尚偉 金賢鎮(zhèn) 陳鴻運(yùn)

（北京現(xiàn)代汽車(chē)有限公司）

隨著汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的日益成熟，總布置設(shè)計(jì)已成為整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的一部分。汽車(chē)性能的優(yōu)劣不僅取決于汽車(chē)各部件的性能，而且在很大程度上取決于各部件的協(xié)調(diào)和配合，即總體布置；總體設(shè)計(jì)水平的高低對(duì)汽車(chē)的設(shè)計(jì)質(zhì)量、使用性能和產(chǎn)品的生命力有著決定性的影響。尤其在整車(chē)設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)總布置概念方案及設(shè)計(jì)輸入，編制詳細(xì)的總布置方案，總布置在工程設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)之間起協(xié)調(diào)作用，既要確保造型自由度，又要確保工程設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)[1]。文章結(jié)合某電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，分析了布置過(guò)程，得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，明確了今后的努力方向。

1 總布置概況

汽車(chē)總布置可以用布置和人機(jī)界面來(lái)定義?！安贾谩备拍钚缘囟x了汽車(chē)內(nèi)外部的幾何尺寸和所有大型零部件的位置；“人機(jī)界面”則是設(shè)計(jì)工作場(chǎng)所時(shí)使人與工作環(huán)境協(xié)調(diào)的一門(mén)科學(xué)，所以總布置開(kāi)發(fā)的作用就是要保證幾何協(xié)調(diào)（位置空間、造型比例）、功能有序（制造性、維護(hù)性）和性能平衡。

總布置作為汽車(chē)設(shè)計(jì)的主線(xiàn)，在汽車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中扮演著總設(shè)計(jì)師的角色，是新車(chē)型開(kāi)發(fā)的第1道工序，而新車(chē)型總體方案的確定是總布置設(shè)計(jì)的第1步。首先通過(guò)充分準(zhǔn)備和綜合分析，選擇一個(gè)合理的整車(chē)方案，并經(jīng)過(guò)一定的程序?qū)⑵浯_定下來(lái)。方案確定后，進(jìn)行準(zhǔn)確布置和計(jì)算，并為各總成下一步開(kāi)展的工作打好基礎(chǔ)、準(zhǔn)備條件、提出要求并與各專(zhuān)業(yè)組協(xié)同完成全部的設(shè)計(jì)，共同實(shí)現(xiàn)整車(chē)的總目標(biāo)。

2 總布置一般步驟和任務(wù)

汽車(chē)尤其是新車(chē)型的設(shè)計(jì)是根據(jù)社會(huì)對(duì)該車(chē)型的使用要求而提出的整車(chē)參數(shù)與性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的。需要從整車(chē)的總體設(shè)計(jì)開(kāi)始，通過(guò)總體設(shè)計(jì)的分析與計(jì)算，將整車(chē)參數(shù)和性能指標(biāo)分解為有關(guān)總成的參數(shù)和功能后，再進(jìn)行總成和部件設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行局部設(shè)計(jì)與研究。

2.1 產(chǎn)品規(guī)劃

產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是選定設(shè)計(jì)目標(biāo)，并制定設(shè)計(jì)工作方針及設(shè)計(jì)原則。主要包含：競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型對(duì)比分析研究、整車(chē)參數(shù)性能目標(biāo)定義，以及根據(jù)所確定的尺寸和性能參數(shù)繪制總布置草圖。圖1示出汽車(chē)總布置外形尺寸輪廓圖。

圖1 汽車(chē)總布置外形尺寸輪廓圖

2.2 造型階段

造型部門(mén)依據(jù)總布置輸出的造型硬點(diǎn)（長(zhǎng)、寬、高、軸距、輪距、前后懸、前后視野、前后擋傾角、通過(guò)性要求及內(nèi)部空間等）進(jìn)行造型概念草圖和效果圖設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)總布置工程師及其他相關(guān)部門(mén)反復(fù)討論與分析以及領(lǐng)導(dǎo)決策，形成最終造型面數(shù)據(jù)及總布置設(shè)計(jì)圖（如圖2所示）。

