李訓(xùn)猛，黃超俊，李媛媛，王超

（寶沃汽車（中國）有限公司，北京 102206）

前言

不管時(shí)代如何變遷，汽車的本質(zhì)是為“人”服務(wù)的工具，汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)一直作為整車設(shè)計(jì)重要的因素之一，空間設(shè)計(jì)、直接和間接視野與安全性設(shè)計(jì)、高科技配置，是當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究方向。

汽車視野作為人機(jī)工程考慮的重要因素，對(duì)駕駛安全有著十分明顯的影響，駕駛員視野可分為直接視野和間接視野[5]，直接視野就是駕駛員直接可視區(qū)域，包括前視野、側(cè)視野、后視野，統(tǒng)稱360度視野；在整車設(shè)計(jì)中，360度視野是架構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)的重要研究方向。

GB11562《汽車駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法》里已明確要求：“每根A柱雙目障礙角不得超過6度，對(duì)于防彈車輛，該角度不超過10°”[2]。提出一種創(chuàng)新新360度視野設(shè)計(jì)方法，對(duì)立柱的曲線弧度及立體效果特征綜合優(yōu)化考量，對(duì)整車視野的控制優(yōu)化效果更加有效。

1 360度視野影響因素

立柱截面大小和立柱型面走向是影響360度視野兩大因素，立柱截面結(jié)構(gòu)大小直接影響駕駛員視野障礙感受，傳統(tǒng)方法要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化改善。

1.1 視野影響因素

車身設(shè)計(jì)過程中，截面控制是最直接有效的方法，車身各立柱的截面大小直接影響到360度視野。以A柱為例，其截面由車身鈑金、門框及密封條結(jié)構(gòu)、立柱飾板三大塊組成，具體包含車身外鈑金、內(nèi)側(cè)加強(qiáng)板；門框及密封條等結(jié)構(gòu)。見圖1。

優(yōu)化A柱截面可從以下五方面出發(fā)：減少A柱外鈑金寬度L1；優(yōu)化門框密封寬度L2，輥壓門框比沖壓門框占用空間小；減少密封尺寸L3；減少內(nèi)飾板安裝卡扣尺寸L4；減少前風(fēng)擋玻璃黑邊寬度L5；見圖1。

圖1 A柱截面圖

立柱型面走向主要會(huì)影響駕駛員視野的主觀感受，從側(cè)視圖看，前風(fēng)擋傾角A130-1越小，A柱越立，A柱障礙角越小，空間感越好壓迫感越小。同一車型A柱等比例增大風(fēng)擋傾斜角度，A柱障礙角也會(huì)同比例增長，見圖2。另外，從前視圖看，A柱外沿越往外側(cè)，A柱障礙角越小，空間感和進(jìn)出性都好，壓迫感越小。但A柱位置受側(cè)風(fēng)窗玻璃內(nèi)傾角A122-1制約，A柱障礙角隨A122-1增大而增大，即側(cè)風(fēng)窗玻璃越傾斜A柱障礙角越大，見圖3。

圖2 風(fēng)擋傾角與A柱障礙角關(guān)系

圖3 側(cè)風(fēng)窗角度與A柱障礙角關(guān)系

1.2 立體視覺效果

圖4 圓弧特征A柱型面

圖5 階梯型面A柱型面

立體視覺效果主要是主觀評(píng)價(jià)對(duì)立柱的直觀感受。突出的立體效果可以有效的降低障礙感覺。通過立柱從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，立柱飾板上增加特征線，營造立體效果，可適當(dāng)增加空間感覺并同步減弱立柱壓迫感。傳統(tǒng)控制方法中控制A柱障礙角數(shù)值滿足法規(guī)要求，但實(shí)際效果不好。如圖4某車型，按照法規(guī)測(cè)量A柱障礙角4.1度，處于中上水平，不過實(shí)際觀察其A柱粗大，影響視覺感受。再以圖5大眾汽車某車型為例，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量A柱障礙角4.2度，尺寸數(shù)值比上個(gè)車型打，但立體視覺效果良好。所以，不損失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)營造視覺立體效果可明顯改善用戶視野感受。

2 SLC方法設(shè)計(jì)介紹

基于影響因素和立體視覺效果，為改善用戶的視野感受，總結(jié)評(píng)審和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)新提出SLC方法。SLC（Section Line Control）即四面兩線控制法，四面就是在 A柱范圍內(nèi)均勻選取4個(gè)截面（SEC1～4）；兩線就是A柱前視圖的內(nèi)外輪廓線（Line1，Line 2），見圖6。SLC方法通過四個(gè)典型截面和兩側(cè)特征線控制整個(gè)A柱的位置和結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)A柱的曲線弧度及立體效果特征綜合優(yōu)化考量，控制效果更加明顯有效。

