汽车研发:整车总布置设计方法和内容!

漫谈君 汽车大漫谈 2017-11-16


漫谈君:专注分享最燃的汽车研发技术!

汽车和人一样,由各个器官组成,眼睛、嘴、鼻子长在脸上,脚长在腿上,手指长在手上,像下面这位美女,五官协调、端正、前凸后翘,一眼就能吸引大家的眼光。汽车也是,发动机要布置在机舱里,轮子要装在底盘上,座椅布置在车舱内。如此,汽车才会性能好、颜值高、好撩妹!



说到布置

今天

漫谈君要和大家聊一聊

整车总布置设计方法和内容


汽车是由多个单元(子系统及连接零件)组成的整体,每个单元对整体的行为有影响,组成汽车的各单元对整体行为的影响不是独立的,同时汽车的行为不是组成它的任何单元所具有的,因此汽车具备系统的属性,对环境表现出整体性。



这样,汽车性能的好坏不仅取决于各部件性能如何,而且在很大程度上取决于各部件的协调和配合,取决于总体布置。总体设计水平的高下对汽车的设计质量、使用性能和产品的生命力起决定性的作用。

正如有些美女的五官分开来看倒是不错,组合在一起就不一定了,而有些美女的五官不一定都特别精致,可是整体却让人惊艳!



一、什么是总布置设计

汽车总布置是指在汽车的总体方案确定后,要对总成和部件进行空间布置,并校核初步选定的各个部件的结构尺寸与安装位置能否满足整车空间尺寸的要求,使其在安全性、拆装便利性以及与人体的关系合理性等多个方面协调可靠,达到最优结果。


 


二、总布置设计的作用

1.    整车零部件、系统装配的继承,确保其装配性、空间间隙和功能安全;

2.    实现功能参数的最佳空间利用(法律法规、碰撞、人机界面、功能、制造性、装配、售后和回收)并考虑消费者的利益;

3.    整车运动学设计(重心位置、质量和运动);

4.    采用标准化的人体模板来布置内部适应性及进出性、视野以及舒适性分析;

5.    确保技术(制造)和造型的可实行;

6.    生成汽车布置结果,为产品性能开发和制造提供基础。



三、总布置设计的任务

1. 从技术先进性、生产合理性和使用要求出发,正确选择性能指标、质量和主要尺寸参数,提出总体设计方案,为各部件设计提供整车参数和设计要求;

2. 对各部件进行合理布置和运动校核;

3. 对整车性能进行计算和控制,保证汽车主要性能指标实现;

4. 协调好整车与总成之间的匹配关系,配合总成完成布置设计,使整车的性能、可靠性达到设计要求。


 

四、总布置设计的原则及目标

1. 汽车的选型应根据汽车型谱、市场需求、产品的技术发展趋势和企业的产品发展规划进行;

2. 选型应在对同类型产品进行深入的市场调查、使用调查、生产工艺调查、养车结构分析与性能分析及全面的技术分析的基础之上进行;

3. 应从已有的基础出发,对原有车型和引进的样车进行分析比较,继承优点,消除缺陷,采用已有且成熟可靠的先进技术与结构,开发新车型;

4. 应遵守有关标准、规范、法规和法律,不得侵犯他人专利;

5. 力求零件标准化、部件通用化、产品系列化。


 

五、总布置设计的几个阶段 

从产品规划、概念设计开发到批量投产,一款全新车型的开发周期长远且投资巨大。研发设计所需费用和所占时间约为整个车型项目开发费用和总时间的70%。整个产品开发周期,包括前期产品规划阶段在内,大约需要35 个月。(《全球整车开发流程(GVDP)详细解读》(点击阅读))

汽车总布置设计是汽车产品设计中很重要的环节,贯穿从产品策划直到汽车最终投入批量生产的整个设计过程,是一项反复校核、检查、更新和调整的过程。



1. 项目企划阶段

充分对标,了解现有市场竞争对手的相关总布置尺寸和参数,帮助项目制定合理且富有竞争力的整车设计目标。如整车的长、宽、高、内部空间尺寸、通过性、视野要求和舒适性要求等。需要用到的是整车数据库采集、归纳、分析和处理等设计方法,明确定义整车技术指标。


