汽車模型平臺的搭建和應(yīng)用

吳赫 肖佳奇 劉揚 侯春

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

汽車在總布置設(shè)計階段，需要合理地分配各零部件總成的位置，確保其相互配合、協(xié)同工作，這就要求數(shù)據(jù)設(shè)計必須合理，使汽車在各種工況下都能正常工作，保證駕駛員和乘員乘坐舒適、操作便利。現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)設(shè)計完成后，除用計算機進行虛擬仿真校核外，并沒有更直接可靠的數(shù)據(jù)校核手段，為避免人機工程布置在后期出現(xiàn)問題，利用汽車模型平臺開展人機校核具有重要意義。借鑒國內(nèi)外已有的研究成果，基于人機工程學(xué)的理論思想與方法，綜合機械結(jié)構(gòu)設(shè)計制作等方面的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計并創(chuàng)造性地搭建了汽車模型平臺[1]，汽車模型平臺上的各個模塊目前已經(jīng)被模塊化，使用時只需針對不同的車型對需要調(diào)節(jié)的參數(shù)稍加修改即可。汽車模型平臺能夠在數(shù)據(jù)設(shè)計階段給設(shè)計師帶來實車的體驗，用汽車模型平臺進行評價和校核的方法能夠直接、快速和準確地發(fā)現(xiàn)計算機模擬仿真中忽略的問題，是目前最有效的校核手段，并且搭建汽車模型平臺的框架可以重復(fù)利用、投入小、速度快、效果好。

1 汽車模型平臺簡介

汽車模型平臺是將計算機中的三維設(shè)計數(shù)據(jù)實物化后的模型，是使用實車的零部件總成嚴格按照1∶1的比例搭建而成的模型平臺。整車的白車身是用不同規(guī)格的鋁型材搭建的基礎(chǔ)框架，零部件總成是按照設(shè)計師的設(shè)計圖紙將實體總成安裝到基礎(chǔ)框架上，并用三坐標測量儀進行數(shù)據(jù)標定，確保實體模型上的零部件總成位置與數(shù)據(jù)位置誤差在2 mm以內(nèi)。汽車模型平臺主要用于人機主觀評價和零部件總成的局部模型功能驗證。圖1示出搭建完成的汽車模型平臺。

圖1 汽車模型平臺

2 汽車模型平臺的搭建

汽車模型平臺在搭建過程中，除了要用到不同規(guī)格的鋁型材、角連接器、標準件和需要標定的零部件總成，還需要用到的儀器設(shè)備有水平儀、三坐標測量儀、H點測量儀和計算機等，具體搭建過程，如圖2所示。

圖2 汽車模型平臺搭建流程

2.1 基礎(chǔ)框架搭建

汽車模型平臺基礎(chǔ)框架的主體用不同規(guī)格的鋁型材搭建，鋁型材主要有40 mm×40 mm，40 mm×80 mm和80 mm×80 mm 3種規(guī)格，在連接過程中，需要用水平儀確保底座部分的橫梁和縱梁水平，即底座搭建完成并靜置12 h后，再次用水平儀測量，通過增減墊片的方式確保底座水平，搭建立柱的過程中也要用水平儀保證立柱與底座垂直，搭建完成的基礎(chǔ)框架，如圖3所示。目前，汽車模型平臺的基礎(chǔ)框架已被模塊化，適用于各種車型的模擬。

圖3 模型平臺基礎(chǔ)框架

2.2 基準平面確定

在基礎(chǔ)框架上定義X，Y，Z平面，它們相互垂直，且分別與整車坐標系X，Y，Z平面平行[2]，其位置的選取應(yīng)盡量靠近H點位置，以方便數(shù)據(jù)采集，實際操作過程中，一般選取基礎(chǔ)框架左側(cè)A柱下段附近的平面，具體選擇情況，如圖3所示。

2.3 各零部件總成安裝

安裝零部件總成時，需要用直角連接器和標準件將總成固定在汽車模型平臺的基礎(chǔ)框架上，在安裝過程中，需要保證零部件的X，Y，Z 3個方向的位移和角度可以調(diào)節(jié)。目前，座椅、地板、踏板、轉(zhuǎn)向盤、擱腳板、換擋手柄、中央扶手、組合儀表及駐車制動手柄等零部件總成的連接方式也已實現(xiàn)模塊化，如果在搭建過程中出現(xiàn)小幅度的干涉情況，只需根據(jù)實際需求對連接結(jié)構(gòu)做小幅度修改即可。

