郭一鳴，汪建安

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程系，湖北 十堰442002；2.奇瑞汽車(chē)股份有限公司，安徽 蕪湖241009）

目前各汽車(chē)生產(chǎn)廠商不斷受到國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的激烈挑戰(zhàn)，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)的需求也更加成熟，市場(chǎng)準(zhǔn)入和法規(guī)要求也更加嚴(yán)格，在此前提下各汽車(chē)廠家只有不斷推出新車(chē)才有可能迅速占據(jù)市場(chǎng)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，從而獲得成功。由于汽車(chē)新產(chǎn)品的研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)、生產(chǎn)準(zhǔn)備等過(guò)程的費(fèi)用不斷提高，技術(shù)日趨精密和復(fù)雜，因此，無(wú)論是進(jìn)行產(chǎn)品的正向開(kāi)發(fā)還是逆向開(kāi)發(fā)，參考樣車(chē)對(duì)標(biāo)分析（benchmarking）都顯得非常的重要。Benchmarking對(duì)競(jìng)爭(zhēng)車(chē)輛采用的新工藝、新技術(shù)和新方法進(jìn)行研究，對(duì)比分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)并總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以確定新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供重要參考。

1 參考樣車(chē)對(duì)標(biāo)分析基本思路

1）參考樣車(chē)整車(chē)的關(guān)鍵硬點(diǎn)和基本尺寸測(cè)量，主要包括整車(chē)基本尺寸、通過(guò)性尺寸、內(nèi)部人機(jī)工程學(xué)尺寸、整車(chē)軸荷、整車(chē)姿態(tài)的基本測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)必須匯總成表，形成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，具體測(cè)量尺寸可參考SAE標(biāo)準(zhǔn)或整車(chē)廠自定的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，為新車(chē)型目標(biāo)設(shè)定和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

2）參考樣車(chē)整車(chē)和拆解分析的掃描和拍照，全面收集樣車(chē)的數(shù)據(jù)。整車(chē)掃描和拍照主要包括分析整車(chē)外部造型輪廓、內(nèi)飾表面、前艙和底盤(pán)基本布置；樣車(chē)拆解主要分析前艙、底盤(pán)、內(nèi)飾件等布置形式，對(duì)重要零部件的構(gòu)造、尺寸、功能、材料、重量、成本、安裝特點(diǎn)、工藝水平、可維修性、加注方便性等進(jìn)行研究。

3）參考樣車(chē)數(shù)據(jù)處理和逆向工程分析。將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)業(yè)分析軟件處理成面，提取邊界線及主要尺寸，所有的處理數(shù)據(jù)要統(tǒng)一到一個(gè)整車(chē)坐標(biāo)下，最后逆向繪制參考樣車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖），進(jìn)行機(jī)械布置、人機(jī)工程學(xué)、典型斷面、法規(guī)校核等優(yōu)缺點(diǎn)研究分析工作。

4）參考樣車(chē)的試驗(yàn)分析，主要含主觀評(píng)價(jià)、整車(chē)AUDIT、操穩(wěn)評(píng)價(jià)、NVH、制動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性等試驗(yàn)，這項(xiàng)對(duì)標(biāo)分析工作必須依托強(qiáng)大的試驗(yàn)部門(mén)和專(zhuān)業(yè)的工程師才能完成。

5）參考樣車(chē)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。參照對(duì)樣車(chē)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的研究分析，建立整車(chē)基本尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、前艙底盤(pán)布置數(shù)據(jù)庫(kù)、整車(chē)性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2 整車(chē)靜態(tài)參數(shù)介紹

2.1 整車(chē)關(guān)鍵硬點(diǎn)