2. 产品概念设计阶段

绘制整车总布置图,定义重要设计主断面,其中包含主要整车尺寸设计目标、整车法规设计要求、人机工程设计边界条件等主要技术方案和要求。具体工作是完成内外饰整车造型伴随和可行性分析工作,检查内外饰造型概念草图、效果图、油泥模型和造型CAS 面A 面的工程可行性,是否满足整车总布置设计要求。


3. 产品详细设计及样车试制阶段

搭建所有车型的整车数据结构,围绕整车总布置设计目标,使用CATIA 模块虚拟校核所有零部件系统的三维数据的DMU 干涉情况和装配可行性分析。根据整车总布置法规要求,使用CATIA CAVA 插件虚拟检查相关零部件系统的三维数据在整车范围内的法规符合性。基于整车人机工程要求,使用RAMSSIS 虚拟分析所有零部件系统的三维数据的整车人机工程要求的完成情况,确保整车总布置技术目标完成。针对各开发阶段的试制样车进行管路评审和人机工程主观评估,确认各系统之间总布置动态安全间隙,确认整车人机工程要求的客户主观感受情况。


4. 产品试验验证阶段

密切关注各系统零部件的DV、PV 试验以及整车可靠性试验所产生的零部件设计变更所造成的对于整车总布置设计目标,法规要求和人机工程要求的影响。通过设计变更零部件的虚拟校核和分析,确保整车最终设计状态满足总布置设计目标。


5. 产品试生产和批产前准备阶段

密切关注各系统零部件由于工艺路线、制造设备及生产节拍调整所产生的零部件设计变更所造成的对于整车总布置设计目标,法规要求和人机工程要求的影响。通过设计变更零部件的虚拟校核和分析,确保整车最终设计状态满足总布置设计目标。


6. 产品批量化生产之后

持续跟踪产品的降本、升级、换代、改型所引起的设计变更,确保持续满足整车产品的设计目标。

各阶段的细分内容如下图所示:



六、总布置设计的主要内容

绘制总布置图是汽车总布置设计的主要工作,其目的是在图纸上实现总体方案,校核各部件尺寸是否满足设计要求。整车总布置图包括侧视图、俯视图、前视图和必要的断面布置图、局部布置图。在绘制的过程中,要随时配合、调整和确认其各总成的外廓尺寸、结构、布置形式、连接方式、各总成之间的相互关系、操纵机构的布置要求,悬置的结构和布置要求、管线路的布置与固定、装调的方便性等。

1. 总布置基准线——坐标系

基准线的选取:

A、 货车、客车——车架上平面(车架纵梁上翼面较长的一段);

B、 客车(承载式车身)——车身中部地板或边梁上翼面;

C、 轿车——车身地板平面或通过前轮中心的水平线 


 

2. 汽车前舱总布置

1、动力总成布置

动力总成的布置,要体现几个关键的尺寸:

A、动力总成空间间隙(上部与机舱盖的间隙,前部与冷却系统的间隙,后部与DASH的间隙,下部离地间隙)

B、差速器中心与轮心的相对位置关系

C、冷却系统与前保最前点的间隙


布置要满足间隙要求,如下图所示:


2、发动机附件的布置


3、管路及线束的布置


4、传动轴运动校核


3. 汽车底盘总布置

1、几个定义

一般来说,现开发的车型都是涉及平台沿用,所以在现有平台上开发新车型比较普遍,简单点说平台沿用,基本上就确定了整个悬架系统的结构形式,硬点相对位置关系沿用,剩下的任务比较多的应该是悬架行程的调整,悬架弹簧刚度的调整、减震器的调整、或者是橡胶衬套以及缓冲块刚度曲线的调整。

1)悬架上下行程的定义

A、考虑整车整备质量以及整车装载质量与原有平台车型的差异,如果差异不大,则可以考虑现有车型前后悬架轮边行程与原有车型行程定义一致。

B、考虑整车各个状态相对于整备状态前后轴荷的变化与原有车型是否差异较大。

C、计算整车各个状态前后轴的偏频(前后悬架固有频率),一般控制在1.0-1.3HZ之间。

2)整车姿态角的初步定义

一般情况,设计状态:0.1-0.2deg, 整备状态:0.4-0.6 deg , 满载:-0.05-0.05 deg。

3)各个状态轮心位置的定义

考虑整车设计状态时离地间隙以及设计状态时整车姿态角的定义,设计状态轮心的位置也就确定了,然后根据不同载荷状态轴荷的增加可以初步定义各个状态下前后轮心的位置。

4)地面线的绘制

在轮胎的型号选定以后,轮胎的基本尺寸和型号就已经确定,只要知道各个状态下轮胎静负荷半径,就可以确定地面线了。

2 、前悬架的布置

前悬架钢板弹簧布置在纵梁下方,且成前高后低状。满足转向轮偏转所需要的空间和主销后倾角的要求。并保证悬架满载弧高fa。 减振器应尽可能布置成直立状,以充分利用其有效行程,有利于缓和来自路面的冲击。空间不允许时才布置成斜置状。