2.4 零部件位置標定

零部件總成的位置標定需要用到三坐標測量儀，具體標定步驟如下：

1）采集平面特征，測出X，Y，Z 3個基準平面，同時測出需要標定的零部件總成的基本特征，由于座椅模塊搭建完成后，其調(diào)節(jié)十分耗時費力，因此標定工作先從座椅開始，用H點測量儀找到座椅的H點，然后用三坐標測量儀采集H點位置；

2）繼續(xù)采集其他需要標定的零部件總成的基本位置特征；

3）用計算機在CATIA軟件里讀出基準平面和座椅H點的位置；

4）在三維設(shè)計數(shù)據(jù)中找到駕駛員座椅H點，并根據(jù)步驟3）中讀出的位置關(guān)系，作出X，Y，Z 3個基準平面；

5）將三坐標測量儀采集的數(shù)據(jù)通過X，Y，Z 3個基準平面裝配到三維設(shè)計數(shù)據(jù)中，讀出實物模型中其他零部件的基本特征與三維設(shè)計數(shù)據(jù)在X，Y，Z 3個方向位移和角度的偏差；

6）根據(jù)此偏差，微調(diào)實物模型平臺上已搭建好的零部件總成位置；

7）再次測量標定，重復(fù)2）～6）步驟，直到所有零部件總成標定誤差在2 mm以內(nèi)，則標定完成。

3 汽車模型平臺的應(yīng)用

汽車模型平臺目前主要用于汽車人機主觀評價和零部件總成的局部模型功能驗證。

3.1 人機主觀評價

在整車設(shè)計階段，總布置設(shè)計師對每個零部件的位置都進行嚴格的定義，確保在后期實車試制出來后，人機不出現(xiàn)較大的問題，這就要求設(shè)計師設(shè)計的數(shù)據(jù)非常合理，但是在現(xiàn)有的條件下，實車沒出來之前，設(shè)計師只能通過計算機仿真模擬來對設(shè)計數(shù)據(jù)進行校核[3]，該方法不夠全面，不夠直觀，屬于客觀的模擬，而汽車模型平臺恰巧可以彌補這些缺點。

在進行人機主觀評價方面的工作時，想要最合理地利用汽車模型平臺，設(shè)計師就需要組織專業(yè)的人機主觀評價人員，對人機設(shè)計方案進行評價，評價人員越多越好，身高分布越廣泛越好，這樣可以得到大量的不同百分位身高的人對設(shè)計方案的主觀感受，這樣得出的評價結(jié)果具有很大的參考意義，可以幫助設(shè)計師修改設(shè)計方案。在評價過程中，要先說明評價的注意事項和評價過程，具體的評價內(nèi)容要由設(shè)計師來定，主要看設(shè)計師想驗證什么，比如頭部空間、上下車方便性、踏板的位置關(guān)系、觸摸屏位置和角度、方向盤上下前后的調(diào)節(jié)范圍、視野、操作力及舒適性等，評價者根據(jù)設(shè)計師制作的評價表，針對評價項目，逐條感受和打分，最后將評價結(jié)果匯總起來，得出結(jié)論，用來指導(dǎo)修改設(shè)計方案，然后重新評價，直到得出讓所有評價人員都滿意的設(shè)計方案為止。人機汽車模型平臺能夠最直接、快速和全面地從主觀上給出乘坐感受，能夠更加合理地指導(dǎo)設(shè)計師修改設(shè)計方案，填補了項目初期對于人機尺寸設(shè)定和人機設(shè)計方案校核的空白，對于汽車設(shè)計手段的提高具有重大意義。

3.2 零部件總成的局部模型功能驗證

一個汽車性能的好壞不僅僅只取決于所有零部件總成的用料，而各個零部件總成之間的相互配合也很重要，在實車上有很多小系統(tǒng)，要發(fā)揮好的性能就要確保每個小系統(tǒng)內(nèi)部所有零部件總成位置匹配合理，每個零部件的設(shè)計位置和角度會嚴重影響這個系統(tǒng)的功能和性能，進而影響整車性能。比如空調(diào)除霜系統(tǒng)，想要達到滿意的除霜效果必須要設(shè)計好鼓風(fēng)機的功率，空調(diào)出風(fēng)口的大小、位置和角度，還有車門玻璃和風(fēng)擋玻璃的位置角度等，單純的計算機模擬并不能完全模擬出車上復(fù)雜的實際工況，因此，需要搭建空調(diào)系統(tǒng)的局部模型平臺才能夠準確、全面、直接和快速地進行實物模擬，幫助設(shè)計師修改設(shè)計方案，圖4示出搭建的空調(diào)除霜系統(tǒng)模型平臺。不僅局限于風(fēng)道系統(tǒng)，所有需要相互配合的零部件系統(tǒng)，都可以進行模擬驗證，通過驗證不斷修改參數(shù)和位置，給汽車設(shè)計模擬校核以最大的支撐。