在設(shè)計(jì)或校核整車(chē)布置圖時(shí)，關(guān)鍵硬點(diǎn)的確定是其它布置分析的基礎(chǔ)。硬點(diǎn)的確定一般參考競(jìng)爭(zhēng)樣車(chē)和設(shè)計(jì)公司數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)內(nèi)容，在全面權(quán)衡考慮的基礎(chǔ)上不斷調(diào)整最終確定的。關(guān)鍵硬點(diǎn)主要包括尺寸硬點(diǎn)、輪廓硬點(diǎn)、性能硬點(diǎn)、布置安裝硬點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)硬點(diǎn)和法規(guī)硬點(diǎn)等，例如輪胎型號(hào)、前后輪輪心坐標(biāo)、 前后排H點(diǎn) （Hip point） 坐標(biāo)、C（Cowl point）點(diǎn)、D（Duck point）點(diǎn)、踏板中心坐標(biāo)（尤其加速踏板的參考點(diǎn)）、方向盤(pán)中心點(diǎn)、換擋手柄空位時(shí)上端坐標(biāo)點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后端面中心坐標(biāo)點(diǎn)等。

2.2 整車(chē)關(guān)鍵尺寸

整車(chē)尺寸包括內(nèi)部尺寸和外部尺寸。內(nèi)部尺寸包括長(zhǎng)度尺寸、寬度尺寸、高度尺寸、角度尺寸和踏板組尺寸；外部尺寸包括長(zhǎng)度尺寸、寬度尺寸、高度尺寸和角度尺寸。每個(gè)尺寸給定1個(gè)代碼，SAE標(biāo)準(zhǔn)中該代碼由尺寸類(lèi)型、數(shù)字和后綴部分組成，如L101代表軸距，H61－1代表第1排的人體頭部空間。

3 靜態(tài)參數(shù)測(cè)量

靜態(tài)參數(shù)測(cè)量包括整車(chē)姿態(tài)測(cè)量、樣車(chē)靜態(tài)基本尺寸測(cè)量、離地間隙及軸荷測(cè)量和點(diǎn)云掃描，在此僅以整車(chē)姿態(tài)的測(cè)量為例加以說(shuō)明。

測(cè)量所用的主要設(shè)備為樣車(chē)、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、假人模型、標(biāo)準(zhǔn)配重塊、鉛垂線、標(biāo)簽紙、游標(biāo)卡尺和胎壓計(jì)。

測(cè)量步驟如下：

1）了解樣車(chē)的基本參數(shù)、技術(shù)狀態(tài)，收集樣車(chē)技術(shù)參數(shù)，明確測(cè)量目的；

2）檢查測(cè)量設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)、精度是否滿足要求，檢查加載物的重量與數(shù)量是否滿足要求，檢查所需設(shè)備是否齊全；

3）檢查樣車(chē)工作狀態(tài)，車(chē)內(nèi)載荷是否達(dá)到要求，油箱燃油、冷卻液等是否滿足要求，輪胎氣壓等調(diào)整到要求狀態(tài)；

4）將車(chē)輛平穩(wěn)的?？吭谌鴺?biāo)測(cè)量?jī)x平臺(tái)上，以前后輪心與左右導(dǎo)軌為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡量保證車(chē)輛左右對(duì)稱(chēng)；

5）在各車(chē)輪輪心和輪罩處（為方便探頭測(cè)量，一般可輪心正上方距輪罩邊緣2 cm處）貼標(biāo)記點(diǎn)，要求左右高度盡量對(duì)稱(chēng)；

6）測(cè)量整備狀態(tài)各點(diǎn)高度，并記錄數(shù)值：測(cè)量數(shù)據(jù)盡量保證2次以上，如果2次測(cè)量數(shù)據(jù)相差3mm以上應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)重新標(biāo)定測(cè)量；

7）按表1依次加載，測(cè)量各個(gè)狀態(tài)左右車(chē)身點(diǎn)和輪心點(diǎn)數(shù)據(jù)直到滿載；

8）一般由2個(gè)設(shè)計(jì)小組分別完成所有測(cè)量數(shù)據(jù)，以對(duì)比分析、檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 加載方案

