基于第一性原理的新能源汽車車身設(shè)計(jì)研究

肖濤

（美智光電科技股份有限公司，佛山 528000）

第一性原理是指基于基本原則的邏輯推理和分析思維模式，從基本原理出發(fā)，通過(guò)邏輯推理和分析得出結(jié)論。第一性原理是普遍的、客觀的，是人類認(rèn)知和思維的基礎(chǔ)。在工程中，第一性原理通常用于構(gòu)建理論模型和計(jì)算模擬，可以幫助工程師了解物理現(xiàn)象的本質(zhì)，研發(fā)設(shè)計(jì)新的材料、技術(shù)與系統(tǒng)[1]。在新能源汽車領(lǐng)域，新能源汽車在市場(chǎng)上的成功離不開(kāi)其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。例如，全封閉的前臉和低風(fēng)阻車身設(shè)計(jì)，具有科技感的極簡(jiǎn)內(nèi)飾設(shè)計(jì)，安全高效的一體化壓鑄的車身等，這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)得益于的第一性原理的思維方式[2]。這種思維方式突破了傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)思維的邊界，實(shí)現(xiàn)了顛覆式的創(chuàng)新，為新能源汽車與產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的思路和方向。

1 第一性原理概述

第一性原理是古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出的一個(gè)哲學(xué)術(shù)語(yǔ)。在每一系統(tǒng)的探索中，存在第一原理，它是一個(gè)最基本的命題或假設(shè)，不能被省略或刪除，也不能被違反。第一性原理是事物的“元點(diǎn)”或者稱之為事物的本質(zhì)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是把一個(gè)復(fù)雜的事物不斷簡(jiǎn)化，去找到這些復(fù)雜事物背后的根。人們?cè)谏钪谐Ｓ玫慕鉀Q問(wèn)題的基本邏輯思維方式有兩種：一種是歸納法；另一種是演繹法[2]。歸納法是指通過(guò)歸納、參照以往的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律得出結(jié)果，歸納法受到固有思維的束縛，只能得到較小進(jìn)步的結(jié)果，甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。演繹法是指在解決問(wèn)題之前先設(shè)立一個(gè)“假設(shè)”，然后將這個(gè)“假設(shè)”用邏輯推演出來(lái)得到結(jié)果。符合第一性原理的演繹法思維就是第一性原理思維，指的是從事物的“元點(diǎn)”或者事物的本質(zhì)出發(fā)設(shè)立正確的“假設(shè)”，再用演繹法對(duì)這個(gè)“假設(shè)”進(jìn)行理性的邏輯推演，得到最終的結(jié)果，目的是解決事物最本源的問(wèn)題。第一性原理是基本的命題或假設(shè)，不受固有思維的和認(rèn)知的束縛，通過(guò)第一性原理思維去解決問(wèn)題可以得到創(chuàng)新的結(jié)果或方案。

2 新能源汽車的車身設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 車身外觀設(shè)計(jì)

在新能源汽車造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，汽車的作用和目的是高效、快速且安全的將人或者物從A 點(diǎn)送到B 點(diǎn)，續(xù)航能力首當(dāng)其沖。有關(guān)測(cè)試得出當(dāng)車輛速度達(dá)到 100 km/h 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的80%將被用來(lái)克服空氣阻力。因此低風(fēng)阻車體是新能源汽車造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)推敲每一個(gè)造型細(xì)節(jié)，挖掘改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)的潛能[3-4]。在前臉設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)燃油汽車因發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求，不同品牌將進(jìn)氣格柵設(shè)計(jì)為車輛較直觀的辨識(shí)部位，這一設(shè)計(jì)幾乎貫穿了整個(gè)汽車的設(shè)計(jì)歷史，例如寶馬的“雙腎”格柵，奔馳的鍍鉻格柵等[5]。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)不需要散熱，新能源汽車造型可摒棄進(jìn)氣格柵的設(shè)計(jì)，將前臉設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)潔的、具有極小風(fēng)阻系數(shù)的封閉式前臉，是非常大膽的創(chuàng)新。如圖1 所示的新能源汽車的車身外觀進(jìn)行了一系列低風(fēng)阻的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖1 特斯拉Model 3 低風(fēng)阻外觀設(shè)計(jì)

2.2 汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)

汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)指的是車輛內(nèi)部空間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包含方向盤、中控臺(tái)、空氣系統(tǒng)、頂棚設(shè)計(jì)、軟裝內(nèi)飾等，在汽車內(nèi)飾研發(fā)時(shí)，應(yīng)保證其先進(jìn)性和實(shí)效性[6-7]。眾所周知，新能源汽車的內(nèi)飾設(shè)計(jì)應(yīng)是極簡(jiǎn)的，其根本原因是擁有與傳統(tǒng)燃油車截然不同的設(shè)計(jì)理念。傳統(tǒng)燃油車內(nèi)飾設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)奢華感，用昂貴的材質(zhì)和工藝堆疊一些炫酷的按鍵和功能，做的是加法；而新能源強(qiáng)調(diào)內(nèi)飾以駕駛員為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，聚焦用戶的本質(zhì)需求以及核心的功能，做的是減法，追求極簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)、更加科技智能的系統(tǒng)，以及寬敞的空間，如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)燃油車（圖左）與新能源車（圖右）的內(nèi)飾對(duì)比

2.3 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全和高效是新能源汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，安全是新能源汽車研發(fā)的首要目標(biāo)[8]。傳統(tǒng)汽車制造包括沖壓、焊接、涂裝、總裝等四個(gè)主要工序，其中沖壓和焊接是將鋁板沖壓成零部件，再將多個(gè)零部件焊接成一個(gè)大型部件，多達(dá)幾千個(gè)焊點(diǎn)，工藝復(fù)雜且?guī)?lái)了不安全性。新能源汽車可聚焦安全和高效設(shè)定一個(gè)隱含性假設(shè)：直接制作一體化大型部件，利用巨大的重型壓鑄機(jī)將這個(gè)大型部件一次性壓鑄出來(lái)，這種制造工藝被稱為一體化壓鑄。以特斯拉汽車的車身為例，如圖3 中標(biāo)注的是前車身部件和后車身底板部件，早期的Model 3 是由171 個(gè)金屬件焊接在一起，而Model Y 采用一體化壓鑄工藝后只需要2 個(gè)壓鑄件，并且減少了1 600 個(gè)焊點(diǎn)。在新能源汽車使用一體化壓鑄技術(shù)，可為汽車的制造帶來(lái)重大的革新[9]。

圖3 新能源汽車的沖壓焊接部件（圖左）與一體化壓鑄部件（圖右）

3 基于第一性原理的新能源汽車設(shè)計(jì)原則

3.1 低風(fēng)阻的車身形態(tài)第一性設(shè)計(jì)原則

低風(fēng)阻的車身形態(tài)是新能源汽車造型設(shè)計(jì)的重要原則。流暢的車身線條和平滑的曲面，從車身側(cè)面看去，車身輪廓呈流線型，簡(jiǎn)潔順暢的線條從低平的車頭開(kāi)始一直延伸到車尾部，可以展現(xiàn)出連貫一體化設(shè)計(jì)的視覺(jué)感受。不僅要對(duì)車頭降低風(fēng)阻系數(shù)，還要考慮車尾外觀對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響[10-12]。從車頂后沿的切線開(kāi)始為傾斜角較大的溜背造型，可以有效減少尾部渦流的產(chǎn)生，尾部為微微上翹的“鴨尾”設(shè)計(jì)，能產(chǎn)生向下的壓力，平整的底盤使氣流快速通過(guò)，這些設(shè)計(jì)保證了車輛在高速行駛時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)與穩(wěn)定性。

此外，局部細(xì)節(jié)也應(yīng)進(jìn)行低風(fēng)阻的設(shè)計(jì)，車門把手的本質(zhì)是開(kāi)門的機(jī)關(guān)，在行駛當(dāng)中是不需要存在的，新能源汽車造型可打破傳統(tǒng)，設(shè)計(jì)無(wú)風(fēng)阻的隱藏式把手。傳統(tǒng)汽車會(huì)特別注重輪轂設(shè)計(jì)，但新能源汽車在輪轂上加裝了一塊渦輪形塑料罩，這不是為了裝飾，其目的是在行駛中減少氣流在輪轂附近的集結(jié)。隱藏式門把手和低風(fēng)阻輪轂罩可以減少車輛5%的風(fēng)阻?；诘惋L(fēng)阻的第一性原理設(shè)計(jì)的封閉式前臉、流線型車身、隱藏式門把手、輪轂罩等創(chuàng)新為產(chǎn)品的卓越性能提供了必要條件，是功能與形式的完美融合。