圖2 某車(chē)型總布置設(shè)計(jì)圖

2.3 可行性分析階段

可行性分析階段包含典型斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)、主體方案性能分析與優(yōu)化、工藝可行性分析以及法規(guī)可行性研究。對(duì)各部件進(jìn)行合理布置和運(yùn)動(dòng)校核，整合汽車(chē)各系統(tǒng)和零部件，對(duì)整車(chē)性能進(jìn)行控制，保證汽車(chē)主要性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及空間的集成和功能性。

2.4 詳細(xì)工程設(shè)計(jì)階段

根據(jù)工程可行性分析，進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同步進(jìn)行虛擬分析、虛擬試驗(yàn)和虛擬制造同步工程分析，優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，使之滿(mǎn)足整車(chē)性能目標(biāo)、國(guó)家法規(guī)和相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)調(diào)好整車(chē)與總成之間的匹配關(guān)系，優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間，滿(mǎn)足功能需求，配合總成完成布置設(shè)計(jì)，使整車(chē)的性能與可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段

設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段通過(guò)樣車(chē)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證及小批量生產(chǎn)等過(guò)程對(duì)整車(chē)和各總成的功能性、裝配性以及人機(jī)交互進(jìn)行驗(yàn)證校核，如若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)向工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反饋，相關(guān)部門(mén)共同研討進(jìn)行優(yōu)化。其中優(yōu)化的內(nèi)容包括整車(chē)造型控制及技術(shù)改進(jìn)，同時(shí)需要協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沖突，使整車(chē)布置更為合理可靠。

3 機(jī)艙總布置設(shè)計(jì)要求

按照區(qū)域布置分解來(lái)看，總布置可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置、下車(chē)體布置、乘員艙布置及行李箱布置4類(lèi)。按照開(kāi)展工作的步驟，首先需要確定整車(chē)主要參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行底盤(pán)和機(jī)艙的布置，位置關(guān)系確定后校核駕駛室內(nèi)人機(jī)工程，最后進(jìn)行整車(chē)的受力分析和計(jì)算[2]。

3.1 機(jī)艙總布置的重要性

作為整車(chē)設(shè)計(jì)的重要組成部分，機(jī)艙布置的合理性不僅關(guān)系到動(dòng)力總成及附件是否能夠放入，同時(shí)還關(guān)系到整車(chē)性能的諸多方面，比如：整車(chē)的振動(dòng)噪聲、可靠性、行人保護(hù)、碰撞安全、行車(chē)安全、整車(chē)質(zhì)量、整車(chē)軸荷分配、整車(chē)的工效、美觀(guān)性及電氣元器件的使用壽命等。

3.2 某款電動(dòng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的總布置優(yōu)化

某純電動(dòng)車(chē)在前期布置階段欠缺考慮，根據(jù)總布置需要遵循的原則，對(duì)其機(jī)艙布置進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 機(jī)艙和管線(xiàn)的布置原則

主要以地板的變動(dòng)最小為目標(biāo)，盡量保證離地間隙的要求，需遵循如下原則：

1）布局美觀(guān)，保證機(jī)艙平整性，按照零部件的重要程度優(yōu)先布置；

2）管線(xiàn)盡量布置在隱藏的空間，直接裸露部分盡量遵守橫平豎直的原則；

3）滿(mǎn)足工藝裝配性、液體加注和下線(xiàn)調(diào)整及檢測(cè)方便性要求；

4）管線(xiàn)應(yīng)與固定件、運(yùn)動(dòng)件保持適當(dāng)間隙；

5）滿(mǎn)足基礎(chǔ)保養(yǎng)和常規(guī)維修要求。

3.2.2 關(guān)鍵改善部件的布置方案

通過(guò)變更整車(chē)控制器（VCU）/DC-DC/高壓控制盒等專(zhuān)用部件的式樣及安裝位置，規(guī)范管線(xiàn)走向（例如將線(xiàn)束在電機(jī)側(cè)面相連變?yōu)榫€(xiàn)束在電機(jī)后部相連），調(diào)整快充接口以及真空泵的位置，增加集成支架等，避免了快充口與空調(diào)管干涉以及線(xiàn)束凌亂等問(wèn)題，提升了裝配工藝性，使機(jī)艙布局整齊美觀(guān)，如圖3所示。

