǒng)和零部件，對整車性能進(jìn)行控制，保證汽車主要性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及空間的集成和功能性。

2.4 詳細(xì)工程設(shè)計(jì)階段

根據(jù)工程可行性分析，進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同步進(jìn)行虛擬分析、虛擬試驗(yàn)和虛擬制造同步工程分析，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，使之滿足整車性能目標(biāo)、國家法規(guī)和相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)調(diào)好整車與總成之間的匹配關(guān)系，優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間，滿足功能需求，配合總成完成布置設(shè)計(jì)，使整車的性能與可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段

設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段通過樣車制造、試驗(yàn)驗(yàn)證及小批量生產(chǎn)等過程對整車和各總成的功能性、裝配性以及人機(jī)交互進(jìn)行驗(yàn)證校核，如若發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)向工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反饋，相關(guān)部門共同研討進(jìn)行優(yōu)化。其中優(yōu)化的內(nèi)容包括整車造型控制及技術(shù)改進(jìn)，同時(shí)需要協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沖突，使整車布置更為合理可靠。

3 機(jī)艙總布置設(shè)計(jì)要求

按照區(qū)域布置分解來看，總布置可以分為發(fā)動機(jī)艙布置、下車體布置、乘員艙布置及行李箱布置4類。按照開展工作的步驟，首先需要確定整車主要參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行底盤和機(jī)艙的布置，位置關(guān)系確定后校核駕駛室內(nèi)人機(jī)工程，最后進(jìn)行整車的受力分析和計(jì)算[2]。

3.1 機(jī)艙總布置的重要性

作為整車設(shè)計(jì)的重要組成部分，機(jī)艙布置的合理性不僅關(guān)系到動力總成及附件是否能夠放入，同時(shí)還關(guān)系到整車性能的諸多方面，比如：整車的振動噪聲、可靠性、行人保護(hù)、碰撞安全、行車安全、整車質(zhì)量、整車軸荷分配、整車的工效、美觀性及電氣元器件的使用壽命等。

3.2 某款電動車發(fā)動機(jī)艙的總布置優(yōu)化

某純電動車在前期布置階段欠缺考慮，根據(jù)總布置需要遵循的原則，對其機(jī)艙布置進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 機(jī)艙和管線的布置原則

主要以地板的變動最小為目標(biāo)，盡量保證離地間隙的要求，需遵循如下原則：

1）布局美觀，保證機(jī)艙平整性，按照零部件的重要程度優(yōu)先布置；

2）管線盡量布置在隱藏的空間，直接裸露部分盡量遵守橫平豎直的原則；

3）滿足工藝裝配性、液體加注和下線調(diào)整及檢測方便性要求；

4）管線應(yīng)與固定件、運(yùn)動件保持適當(dāng)間隙；

5）滿足基礎(chǔ)保養(yǎng)和常規(guī)維修要求。

3.2.2 關(guān)鍵改善部件的布置方案

通過變更整車控制器（VCU）/DC-DC/高壓控制盒等專用部件的式樣及安裝位置，規(guī)范管線走向（例如將線束在電機(jī)側(cè)面相連變?yōu)榫€束在電機(jī)后部相連），調(diào)整快充接口以及真空泵的位置，增加集成支架等，避免了快充口與空調(diào)管干涉以及線束凌亂等問題，提升了裝配工藝性，使機(jī)艙布局整齊美觀，如圖3所示。

圖3 某純電動車總布置優(yōu)化示意圖

4 人機(jī)工程布置設(shè)計(jì)

人機(jī)工程是從人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)，研究人、機(jī)、環(huán)境相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律，以達(dá)到優(yōu)化的目的。車輛人機(jī)布置以改善駕駛員的勞動條件和車內(nèi)乘員的舒適性為核心，以人的安全、舒適、高效及健康為目標(biāo)，使整個系統(tǒng)總體性能達(dá)到最優(yōu)[3]。

人機(jī)工程設(shè)計(jì)的步驟為：

1）確定H點(diǎn)：選定設(shè)計(jì)用的百分位人體，根據(jù)加速踏板、地板及方向盤的位置選擇合適的人體坐姿以初步確定前排H點(diǎn)。根據(jù)車身空間，通過選定設(shè)計(jì)用百分位人體，初步確定后排H點(diǎn)及坐姿，同時(shí)校核后排頭部空間、腿部空間、膝部空間和腳背空間。

2）視野校核：根據(jù)H點(diǎn)及人體坐姿確定眼橢圓的尺寸位置及相關(guān)人機(jī)工程硬點(diǎn)，然后校核前方視野、后視野、風(fēng)擋玻璃刮刷面積、遮陽板、內(nèi)外后視鏡及儀表板視野等。

3）操作舒適性校核：就是所有可操作部件都能被駕駛員方便舒適地操作，包括腳踏板、手伸及面、換擋、手剎、門內(nèi)板操作鍵、發(fā)動機(jī)蓋及行李箱蓋校核。

4）汽車的安全性分析：主要包括車內(nèi)外凸出物校核、汽車安全帶布置校核、汽車安全氣囊的布置及上下車的方便性校核等。

5 某改款車開發(fā)時(shí)代表性布置及校核

總布置是實(shí)現(xiàn)各種屬性需求的最優(yōu)方案解決者，文章結(jié)合某改款車開發(fā)時(shí)的人機(jī)總布置實(shí)例，介紹了人機(jī)總布置在整車開發(fā)中的一些應(yīng)用。