3 、后悬架的布置

后悬架钢板弹簧-布置在车架纵梁外侧与车轮之间,且成前低后高状。并保证悬架满载弧高f0。板簧前端通过弹簧销和支架与车架连接,而后端用吊耳和支架与车架相连。有利于缓和来自路面的冲击。另应注意板簧上的U形螺栓和固定弹簧的螺栓与车架之间应当有足够的间隙。减振器-应尽可能布置成直立状,以充分利用其有效行程。空间不允许时才布置成斜置状。



4 、备胎的布置

应保证备胎拆装方便,并有利于汽车质心位置的降低。轿车备胎常布置在行李箱内(平置或立置于行李箱侧壁或后壁);货车备胎一般布置在车架尾部或车架中部货箱底板的下部。



5 、油箱的布置

 A、应远离消声器和排气管(轿车要求油箱距排气管的距离大于300mm,否则应加装有效的隔热装置;油箱距踝露的电器接头及开关的距离不得小于200mm);

B、 不应当布置在发动机舱内;

C、 轿车油箱常布置在行李箱内;

D、 货车油箱布置在纵梁上。



7 、排气管路的布置

排气管道的布置与油箱的距离应大于300mm,若布置不开时,中间可加隔热板。排气管道的任何部位(除排气尾管的排气口外)都不允许发生漏气现象,以防止产生振动的噪音。



4. 车身总布置

车身总布置应满足操纵方便性、乘坐舒适性和法规要求。其主要内容包括:确定车身内外尺寸、确定乘坐与操纵空间以及校核各项性能及法规要求的尺寸数据。

1、 几个相关概念

1)尺寸代码

具体含义请参见SAEJ1100V004,GB/T 19234-2003。


2)人体尺寸

用5%、50%、95%三种百分位的人体尺寸分别代表矮小身材、中等身材和高大身材的人体尺寸。


3)人体模型

二维人体模型样板由人体的躯干、靠背角基准杆、大腿、小腿和脚(带鞋)等几部分组成。


一般在1:1的车身内部模型或实车座椅上采用三维H点人体模型确定车身室内的H点位置和头部空间尺寸,它代表某一百分位的标准人体的立体模型。



4)人体操纵范围

人体的操纵范围是指人体在正常的驾驶姿势下,四肢所能控制(伸及)的区域,以及四肢动作时所能产生的作用力大小。




5)眼椭圆

眼椭圆是指驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅中时其眼睛位置在车身中的统计分布图形。由于这种图形呈椭圆状,故称为眼椭圆。眼椭圆样板的尺寸与人体百分位及座椅水平调节行程有关。



6)头廓包络线

头廓包络线是指在乘坐状态下不同百分位的驾驶员和乘员的头廓线的包络线。将头廓线样板上的眼点沿着眼椭圆样板上的上半部眼椭圆运动,并保持两样板上的自身坐标系平行,描绘出头廓线运动时的包络线便是头廓包络线。

头廓包络线分为两种形式:一种为座椅可调节式的头廓包络线,另一种为座椅不可调节式的头廓包络线。前者适合驾驶员的头部位置和头顶空间的设计,后者适合于后排乘员的头部位置和头顶空间的设计。



7)车身断面

典型断面主要是规定车身主要部位的结构形式、搭接关系、间隙设定、主要控制尺寸及公差、装配、人机工程、法规等各方面的信息,通过典型断面的分析,可以确定车身的主体结构,同时典型断面也是后期工程分析的重要基础。



2、 人机工程分析

在汽车车身设计中应用人体工程学,就是以人(驾驶员、乘客)为中心,研究车身设计如何适应人的需要,创造一个舒适的、操纵轻便的、可靠的驾驶环境和乘坐环境,即设计一个最佳的人-车-环境系统。