3.2 極簡(jiǎn)風(fēng)格的內(nèi)飾第一性設(shè)計(jì)原則

極簡(jiǎn)風(fēng)格的內(nèi)飾是新能源汽車造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原則。極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)并不是單純的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化[13]，以方向盤和中控臺(tái)為例，傳統(tǒng)德系豪車的設(shè)計(jì)思維是在上面堆砌十幾個(gè)鍍鉻按鍵和旋鈕，認(rèn)為按鍵越多就代表越豪華。在新能源車智能化快速發(fā)展的今天，這種設(shè)計(jì)如同老舊的諾基亞。根據(jù)第一性原理，用戶的本質(zhì)需求其實(shí)是通過(guò)按鍵控制更多的功能，而不是控制更多的按鍵。將減法做到極致，方向盤上僅保留球形滾輪，通過(guò)滾動(dòng)或者按壓就可以10 余種功能控制；中控臺(tái)上沒(méi)有保留任何物理按鍵和旋鈕，顯得十分理性和簡(jiǎn)約[14]，高度集成的15 寸中控大屏，可以實(shí)現(xiàn)車輛的全部功能控制，并可以不斷升級(jí)獲得新功能。

中控臺(tái)核心目的是讓駕駛員更關(guān)注駕駛本身，同時(shí)擁有更好的視野，這就需要中控臺(tái)設(shè)計(jì)是極簡(jiǎn)的，高度是低平的。通過(guò)取消組合儀表盤，使駕駛員的視線專注于前方路況，而不是在儀表盤和前方路況來(lái)回切換。傳統(tǒng)的柵格空調(diào)出風(fēng)口和內(nèi)部風(fēng)道占用空間會(huì)提高中控臺(tái)的高度，新能源車將出風(fēng)口設(shè)計(jì)為橫向貫通中控臺(tái)的隱藏式出風(fēng)口，寬闊的二維平面氣流可以快速改善車內(nèi)的氣候環(huán)境。去掉儀表盤和柵格出風(fēng)口之后，使整個(gè)中控臺(tái)連貫整潔，這在傳統(tǒng)車企看來(lái)是無(wú)法想象的，由此可見(jiàn)，第一性原理思維是直觸本質(zhì)需求。

3.3 安全高效的結(jié)構(gòu)第一性設(shè)計(jì)原則

安全高效的結(jié)構(gòu)是新能源汽車造型設(shè)計(jì)的基本原則。基于第一性原理思維設(shè)計(jì)的一體化壓鑄車身帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是多方面的，首先是為用戶帶來(lái)高度的安全性，一體化壓鑄結(jié)合鋼鋁混合材質(zhì)的車身結(jié)構(gòu)擁有很高的強(qiáng)度和剛度，在翻滾測(cè)試中，在配置全景玻璃車頂?shù)那闆r下，仍成功抵御了四倍于其自身質(zhì)量的重壓，大約相當(dāng)于兩只成年非洲象的重量。其次是降本增效，傳統(tǒng)焊裝車間要配200-300 名工人，而一體式壓鑄車間只需要20-30 名工人，通過(guò)規(guī)模化生產(chǎn)對(duì)核心部件的成本進(jìn)行了有效的控制。更重要的是一體式壓鑄車身減輕了車身20%的重量，將續(xù)航里程提升了10%，性能得到重大提升。

安全高效的結(jié)構(gòu)能夠極大提升新能源汽車的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮為駕駛員提供寬敞物理空間和視覺(jué)空間。新能源車可從實(shí)用性出發(fā)，采用懷擋設(shè)計(jì)，將中央扶手區(qū)設(shè)計(jì)成為大容量?jī)?chǔ)物格和兩個(gè)無(wú)線充電區(qū)，同時(shí)避免雜亂的充電線束。結(jié)合極簡(jiǎn)的中控臺(tái)和超薄一體化座椅為駕駛員提供了更多活動(dòng)空間；車頂設(shè)計(jì)為全景玻璃，整塊玻璃從前艙蓋一直延伸至車頂后方，天空和星辰一覽無(wú)余，特殊處理的玻璃可以阻隔99%紫外線，相對(duì)于復(fù)合材料的車頂，全景玻璃也實(shí)際拓展了頭部空間。

4 基于第一性原理的新能源汽車設(shè)計(jì)思路

4.1 從“元點(diǎn)”出發(fā)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)