5.1 駕駛姿態(tài)布置

駕駛姿態(tài)需要滿足人體各關(guān)節(jié)舒適度的要求，應(yīng)考慮的因素為：R點(diǎn)、H點(diǎn)、座椅滑軌行程、方向盤、踏板及換擋操作桿等。

將95%的假人放置于競爭車A的前排，50%的假人放置在后排。圖4示出競爭車A后排腿部空間和前排膝部空間示意圖。經(jīng)測量，競爭車A的后排空間不足，假人與前排座椅的間距為-24 mm，如圖4a所示。除了對于人體尺寸的要求外，儀表板至假人膝蓋中心點(diǎn)之間的最小距離還必須滿足碰撞的需求，最好控制在80 mm以上。為了增強(qiáng)駕駛員的舒適性，結(jié)合競爭車的對標(biāo)分析數(shù)據(jù)，最終將后排膝部空間優(yōu)化到15 mm。

圖4 競爭車A后排腿部空間和前排膝部空間示意圖

5.2 操作件布置

操作件的布置需滿足的要求為：可視性（即相關(guān)部品要放在無視野障礙的區(qū)域，并不需要通過頭部或者軀干的移動就可以看到）、可伸及性、常用操作裝置要便于操作、同一系統(tǒng)的操縱裝置應(yīng)該布置在一起、不論白天還是黑夜，對所有指定的駕駛者來說，操縱裝置必須清晰可見。

通過實(shí)車以及數(shù)模對比，競爭車B的手剎和杯托都存在問題。由于杯托高度不足，將500 mL的礦泉水瓶放置在杯托位置時(shí)很難取出，且換擋手柄與中央面板間隙不足，水瓶取出時(shí)會與換擋手柄發(fā)生干涉。其次是手剎拉至最高位置時(shí)與中央扶手存在干涉，如圖5所示。

圖5 競爭車B操作件的干涉問題

5.3 進(jìn)出性

乘員上下車方便性的直接影響因素為車門的開口形狀和位置，需要控制的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖6所示。圖6a中H30（R點(diǎn)至地板的垂直高度）及地板與門檻高度差都是衡量進(jìn)出性的重要參數(shù)；圖6b中的腳部移動軌跡與門飾板前下方之間的間距也十分重要，若間距過小，進(jìn)出時(shí)門飾板會與腳發(fā)生干涉，不僅影響進(jìn)出性，還容易造成門飾板污染。

圖6 影響乘員進(jìn)出性的參數(shù)示意圖

由于改款車開發(fā)時(shí)保持原地板不變，因此門飾板與腿部間距是進(jìn)出性的重要考核因素。進(jìn)行車型改款時(shí)，門飾板重新造型，地圖袋的大小和位置均發(fā)生變化，通過對競爭車A和B進(jìn)行測量，再反復(fù)檢討新造型的方案，以車內(nèi)乘員的舒適性和便利性為核心，最終確定了門飾板方案。通過檢討競爭車A和B的門飾板最外側(cè)與座椅的間隙，為了提升競爭力，滿足人機(jī)要求，對間距進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

除了車門飾板的影響外，A柱、頂篷及門檻高度都是影響進(jìn)出性的重要因素，所以需要在前期開發(fā)階段，圍繞上述重要因素，研討其進(jìn)出性。圖7示出影響乘員進(jìn)出性的各尺寸說明。A柱在橫向和縱向的尺寸都與進(jìn)出性有關(guān)，一般橫向尺寸控制在300 mm左右，R點(diǎn)與頂篷的縱向距離一般在780 mm，門檻與地毯的間距一般為110 mm，并且要控制好門檻外邊緣至H點(diǎn)的橫向距離，如果橫向距離過大，上下車時(shí)，會導(dǎo)致門檻和小腿部位干涉。

圖7 影響乘員進(jìn)出性的各尺寸說明

除此之外，人機(jī)總布置還應(yīng)該考慮按鍵及旋鈕等部件的操作，要求凸出量一般不大于9.2 mm，凹進(jìn)去的旋鈕一般與周邊空間的尺寸保持在15 mm以上（例如點(diǎn)煙器）。行李箱也是布置時(shí)的一個重要方面，尤其是開口方向和寬度。

6 結(jié)論

文章并沒有系統(tǒng)性地詳細(xì)說明總布置的開發(fā)流程，而是結(jié)合項(xiàng)目，將發(fā)動機(jī)艙以及人機(jī)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單的分析說明，旨在明確汽車總布置在整車開發(fā)中所起到的重要作用。總布置可能成本較高，所以必須提早考慮。在設(shè)計(jì)的最初階段，整車尺寸校核、人機(jī)工程分析以及DMU等軟件的使用都為總布置設(shè)計(jì)提供了必要的支持。而總布置工作又是一個系統(tǒng)工程，前期需要協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和造型等相關(guān)部門的關(guān)系。如何確保在整車性能的基礎(chǔ)上，整合各個部門的建議使得方案最佳化，都是總布置工程師需要解決的問題。