郭一鳴，汪建安

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

目前各汽車生產(chǎn)廠商不斷受到國內(nèi)外競爭對手的激烈挑戰(zhàn)，消費者對產(chǎn)品技術(shù)升級的需求也更加成熟，市場準入和法規(guī)要求也更加嚴格，在此前提下各汽車廠家只有不斷推出新車才有可能迅速占據(jù)市場，提高產(chǎn)品競爭力，從而獲得成功。由于汽車新產(chǎn)品的研究、開發(fā)、設(shè)計、試制、試驗、生產(chǎn)準備等過程的費用不斷提高，技術(shù)日趨精密和復(fù)雜，因此，無論是進行產(chǎn)品的正向開發(fā)還是逆向開發(fā)，參考樣車對標分析（benchmarking）都顯得非常的重要。Benchmarking對競爭車輛采用的新工藝、新技術(shù)和新方法進行研究，對比分析各項數(shù)據(jù)并總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，以確定新產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢，為設(shè)計開發(fā)提供重要參考。

1 參考樣車對標分析基本思路

1）參考樣車整車的關(guān)鍵硬點和基本尺寸測量，主要包括整車基本尺寸、通過性尺寸、內(nèi)部人機工程學(xué)尺寸、整車軸荷、整車姿態(tài)的基本測量。測量數(shù)據(jù)必須匯總成表，形成設(shè)計數(shù)據(jù)庫，具體測量尺寸可參考SAE標準或整車廠自定的內(nèi)部標準，為新車型目標設(shè)定和設(shè)計開發(fā)提供參考依據(jù)。

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

3）參考樣車數(shù)據(jù)處理和逆向工程分析。將掃描得到的點云數(shù)據(jù)通過專業(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)一到一個整車坐標下，最后逆向繪制參考樣車基本尺寸工程圖（總布置圖），進行機械布置、人機工程學(xué)、典型斷面、法規(guī)校核等優(yōu)缺點研究分析工作。

4）參考樣車的試驗分析，主要含主觀評價、整車AUDIT、操穩(wěn)評價、NVH、制動性、經(jīng)濟性動力性等試驗，這項對標分析工作必須依托強大的試驗部門和專業(yè)的工程師才能完成。

5）參考樣車數(shù)據(jù)庫的建立。參照對樣車靜態(tài)和動態(tài)的研究分析，建立整車基本尺寸數(shù)據(jù)庫、人機設(shè)計數(shù)據(jù)庫、前艙底盤布置數(shù)據(jù)庫、整車性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫等。

2 整車靜態(tài)參數(shù)介紹

2.1 整車關(guān)鍵硬點

在設(shè)計或校核整車布置圖時，關(guān)鍵硬點的確定是其它布置分析的基礎(chǔ)。硬點的確定一般參考競爭樣車和設(shè)計公司數(shù)據(jù)庫的相關(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)鍵硬點主要包括尺寸硬點、輪廓硬點、性能硬點、布置安裝硬點、運動硬點和法規(guī)硬點等，例如輪胎型號、前后輪輪心坐標、 前后排H點 （Hip point） 坐標、C（Cowl point）點、D（Duck point）點、踏板中心坐標（尤其加速踏板的參考點）、方向盤中心點、換擋手柄空位時上端坐標點、發(fā)動機曲軸后端面中心坐標點等。

2.2 整車關(guān)鍵尺寸

整車尺寸包括內(nèi)部尺寸和外部尺寸。內(nèi)部尺寸包括長度尺寸、寬度尺寸、高度尺寸、角度尺寸和踏板組尺寸；外部尺寸包括長度尺寸、寬度尺寸、高度尺寸和角度尺寸。每個尺寸給定1個代碼，SAE標準中該代碼由尺寸類型、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)測量

靜態(tài)參數(shù)測量包括整車姿態(tài)測量、樣車靜態(tài)基本尺寸測量、離地間隙及軸荷測量和點云掃描，在此僅以整車姿態(tài)的測量為例加以說明。