圖6 SLC方法示意圖

2.1 四面兩線法具體做法

調(diào)查發(fā)現(xiàn)SUV、轎車的A柱上下極限位置集中分布在上8°和下10°視線范圍內(nèi)，見表1，故取上8°和下10°作為上下極限視野線位置，運(yùn)用SLC方法，先確定四截面位置。以人體P1點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，做A柱上、下極限位置視野線。采用矢量法對(duì)其進(jìn)行等分，每個(gè)視野線和A柱相交最近點(diǎn)取名A、B、C、D點(diǎn)。過A點(diǎn)做垂直于A柱的截面得到截面SEC1～4，此四截面即為SLC方法里的四面。另外，為更好對(duì)比立柱空間位置。

從A柱前視圖看，兩線即為A柱鈑金兩側(cè)輪廓線，從截面看，內(nèi)輪廓線Line1即為與前風(fēng)擋配接處鈑金凸點(diǎn)M的四截面連線，外輪廓線Line2即為A柱外側(cè)與門框膠條搭接處鈑金端點(diǎn)N的四截面連線，見圖7。兩線主要受前風(fēng)擋角度A130-1和側(cè)風(fēng)窗傾斜角度A122-1制約，兩條線走向決定了A柱的弧度走向。綜上，運(yùn)用SLC四面兩線法模型數(shù)據(jù)如圖8所示。

表1 A柱上下極限視野線角度統(tǒng)計(jì)表

2.2 兩線四面法在A柱上的應(yīng)用

文章以設(shè)計(jì)某項(xiàng)目A柱設(shè)計(jì)優(yōu)化為例，闡述應(yīng)用過程。

（1）截面優(yōu)化，在造型設(shè)計(jì)階段，依據(jù)法規(guī)設(shè)計(jì)A柱障礙角5.3度，滿足法規(guī)要求，但障礙視覺效果差，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

①優(yōu)化 A柱鈑金外側(cè)寬度，由 77mm減少至 72mm，CAE結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)A柱截面面積減少8.46%，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少3.63%,見表2，分析發(fā)現(xiàn)在64km/h的偏置碰時(shí)A柱存在撕裂風(fēng)險(xiǎn)，不建議更改，此優(yōu)化未執(zhí)行；

②改善側(cè)風(fēng)窗門框沖壓結(jié)構(gòu)，減少門框?qū)挾?6mm；優(yōu)化密封條結(jié)構(gòu)形式，側(cè)風(fēng)窗到A柱密封面的距離減小了4mm；

③更改內(nèi)飾板安裝卡扣結(jié)構(gòu)，內(nèi)飾板到鈑金距離由49mm減少至39mm； 見圖9；通過上述截面優(yōu)化，A柱障礙角由5.3度減少至4.95度，驗(yàn)證評(píng)估視覺障礙有改善，但駕駛壓迫感明顯，需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 內(nèi)外輪廓線截面示意圖

圖8 SLC四面兩線法數(shù)據(jù)模型

（2）運(yùn)用SLC方法，在A柱上對(duì)應(yīng)視野面+8°、0°、-6°和-10°處截取相應(yīng)四截面，分別對(duì)截面進(jìn)行優(yōu)化：側(cè)視圖X方向通過內(nèi)輪廓線Line1調(diào)整立柱前后方向弧度，正視圖Y方通過外輪廓線Line2調(diào)整立柱左右方向弧度。

表2 A柱SEC2截面CAE分析結(jié)果

①側(cè)視圖X方向的弧度優(yōu)化，以SEC1截面為基準(zhǔn)，通過調(diào)整ΔX1調(diào)整SEC2處截面位置，盡可能向車頭方向移動(dòng)，再以SEC4處截面為基準(zhǔn)，通過減少ΔX2調(diào)整SEC3截面位置，盡可能向車頭方向移動(dòng)，形成向車頭方向凸的Line1弧線，見圖10；

②同理，正視圖Y方向的弧度優(yōu)化通過調(diào)整ΔY1、 ΔY2值，上下兩端截面不動(dòng)，中間兩截面向車外方向移，形成向外側(cè)方向凸的Line2弧線，見圖10；

圖9 截面優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖10 A柱 X方向、Y方向弧度優(yōu)化示意圖