圖3 某純電動(dòng)車(chē)總布置優(yōu)化示意圖

4 人機(jī)工程布置設(shè)計(jì)

人機(jī)工程是從人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)，研究人、機(jī)、環(huán)境相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律，以達(dá)到優(yōu)化的目的。車(chē)輛人機(jī)布置以改善駕駛員的勞動(dòng)條件和車(chē)內(nèi)乘員的舒適性為核心，以人的安全、舒適、高效及健康為目標(biāo)，使整個(gè)系統(tǒng)總體性能達(dá)到最優(yōu)[3]。

人機(jī)工程設(shè)計(jì)的步驟為：

1）確定H點(diǎn)：選定設(shè)計(jì)用的百分位人體，根據(jù)加速踏板、地板及方向盤(pán)的位置選擇合適的人體坐姿以初步確定前排H點(diǎn)。根據(jù)車(chē)身空間，通過(guò)選定設(shè)計(jì)用百分位人體，初步確定后排H點(diǎn)及坐姿，同時(shí)校核后排頭部空間、腿部空間、膝部空間和腳背空間。

2）視野校核：根據(jù)H點(diǎn)及人體坐姿確定眼橢圓的尺寸位置及相關(guān)人機(jī)工程硬點(diǎn)，然后校核前方視野、后視野、風(fēng)擋玻璃刮刷面積、遮陽(yáng)板、內(nèi)外后視鏡及儀表板視野等。

3）操作舒適性校核：就是所有可操作部件都能被駕駛員方便舒適地操作，包括腳踏板、手伸及面、換擋、手剎、門(mén)內(nèi)板操作鍵、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋及行李箱蓋校核。

4）汽車(chē)的安全性分析：主要包括車(chē)內(nèi)外凸出物校核、汽車(chē)安全帶布置校核、汽車(chē)安全氣囊的布置及上下車(chē)的方便性校核等。

5 某改款車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)代表性布置及校核

總布置是實(shí)現(xiàn)各種屬性需求的最優(yōu)方案解決者，文章結(jié)合某改款車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)的人機(jī)總布置實(shí)例，介紹了人機(jī)總布置在整車(chē)開(kāi)發(fā)中的一些應(yīng)用。

5.1 駕駛姿態(tài)布置

駕駛姿態(tài)需要滿(mǎn)足人體各關(guān)節(jié)舒適度的要求，應(yīng)考慮的因素為：R點(diǎn)、H點(diǎn)、座椅滑軌行程、方向盤(pán)、踏板及換擋操作桿等。

將95%的假人放置于競(jìng)爭(zhēng)車(chē)A的前排，50%的假人放置在后排。圖4示出競(jìng)爭(zhēng)車(chē)A后排腿部空間和前排膝部空間示意圖。經(jīng)測(cè)量，競(jìng)爭(zhēng)車(chē)A的后排空間不足，假人與前排座椅的間距為-24 mm，如圖4a所示。除了對(duì)于人體尺寸的要求外，儀表板至假人膝蓋中心點(diǎn)之間的最小距離還必須滿(mǎn)足碰撞的需求，最好控制在80 mm以上。為了增強(qiáng)駕駛員的舒適性，結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)車(chē)的對(duì)標(biāo)分析數(shù)據(jù)，最終將后排膝部空間優(yōu)化到15 mm。

圖4 競(jìng)爭(zhēng)車(chē)A后排腿部空間和前排膝部空間示意圖

5.2 操作件布置

操作件的布置需滿(mǎn)足的要求為：可視性（即相關(guān)部品要放在無(wú)視野障礙的區(qū)域，并不需要通過(guò)頭部或者軀干的移動(dòng)就可以看到）、可伸及性、常用操作裝置要便于操作、同一系統(tǒng)的操縱裝置應(yīng)該布置在一起、不論白天還是黑夜，對(duì)所有指定的駕駛者來(lái)說(shuō)，操縱裝置必須清晰可見(jiàn)。