4 樣車(chē)整車(chē)分析

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

4.1.1 整車(chē)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理

數(shù)學(xué)模型上是將車(chē)身固定處于近似水平狀態(tài)，通過(guò)變化車(chē)輪上下跳動(dòng)位置來(lái)反映懸架行程。而具體的測(cè)量過(guò)程是將輪胎近似固定，懸架行程是體現(xiàn)在車(chē)身上下位置的變化。測(cè)量與數(shù)模區(qū)別在于固定的部件不同，但是相對(duì)關(guān)系相同。

各個(gè)狀態(tài)輪眉變化：

各個(gè)狀態(tài)輪心變化：

懸架行程：

其中Zi為輪眉坐標(biāo)，Zci為對(duì)應(yīng)的輪心坐標(biāo)。

4.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在參考樣車(chē)選定區(qū)域貼上圓形識(shí)別點(diǎn)、正方形和十字形識(shí)別塊、識(shí)別基準(zhǔn)線，通過(guò)相機(jī)在選定區(qū)域拍攝，利用計(jì)算機(jī)專(zhuān)用軟件將拍到的圖片處理后形成由識(shí)別點(diǎn)組成的的框架點(diǎn)，如圖1所示。然后利用掃描儀對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行分塊掃描，掃描獲得的所有分塊點(diǎn)云由專(zhuān)用軟件計(jì)算分析，依次把外輪廓、內(nèi)飾表面、前艙和底盤(pán)布置等外型面所掃點(diǎn)云外型面通過(guò)定位點(diǎn)與框架點(diǎn)相對(duì)應(yīng)匹配，最后進(jìn)行對(duì)位分析和數(shù)據(jù)校對(duì)并統(tǒng)一整車(chē)坐標(biāo)，組成完整的整車(chē)外形點(diǎn)云，最后利用逆向分析軟件生成曲面，如圖2所示，并提取整車(chē)和主要零部件的邊界線、尺寸數(shù)據(jù)。

圖1 合成的整車(chē)框架點(diǎn)

圖2 整車(chē)外形點(diǎn)云和處理后的外曲面

4.2 機(jī)械布置分析

機(jī)械布置分析包括前艙、底盤(pán)、艙內(nèi)座椅和操作件布置等，這里以人體布置來(lái)說(shuō)明其分析方法。

1）汽車(chē)座椅H點(diǎn)

汽車(chē)座椅H點(diǎn)是指二維或三維人體模型樣板中人體軀干與大腿的連接點(diǎn)，即胯點(diǎn)（根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同H點(diǎn)的表達(dá)也有所不同設(shè)計(jì)H點(diǎn)，如Design H－point和 Actual H－point），H 點(diǎn)決定了駕駛員的舒適性、操縱性、安全性和視野性，表述了駕駛員在駕駛過(guò)程中的各種性能和駕駛室環(huán)境間的關(guān)系。此裝置應(yīng)選用圖3所示的適當(dāng)腿長(zhǎng)數(shù)據(jù)（根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇適當(dāng)百分位假人），并安裝在制造廠規(guī)定的座椅的正常駕駛或乘坐姿勢(shì)時(shí)最后位置。汽車(chē)座椅H點(diǎn)由三維H點(diǎn)裝置上的H點(diǎn)標(biāo)記鈕測(cè)得。圖3所示三維H點(diǎn)裝置上的外側(cè)H點(diǎn)標(biāo)記鈕往中心偏離196.5 mm，即測(cè)得H點(diǎn)。

圖3 三維H點(diǎn)裝置的構(gòu)件尺寸和負(fù)荷分布

2）前排座椅軌跡的分析

根據(jù)座椅點(diǎn)云，校正最后最下H點(diǎn)的Y向數(shù)值,確定前排座椅最后最下H點(diǎn)。根據(jù)在不同狀態(tài)的座椅點(diǎn)云，初步分析H點(diǎn)的調(diào)節(jié)范圍。如果允許將座椅拆卸，可以對(duì)座椅的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行掃描。