圖4 空調(diào)除霜系統(tǒng)模型

零部件總成的局部模型功能驗證能夠節(jié)約成本，降低研發(fā)周期，提升設(shè)計質(zhì)量，對于汽車模塊化開發(fā)和整車性能開發(fā)具有重要意義。目前，汽車模型平臺已經(jīng)應(yīng)用在了某車型上，并且取得了很好的效果。

4 汽車模型平臺的開發(fā)

目前的汽車模型平臺主要用于驗證設(shè)計師的設(shè)計方案，為了達到更好的驗證效果，就必須保證設(shè)計師提供的實體零部件和設(shè)計師設(shè)計的零部件盡可能一致，因此除了借用件以外，其余零部件如果能夠引入比較成熟的3D打印技術(shù)，那么評價人員評價的時候，就會有親身體驗實車的感覺，會使評價者給出的主觀評價結(jié)果更有說服力。

目前汽車設(shè)計參數(shù)的給出大都是通過對標市面上銷量好的汽車完成的，包括人機數(shù)據(jù)也是通過對標來確定的，都是從同級別的車型上通過對標設(shè)計出來的方案，這樣設(shè)計的數(shù)據(jù)一旦在校核過程中發(fā)現(xiàn)不了問題，會對后期的整車開發(fā)造成不可逆的影響，因此，必須要有正向的設(shè)計方法，這樣才能避免許多意想不到的問題。設(shè)計的最終目的永遠都是給顧客最舒適的駕駛感和乘坐體驗，客觀對標的數(shù)據(jù)只能作為參考，不能完全照搬，汽車模型平臺恰恰可以解決這一問題。

汽車模型平臺還有很大的創(chuàng)新和開發(fā)空間，不僅局限于驗證設(shè)計方案，其實還可以幫助設(shè)計師進行人機正向開發(fā)，由于搭建的汽車模型平臺上的零部件總成都是可以多向調(diào)節(jié)的，那么完全可以在已知的條件下設(shè)計其他未知的零部件位置和調(diào)節(jié)范圍，比如要開發(fā)一輛SUV，那么前期這輛車的定義就會給出車高、離地間隙、軸距和寬度等，這些參數(shù)都可以在汽車模型平臺中模擬出來，剩下不確定的參數(shù)，盡可能多地請人機主觀評價人員和設(shè)計師一起來參與確定，一起調(diào)節(jié)汽車模型平臺的過程就是正向設(shè)計開發(fā)的過程，當所有零部件總成的位置都調(diào)節(jié)到大家認為合理的位置時，用儀器將該模型的數(shù)據(jù)測量出來，那么就會得到合理的各個零部件總成的設(shè)計數(shù)據(jù)，后期經(jīng)過處理和驗證之后完全可以放心地使用，這種設(shè)計方式完全開辟了一種新的汽車設(shè)計方法，對于縮短研發(fā)周期有重要意義，是未來汽車設(shè)計的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

目前搭建的汽車模型平臺主要用于汽車人機主觀評價和零部件總成的局部模型功能驗證，通過設(shè)計師和專業(yè)評價人員對汽車模型平臺的評價和分析，得出結(jié)論，最后對設(shè)計方案提出修改意見，指導(dǎo)設(shè)計師如何修改設(shè)計數(shù)據(jù)。汽車模型平臺適用于所有車型和所有汽車內(nèi)部的系統(tǒng)模塊功能驗證，它能夠模擬所有計算機設(shè)計的三維數(shù)據(jù)模型，是一個通用型的平臺，它可以根據(jù)需求隨意變換，因此對搭建人員的搭建經(jīng)驗要求也較高。汽車模型平臺的創(chuàng)新應(yīng)用和開發(fā)將是今后重點發(fā)展的方向。