1) 座椅的布置

A、H点确定

设计H点是指将二维人体模型放置在指定座椅位置上,在图面确定的与人体模型上H点相应的那一点。 R点是制造商的设计参考点,是唯一的设计H点。它是考虑了各种调整(水平,垂直,倾斜)之后的最后正常驾驶或乘坐位置上的H点;用于定位95%分位人腿尺寸的二维人体作图模板的参考点。

车身室内的人体布置就是二维人体模型样板在车身布置图上的安放,从而确定出设计的H点位置,并以此H点代表人体布置与乘坐的位置。在设计初期进行总布置时,以R点作为设计参考开始设计,R点是考虑第95百分位男人的乘坐位置。人体各部分夹角最佳范围如下。




B、踵点确定

根据前地板基准面的位置并参考同类车型,确定加速踏板中心点的位置,加入95%百分位的人体模板。将脚跟放在压缩地垫表面上,地垫压缩量由制造商确定,压缩后的地垫厚度一般为18~20mm。将脚的球形点(BOF)与油门踏板中心点重合。球形点到脚跟点的距离可在175~203mm范围内选择。



2) 转向盘的布置

坐姿下驾驶员双手对转向盘的手操纵力与转向盘有密切关系。转向盘布置的过程中,还要考虑人体通过性。由经验值可知,转向盘离人体躯干中心的距离一般在300mm~400mm,转向盘离人体大腿中心线的距离为50mm~100mm。




3)  变速杆和手制动杆的布置

A、变速杆的布置

要求变速杆的布置以人体H点为中心。根据SAE要求,为满足人机要求,操纵球头到仪表板的距离需>50mm,且变速杆的行程范围要在给定范围内。



B、驻车制动的布置

考虑操纵舒适性,驻车制动点必须在H点前方,并且驻车制动点运动的边界线与变速操纵最大形成的最近距离需>40mm。



4) 踏板的布置

离合器踏板、制动踏板和油门踏板,布置在地凸包与车身内侧壁之间。在离合器踏板左侧,应当留出在离合器不工作时可以放下的左脚的空间,因此轮罩最好不要凸出到车箱内。油门踏板一般比制动踏板稍低,要求油门踏板与制动踏板之间留有大于一只完整鞋底宽度(60mm)的距离。离合和制动踏板中心点应均布分布于H点两侧的最佳施力位置,位于H点两侧15mm~85mm的范围内。油门踏板中心点布置在H点右侧145mm~190mm的范围内(操纵舒适性)。




5) 两盖的开启



6) 进出方便性

乘员进出方便性是考察一款车的安全性及舒适性的一个重要的因素。影响上下车方便性的结构主要是车门、座椅及车门槛。


  

5. 法规校核分析



1 、前视野校核

满足法规: SAEJ1050V002, GB11562-1994

在汽车视野设计中,眼椭圆是一种比较理想的设计工具,但是在前方透明区及不可布置区域视野要求情况下,用GB11562-1994中的视原点V点来代替眼椭圆,可使设计过程大为简化。V点是表征驾驶员眼睛位置的带你,它与通过驾驶员乘坐位置中心线的纵向铅锤平面、SgRP点及设计座椅靠背角有关,通常用V1、V2两点表示V点的不同位置。



2 、后视野校核

满足法规: 71/127 EEC,SAEJ941V002,GB 15084 – 2006。



3、 A柱盲区校核

满足法规: 71/127 EEC,GB11562-1994。



4、 仪表板视野校核

满足法规: SAEJ1050V002。



5、 仪雨刮刮扫区域校核

满足法规:SAE J903 ,GB 11556-94。



6 、内部凸出物校核

满足法规:74/60EEC ,GB11552-1999 。




6. 运动校核




七、结语

汽车总布置对于汽车新产品设计开发来说至关重要。其最终目的就是在极富创意却又空间有限的汽车产品造型尺寸内,总体协调布置所有的系统总成和零部件,以使其达到最佳的汽车产品性能(动力经济性,安全性,操控性等),并获得最大的客户满意度(便捷感,舒适感,豪华感等),提升汽车新产品的市场竞争力。关于汽车总布置设计中重要内容的详细描述,漫谈君会在后期为大家一一奉上,敬请期待!


说明:文中部分图片、信息来源于网络,

由漫谈君根据经验整理,仅供学习、交流!

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