3）駕駛員人體布置分析

初步處理油門(mén)踏板面、前地板面及最后最下H點(diǎn)，布置95%人體2D模版，如圖4所示。

采用SAE的步驟進(jìn)一步分析人體R點(diǎn)，R點(diǎn)是指座椅上的1個(gè)設(shè)計(jì)參考點(diǎn)，它是座椅制造廠規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)?？紤]到座椅的所有調(diào)節(jié)形式（水平垂直和傾斜），座椅參考點(diǎn)確定了在正常駕駛或乘坐時(shí)座椅的最后位置，它表征了當(dāng)95%人體模型按規(guī)定擺放在座椅上時(shí)，實(shí)際H點(diǎn)應(yīng)與座椅參考點(diǎn)相重合。通常在人機(jī)工程設(shè)計(jì)中采用50%、95%人體尺寸，5%的女性人體一般不采用，但需進(jìn)行人機(jī)校核。以獲得更加接近其設(shè)計(jì)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，采用SAE95%的布置曲線來(lái)獲取R點(diǎn)，如果座椅行程長(zhǎng)度不足95%曲線，則以最后最下點(diǎn)確定，如圖5所示。

圖4 前排人體布置

圖5 座椅行程與獲取R點(diǎn)

4.3 人機(jī)工程分析

人機(jī)工程分析主要包括駕駛空間的乘坐舒適性、人體坐姿、進(jìn)出便利性、乘坐空間、視野，各種操作件的尺寸和可視性、操作空間，儲(chǔ)物盒或擱架的尺寸或手的操作空間、取放便利性，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后備箱蓋的開(kāi)啟方便性可觸及性分析，通過(guò)性分析等。完成上述人機(jī)工程學(xué)分析評(píng)價(jià)先要確定H點(diǎn)和處理各狀態(tài)地面線，僅以眼橢圓的確定為例。

1）眼橢圓的定義

汽車(chē)駕駛員眼橢圓是指不同身材的駕駛員按自己的意愿將座椅調(diào)整到適意位置，并以正常的駕駛姿勢(shì)入座后，他們的眼睛位置在車(chē)身坐標(biāo)系中的統(tǒng)計(jì)分布圖形，由于統(tǒng)計(jì)分布圖形呈橢圓狀，因此被稱(chēng)為駕駛員眼橢圓。

2）眼橢圓樣板及其定位

眼橢圓樣板的尺寸與人體百分位及座椅水平調(diào)節(jié)行程（L23）有關(guān)，根據(jù)座椅水平調(diào)節(jié)行程的不同，將其分為2套，如表2所示。一套為L(zhǎng)23在1～133 mm時(shí)的眼橢圓，另一套為L(zhǎng)23大于133 mm時(shí)的眼橢圓。

表2 左右眼橢圓的軸線長(zhǎng)度尺寸列表

車(chē)身總布置中，在已知SgRP點(diǎn)（即R點(diǎn)；H點(diǎn)是理論上座椅調(diào)整到最后最下的R點(diǎn)）、座椅水平行程和座椅靠背角的條件下，便可唯一定位眼橢圓。眼橢圓的尺寸與座椅水平調(diào)節(jié)行程有關(guān)，而眼橢圓在車(chē)身坐標(biāo)系中的位置與座椅靠背角有關(guān)。A類(lèi)車(chē)眼橢圓具體定位步驟如下：

a）依據(jù)圖6收集整理相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，參考以下公式可算出左右眼橢圓中心坐標(biāo)。

圖6 眼橢圓示意圖

其中：L1是PRP點(diǎn)（油門(mén)踏板參考點(diǎn)）坐標(biāo)的X值；L6是PRP點(diǎn)距方向盤(pán)中心點(diǎn)的X向距離；t取決于變速箱形式，自動(dòng)擋t=0，手動(dòng)擋t=1；H30是AHP點(diǎn) （腳踵點(diǎn)）距SgRP點(diǎn)的Z向距離；W20是SgRP點(diǎn)的Y向距離；H8是AHP點(diǎn)的Z向距離。

b）眼橢圓中心的位置確定后，將眼橢圓繞其短軸（Y軸）旋轉(zhuǎn)－12°，這樣就完成了駕駛員眼橢圓在整車(chē)坐標(biāo)系中的定位，如圖7所示為某參考樣車(chē)眼橢圓及前方視野校核示意圖。