上述弧度優(yōu)化除了移動(dòng)截面外，更改截面結(jié)構(gòu)形式：側(cè)玻璃角度A122不變時(shí)，A柱外板整體往前向外沿伸，M點(diǎn)及內(nèi)輪廓線Line1向前，N點(diǎn)及外輪廓線Line2往外擴(kuò)，保證A柱鈑金寬度不變的情況優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)，從而減少A柱障礙角到4.2度。

（3）立體視覺效果優(yōu)化：突出的立體效果可以有效的降低障礙感覺，通過對(duì)A柱內(nèi)飾面做階梯處理，減輕對(duì)駕駛員的A柱大小和壓迫感受，設(shè)計(jì)過程主要進(jìn)行下面三方面優(yōu)化：

①靠近前風(fēng)擋的A柱內(nèi)飾板和視野線相切，減少飾板對(duì)中間區(qū)域前方視野的視野障礙；

②A柱內(nèi)飾板面設(shè)計(jì)棱邊突顯立體感，通過立柱飾板上做型面轉(zhuǎn)折點(diǎn)，形成階梯弧，有明顯棱邊線條，增強(qiáng)視覺立體效果；

③視野區(qū)域①＜視野區(qū)域②。

以某項(xiàng)目為例，A柱經(jīng)過截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、弧度改善和視覺立體效果的完善，不僅減少截面尺寸大小，也有效的降低障礙感受。如圖11。

圖11 截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

2.3 方法實(shí)施過程

正向工程開發(fā)重要節(jié)點(diǎn)可分為三個(gè)階段：架構(gòu)硬點(diǎn)定義階段、造型可行性分析階段和模型驗(yàn)證評(píng)審階段。斷面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化都貫穿設(shè)計(jì)的每個(gè)階段。

架構(gòu)硬點(diǎn)定義階段，對(duì)A柱斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及碰撞要求，初步定義門框成型工藝、密封條密封類型、立柱飾板安裝結(jié)構(gòu)形式等基本工藝，集成架構(gòu)總布置圖。

在造型可行性分析階段輸出造型約束條件，如圖12，此過程是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)，SLC控制方法基本需要在這個(gè)階段完全應(yīng)用。根據(jù)初始的內(nèi)飾設(shè)計(jì)曲面運(yùn)用SLC設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行工程分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不斷和造型數(shù)據(jù)交互匹配，結(jié)合風(fēng)窗位置的造型比例要求，作為工程約束條件指導(dǎo)造型設(shè)計(jì)。最終達(dá)到滿足工程設(shè)計(jì)要求的造型數(shù)據(jù)。

圖12 A柱造型約束

模型驗(yàn)證評(píng)審階段，通過人機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)和人機(jī)工程 1：1樹脂驗(yàn)證模型Seating Buck。平臺(tái)驗(yàn)證階段，根據(jù)A柱的不同斷面銑削不同的A柱樣件，安裝在平臺(tái)上，組織主觀評(píng)價(jià)小組進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，評(píng)估選定最佳斷面形式，如圖13。

圖13 A柱模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證階段，根據(jù)斷面及造型數(shù)據(jù)制作整車人機(jī)工程驗(yàn)證模型Seating Buck，如圖14，在實(shí)體模型上可直接評(píng)估架構(gòu)尺寸、整車視野和乘坐空間等，對(duì)視野障礙角度和空間立體感受可以綜合進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，根據(jù)主觀評(píng)價(jià)意見再度優(yōu)化。

圖14 Seating Buck人機(jī)驗(yàn)證模型

3 結(jié)論

駕駛員整車360度視野對(duì)汽車的行駛安全尤為重要，其中A柱作為整車直接視野的關(guān)鍵影響因素，其設(shè)計(jì)要求不僅滿足A柱障礙角小于6度的控制要求，還應(yīng)更加全面的分析及優(yōu)化，文中結(jié)合多年項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，提出了較先進(jìn)的SLC設(shè)計(jì)方法，用四個(gè)截面和兩個(gè)輪廓線對(duì)立柱從截面控制、弧度優(yōu)化、立體效果優(yōu)化三方面系統(tǒng)地控制設(shè)計(jì)，并以A柱為例分析SLC方法的實(shí)用性和有效性。該方法能在產(chǎn)品開發(fā)初期從根本上進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，并且經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的具體應(yīng)用，通過了每一輪的設(shè)計(jì)驗(yàn)證及上市產(chǎn)品的市場檢驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行本質(zhì)上的設(shè)計(jì)優(yōu)化。