新能源汽車的外觀、內(nèi)飾、車身結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)工藝沒(méi)有參照傳統(tǒng)車企的設(shè)計(jì)思維定式，而是從交通工具的空氣動(dòng)力學(xué)、駕駛體驗(yàn)、安全和高效等基本的原理出發(fā)去思考設(shè)計(jì)的可能性和創(chuàng)新方案。創(chuàng)新的基礎(chǔ)就是要打破慣性思維的束縛與局限[15]，設(shè)計(jì)師通過(guò)歸納、參照以往的設(shè)計(jì)案例或者其它企業(yè)正在做的產(chǎn)品進(jìn)行借鑒設(shè)計(jì)，得到的設(shè)計(jì)結(jié)果只具有較小的迭代創(chuàng)新，另外所參照的案例或競(jìng)品具有時(shí)間和空間的局限性，并不具備連續(xù)的正確性。第一性原理強(qiáng)調(diào)獨(dú)立思考和質(zhì)疑，從“元點(diǎn)”出發(fā)設(shè)立正確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)理性的邏輯推導(dǎo)和驗(yàn)證，最終將這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)呈現(xiàn)出來(lái)。第一性原理沒(méi)有在事物問(wèn)題的系統(tǒng)之內(nèi)，而是在問(wèn)題系統(tǒng)之外，并且是事物客觀的基本原理，所以基于第一性原理所設(shè)立的設(shè)計(jì)目標(biāo)不受以往經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知的束縛，更容易打破固有設(shè)計(jì)思維的邊界進(jìn)行顛覆式創(chuàng)新。

根據(jù)第一性原理，電動(dòng)皮卡車的“元點(diǎn)”或本質(zhì)屬性包括堅(jiān)固耐用、適應(yīng)各種惡略的環(huán)境、長(zhǎng)距續(xù)航能力、更大的裝載空間等。設(shè)計(jì)師從這些本質(zhì)的問(wèn)題出發(fā)，用全新的方式打造了一款令人印象深刻的電動(dòng)皮卡車，如圖4 所示。Cybertruck 電動(dòng)皮卡車中與其他新能源車型的設(shè)計(jì)語(yǔ)言迥然不同，極具未來(lái)感的三角造型令人驚嘆。沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)風(fēng)格來(lái)限定車輛的外觀設(shè)計(jì)，在展開(kāi)皮卡車的設(shè)計(jì)之前，行業(yè)內(nèi)已有眾多明星車型，如福特猛禽、道奇RAM、通用GMC 等全球著名的皮卡車，這些皮卡的外觀設(shè)計(jì)風(fēng)格造型威猛，線條渾厚而粗獷，如果采用歸納法很難與經(jīng)過(guò)幾十年迭代的成熟專業(yè)的皮卡車相競(jìng)爭(zhēng)。因此，應(yīng)打破固有的造型設(shè)計(jì)思維，造型的第一要素不是美學(xué)因素，而是遵循高效率、能解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)。正如包豪斯之父瓦爾特·格羅皮烏斯所說(shuō)：“一輛車美的標(biāo)準(zhǔn)并不取決于它的裝飾配件，而是取決于整個(gè)有機(jī)組織的和諧，取決于它的功能邏輯性”[16]。

圖4 Cybertruck 皮卡車的設(shè)計(jì)語(yǔ)言

4.2 聚焦解決表象之下的本質(zhì)問(wèn)題

第一性原理思維強(qiáng)調(diào)從事物的“元點(diǎn)”或事物的本質(zhì)出發(fā)，目的是解決表象之下的本質(zhì)問(wèn)題和需求。特斯拉外觀的每一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)都是聚焦低風(fēng)阻這一本質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行突破創(chuàng)新；內(nèi)飾設(shè)計(jì)聚焦駕駛員的本質(zhì)需求，摒棄不必要的元素，呈現(xiàn)出極簡(jiǎn)科技內(nèi)飾，為駕駛本身創(chuàng)造價(jià)值；車身結(jié)構(gòu)聚焦安全的本質(zhì)需求，帶來(lái)的是安全和高效的一體化壓鑄車身；皮卡車的本質(zhì)要求是堅(jiān)固耐用，冷軋不銹鋼的材質(zhì)應(yīng)用帶來(lái)了極具差異化的外觀和性能創(chuàng)新。聚焦本質(zhì)問(wèn)題和需求，帶來(lái)的不僅是顛覆性創(chuàng)新，也帶了高品質(zhì)的產(chǎn)品，并重新定義了設(shè)計(jì)美學(xué)。

傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)思維定式是車身外觀要豪華大氣，內(nèi)飾設(shè)計(jì)需要奢華炫酷，這也是目前新能源汽車常見(jiàn)的設(shè)計(jì)表達(dá)方式，這種設(shè)計(jì)思維著重于表象，并不能為駕駛本身創(chuàng)造價(jià)值，會(huì)使成本顯著增加并且造成設(shè)計(jì)資源的浪費(fèi)，應(yīng)轉(zhuǎn)變思維聚焦本質(zhì)問(wèn)題和用戶的本質(zhì)需求進(jìn)行創(chuàng)新。Cybertruck 電動(dòng)皮卡車的堅(jiān)固耐用是客戶需求的本質(zhì)，它革新性的采用了冷軋不銹鋼的材質(zhì)，擁有卓越的強(qiáng)度和耐用性，并且可有效保護(hù)駕乘者安全。恰恰是因?yàn)槭褂昧死滠埐讳P鋼材質(zhì)，不容易制造復(fù)雜的曲面，所以皮卡車的外觀由平面和幾何三角造型組成，融入了機(jī)甲元素，造型渾然一體，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的未來(lái)科技感。

4.3 注重產(chǎn)品的核心技術(shù)與性能

汽車基本的屬性是載人載物的交通工具，應(yīng)遵循第一性原理，在汽車設(shè)計(jì)中注重核心技術(shù)和性能，內(nèi)飾設(shè)計(jì)注重的是智能科技和簡(jiǎn)潔的操作體驗(yàn)，車身制造研究的是核心的一體化壓鑄工藝，皮卡車的重點(diǎn)突破的是堅(jiān)固的車身材料。目前，國(guó)內(nèi)的造車新勢(shì)力更注重外觀設(shè)計(jì)和軟實(shí)力的表現(xiàn)，快速迭代車型以迎合市場(chǎng)需求，這樣的設(shè)計(jì)需要龐大的設(shè)計(jì)研發(fā)投入，消耗大量的資源。隨著新能源汽車對(duì)核心技術(shù)與性能的突破，使得生產(chǎn)效率大幅提高，產(chǎn)品成本持續(xù)不斷的降低，形成了強(qiáng)大的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，給國(guó)內(nèi)車企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

在商品經(jīng)濟(jì)時(shí)代，產(chǎn)品設(shè)計(jì)重要的是對(duì)核心技術(shù)和性能的突破創(chuàng)新，應(yīng)該摒棄過(guò)度的表象設(shè)計(jì)，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)回歸核心。因此，新能源汽車造型設(shè)計(jì)應(yīng)注重產(chǎn)品的核心技術(shù)與性能。如圖5 所示，三角造型符合空氣動(dòng)力學(xué)，風(fēng)阻系數(shù)僅為0.30Cd，風(fēng)阻測(cè)試中可以看到空氣動(dòng)力極大優(yōu)于其它品牌的皮卡車，結(jié)合出色的電機(jī)性能使其零百加速時(shí)間只需2.9 秒，續(xù)航里程高達(dá)800 公里。堅(jiān)固的冷軋不銹鋼材質(zhì)和實(shí)用的三角造型，既打破了傳統(tǒng)皮卡車設(shè)計(jì)思維與形象，也提高了皮卡車的核心性能，這都是從第一性原理思維出發(fā)進(jìn)行的創(chuàng)新。

圖5 Cybertruck 皮卡車風(fēng)阻分析與對(duì)比（作者：航空工程師Justin Martin）

5 結(jié)語(yǔ)

第一性原理思維是從事物本質(zhì)或問(wèn)題的本源出發(fā)去思考設(shè)計(jì)的可能性和創(chuàng)新方案，強(qiáng)調(diào)打破固有的設(shè)計(jì)思維，對(duì)產(chǎn)品的本質(zhì)問(wèn)題和核心功能進(jìn)行破界創(chuàng)新，是一種高效率、可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維。第一性原理在新能源汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)思維的束縛，能夠洞察用戶更深度的需求和產(chǎn)品本質(zhì)，從而打造出具有差異化和獨(dú)特創(chuàng)新性的產(chǎn)品，鑄就產(chǎn)品在市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力。