圖7 某參考樣車(chē)眼橢圓及前方視野校核

4.4 法規(guī)校核分析

法規(guī)校核分析包括視野性分析、碰撞安全、行人保護(hù)、牌照板布置、燈具布置、安全帶固定點(diǎn)等，其中視野性又包括風(fēng)窗玻璃透明區(qū)、A柱雙目障礙角、駕駛員前方180°視野等。以分析A柱雙目障礙角為例。按圖7所示，在A柱上做2個(gè)水平截面。

1）A柱S1截面：從Pm點(diǎn)向前作與水平面向上成2°平面，過(guò)此平面與A柱相交的最前點(diǎn)作水平截面；

2）A柱S2截面：從Pm點(diǎn)向前作與水平面向下成5°的平面，過(guò)此平面與A柱相交的最前點(diǎn)作水平裁面。將S1、S2截面投影在P點(diǎn)所在的水平面內(nèi)，雙目障礙角在該平面內(nèi)測(cè)量，如圖8所示；

圖8 A柱水平截面示意圖

3）E1和E2的連接線繞P1旋轉(zhuǎn)，使E1至左A柱的S2截面外側(cè)的切線與E1、E2連線成直角，從E1向左A柱的S2截面外側(cè)作切線和從E2向左A柱S1截面內(nèi)側(cè)作切線，從E2點(diǎn)作前一切線平行線，與后一切線所成的平面視野角度即為駕駛員（左）側(cè)的A柱雙目障礙角。

法規(guī)要求每根A柱雙目障礙角不得超過(guò)6°；若兩柱相對(duì)汽車(chē)縱向鉛垂面是對(duì)稱(chēng)的，則右柱不需要再測(cè)量。汽車(chē)不得有兩根以上的A柱。圖9所示為某參考樣車(chē)駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角，現(xiàn)測(cè)得左右角度值為3.10°和0.29°，均小于法規(guī)要求的6°，故滿足法規(guī)要求。

圖9 駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角

5 整車(chē)基本尺寸工程圖

在完成上述參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、機(jī)械布置、人機(jī)分析、法規(guī)校核等工作的基礎(chǔ)上，對(duì)三維布置圖的線型、顏色、線寬等細(xì)節(jié)進(jìn)行最終調(diào)整完善；將三維圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖，依據(jù)乘用車(chē)尺寸代碼對(duì)轉(zhuǎn)化后的二維工程圖進(jìn)行相應(yīng)的尺寸標(biāo)注；對(duì)二維總布置圖進(jìn)行反復(fù)調(diào)整、仔細(xì)檢查，最終完成整車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖），如圖10所示。

6 總 結(jié)

結(jié)合參考樣車(chē)對(duì)標(biāo)分析基本思路，在對(duì)參考樣車(chē)進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，得到樣車(chē)的各種主要靜態(tài)參數(shù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，重點(diǎn)分析了人體布置、眼橢圓的確定以及A柱雙目障礙角的測(cè)量，最終完成了整車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖）。通過(guò)實(shí)車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了該分析思路的合理性，這對(duì)乘用車(chē)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與參考樣車(chē)分析有一定的指導(dǎo)意義。

圖10 整車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖）

［1］ 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 余志生.汽車(chē)?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］《汽車(chē)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)，設(shè)計(jì)篇［K］.北京：人民交通出版社，2001.

［5］ SAE J1516－1998.12， Accommodation Tool Reference Point［S］.

［6］ SAE J941－2000， Motor Vehicle Driver’s Eye Range［S］.

［7］ SAE J1052－2002， Motor Vehicle Driver and Passenger Head Position［S］.

［8］ SAE J1100－2002， Motor Vehicle Dimensions［S］.

［9］ SAE J1517－2004， Driver Selected Seat Position［S］.