測量所用的主要設(shè)備為樣車、三坐標測量儀、假人模型、標準配重塊、鉛垂線、標簽紙、游標卡尺和胎壓計。

測量步驟如下：

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

2）檢查測量設(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）檢查樣車工作狀態(tài)，車內(nèi)載荷是否達到要求，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）將車輛平穩(wěn)的?？吭谌鴺藴y量儀平臺上，以前后輪心與左右導(dǎo)軌為基準進行調(diào)節(jié)，盡量保證車輛左右對稱；

5）在各車輪輪心和輪罩處（為方便探頭測量，一般可輪心正上方距輪罩邊緣2 cm處）貼標記點，要求左右高度盡量對稱；

6）測量整備狀態(tài)各點高度，并記錄數(shù)值：測量數(shù)據(jù)盡量保證2次以上，如果2次測量數(shù)據(jù)相差3mm以上應(yīng)對數(shù)據(jù)重新標定測量；

7）按表1依次加載，測量各個狀態(tài)左右車身點和輪心點數(shù)據(jù)直到滿載；

8）一般由2個設(shè)計小組分別完成所有測量數(shù)據(jù)，以對比分析、檢查數(shù)據(jù)的準確性。

表1 加載方案

4 樣車整車分析

4.1 測量數(shù)據(jù)處理

4.1.1 整車姿態(tài)測量數(shù)據(jù)處理

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

各個狀態(tài)輪眉變化：

各個狀態(tài)輪心變化：

懸架行程：

其中Zi為輪眉坐標，Zci為對應(yīng)的輪心坐標。

4.1.2 點云數(shù)據(jù)處理

在參考樣車選定區(qū)域貼上圓形識別點、正方形和十字形識別塊、識別基準線，通過相機在選定區(qū)域拍攝，利用計算機專用軟件將拍到的圖片處理后形成由識別點組成的的框架點，如圖1所示。然后利用掃描儀對掃描區(qū)域進行分塊掃描，掃描獲得的所有分塊點云由專用軟件計算分析，依次把外輪廓、內(nèi)飾表面、前艙和底盤布置等外型面所掃點云外型面通過定位點與框架點相對應(yīng)匹配，最后進行對位分析和數(shù)據(jù)校對并統(tǒng)一整車坐標，組成完整的整車外形點云，最后利用逆向分析軟件生成曲面，如圖2所示，并提取整車和主要零部件的邊界線、尺寸數(shù)據(jù)。

圖1 合成的整車框架點

圖2 整車外形點云和處理后的外曲面

4.2 機械布置分析

機械布置分析包括前艙、底盤、艙內(nèi)座椅和操作件布置等，這里以人體布置來說明其分析方法。

1）汽車座椅H點

汽車座椅H點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，即胯點（根據(jù)應(yīng)用場合的不同H點的表達也有所不同設(shè)計H點，如Design H－point和 Actual H－point），H 點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所示的適當腿長數(shù)據(jù)（根據(jù)設(shè)計要求選擇適當百分位假人），并安裝在制造廠規(guī)定的座椅的正常駕駛或乘坐姿勢時最后位置。汽車座椅H點由三維H點裝置上的H點標記鈕測得。圖3所示三維H點裝置上的外側(cè)H點標記鈕往中心偏離196.5 mm，即測得H點。

圖3 三維H點裝置的構(gòu)件尺寸和負荷分布

2）前排座椅軌跡的分析

根據(jù)座椅點云，校正最后最下H點的Y向數(shù)值,確定前排座椅最后最下H點。根據(jù)在不同狀態(tài)的座椅點云，初步分析H點的調(diào)節(jié)范圍。如果允許將座椅拆卸，可以對座椅的調(diào)節(jié)機構(gòu)進行掃描。