通過(guò)實(shí)車(chē)以及數(shù)模對(duì)比，競(jìng)爭(zhēng)車(chē)B的手剎和杯托都存在問(wèn)題。由于杯托高度不足，將500 mL的礦泉水瓶放置在杯托位置時(shí)很難取出，且換擋手柄與中央面板間隙不足，水瓶取出時(shí)會(huì)與換擋手柄發(fā)生干涉。其次是手剎拉至最高位置時(shí)與中央扶手存在干涉，如圖5所示。

圖5 競(jìng)爭(zhēng)車(chē)B操作件的干涉問(wèn)題

5.3 進(jìn)出性

乘員上下車(chē)方便性的直接影響因素為車(chē)門(mén)的開(kāi)口形狀和位置，需要控制的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖6所示。圖6a中H30（R點(diǎn)至地板的垂直高度）及地板與門(mén)檻高度差都是衡量進(jìn)出性的重要參數(shù)；圖6b中的腳部移動(dòng)軌跡與門(mén)飾板前下方之間的間距也十分重要，若間距過(guò)小，進(jìn)出時(shí)門(mén)飾板會(huì)與腳發(fā)生干涉，不僅影響進(jìn)出性，還容易造成門(mén)飾板污染。

圖6 影響乘員進(jìn)出性的參數(shù)示意圖

由于改款車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)保持原地板不變，因此門(mén)飾板與腿部間距是進(jìn)出性的重要考核因素。進(jìn)行車(chē)型改款時(shí)，門(mén)飾板重新造型，地圖袋的大小和位置均發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)車(chē)A和B進(jìn)行測(cè)量，再反復(fù)檢討新造型的方案，以車(chē)內(nèi)乘員的舒適性和便利性為核心，最終確定了門(mén)飾板方案。通過(guò)檢討競(jìng)爭(zhēng)車(chē)A和B的門(mén)飾板最外側(cè)與座椅的間隙，為了提升競(jìng)爭(zhēng)力，滿(mǎn)足人機(jī)要求，對(duì)間距進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

除了車(chē)門(mén)飾板的影響外，A柱、頂篷及門(mén)檻高度都是影響進(jìn)出性的重要因素，所以需要在前期開(kāi)發(fā)階段，圍繞上述重要因素，研討其進(jìn)出性。圖7示出影響乘員進(jìn)出性的各尺寸說(shuō)明。A柱在橫向和縱向的尺寸都與進(jìn)出性有關(guān)，一般橫向尺寸控制在300 mm左右，R點(diǎn)與頂篷的縱向距離一般在780 mm，門(mén)檻與地毯的間距一般為110 mm，并且要控制好門(mén)檻外邊緣至H點(diǎn)的橫向距離，如果橫向距離過(guò)大，上下車(chē)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致門(mén)檻和小腿部位干涉。

圖7 影響乘員進(jìn)出性的各尺寸說(shuō)明

除此之外，人機(jī)總布置還應(yīng)該考慮按鍵及旋鈕等部件的操作，要求凸出量一般不大于9.2 mm，凹進(jìn)去的旋鈕一般與周邊空間的尺寸保持在15 mm以上（例如點(diǎn)煙器）。行李箱也是布置時(shí)的一個(gè)重要方面，尤其是開(kāi)口方向和寬度。

6 結(jié)論

文章并沒(méi)有系統(tǒng)性地詳細(xì)說(shuō)明總布置的開(kāi)發(fā)流程，而是結(jié)合項(xiàng)目，將發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及人機(jī)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析說(shuō)明，旨在明確汽車(chē)總布置在整車(chē)開(kāi)發(fā)中所起到的重要作用?？偛贾每赡艹杀据^高，所以必須提早考慮。在設(shè)計(jì)的最初階段，整車(chē)尺寸校核、人機(jī)工程分析以及DMU等軟件的使用都為總布置設(shè)計(jì)提供了必要的支持。而總布置工作又是一個(gè)系統(tǒng)工程，前期需要協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和造型等相關(guān)部門(mén)的關(guān)系。如何確保在整車(chē)性能的基礎(chǔ)上，整合各個(gè)部門(mén)的建議使得方案最佳化，都是總布置工程師需要解決的問(wèn)題。