3）駕駛員人體布置分析

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

采用SAE的步驟進一步分析人體R點，R點是指座椅上的1個設(shè)計參考點，它是座椅制造廠規(guī)定的設(shè)計基準點?？紤]到座椅的所有調(diào)節(jié)形式（水平垂直和傾斜），座椅參考點確定了在正常駕駛或乘坐時座椅的最后位置，它表征了當95%人體模型按規(guī)定擺放在座椅上時，實際H點應(yīng)與座椅參考點相重合。通常在人機工程設(shè)計中采用50%、95%人體尺寸，5%的女性人體一般不采用，但需進行人機校核。以獲得更加接近其設(shè)計狀態(tài)的數(shù)據(jù)，采用SAE95%的布置曲線來獲取R點，如果座椅行程長度不足95%曲線，則以最后最下點確定，如圖5所示。

圖4 前排人體布置

圖5 座椅行程與獲取R點

4.3 人機工程分析

人機工程分析主要包括駕駛空間的乘坐舒適性、人體坐姿、進出便利性、乘坐空間、視野，各種操作件的尺寸和可視性、操作空間，儲物盒或擱架的尺寸或手的操作空間、取放便利性，發(fā)動機艙蓋和后備箱蓋的開啟方便性可觸及性分析，通過性分析等。完成上述人機工程學(xué)分析評價先要確定H點和處理各狀態(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入座后，他們的眼睛位置在車身坐標系中的統(tǒng)計分布圖形，由于統(tǒng)計分布圖形呈橢圓狀，因此被稱為駕駛員眼橢圓。

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L23在1～133 mm時的眼橢圓，另一套為L23大于133 mm時的眼橢圓。

表2 左右眼橢圓的軸線長度尺寸列表

車身總布置中，在已知SgRP點（即R點；H點是理論上座椅調(diào)整到最后最下的R點）、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)，而眼橢圓在車身坐標系中的位置與座椅靠背角有關(guān)。A類車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)計參數(shù)，參考以下公式可算出左右眼橢圓中心坐標。

圖6 眼橢圓示意圖

其中：L1是PRP點（油門踏板參考點）坐標的X值；L6是PRP點距方向盤中心點的X向距離；t取決于變速箱形式，自動擋t=0，手動擋t=1；H30是AHP點 （腳踵點）距SgRP點的Z向距離；W20是SgRP點的Y向距離；H8是AHP點的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坐標系中的定位，如圖7所示為某參考樣車眼橢圓及前方視野校核示意圖。

圖7 某參考樣車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、牌照板布置、燈具布置、安全帶固定點等，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個水平截面。

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

2）A柱S2截面：從Pm點向前作與水平面向下成5°的平面，過此平面與A柱相交的最前點作水平裁面。將S1、S2截面投影在P點所在的水平面內(nèi)，雙目障礙角在該平面內(nèi)測量，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6°；若兩柱相對汽車縱向鉛垂面是對稱的，則右柱不需要再測量。汽車不得有兩根以上的A柱。圖9所示為某參考樣車駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角，現(xiàn)測得左右角度值為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 整車基本尺寸工程圖

在完成上述參數(shù)測量、數(shù)據(jù)處理、機械布置、人機分析、法規(guī)校核等工作的基礎(chǔ)上，對三維布置圖的線型、顏色、線寬等細節(jié)進行最終調(diào)整完善；將三維圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖，依據(jù)乘用車尺寸代碼對轉(zhuǎn)化后的二維工程圖進行相應(yīng)的尺寸標注；對二維總布置圖進行反復(fù)調(diào)整、仔細檢查，最終完成整車基本尺寸工程圖（總布置圖），如圖10所示。

6 總 結(jié)

結(jié)合參考樣車對標分析基本思路，在對參考樣車進行測量的基礎(chǔ)上，得到樣車的各種主要靜態(tài)參數(shù)，并對得到的數(shù)據(jù)進行處理分析，重點分析了人體布置、眼橢圓的確定以及A柱雙目障礙角的測量，最終完成了整車基本尺寸工程圖（總布置圖）。通過實車設(shè)計開發(fā)，驗證了該分析思路的合理性，這對乘用車新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計與參考樣車分析有一定的指導(dǎo)意義。

圖10 整車基本尺寸工程圖（總布置圖）

［1］ 王望予.汽車設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊，設(shè)計篇［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］.