7.车辆设计开发技术的发展

第七章车辆设计开发技术的发展趋势虚拟设计绿色设计并行工程第一节概述人类自从发明汽车作为交通工具以来，已经过去100多年了。但汽车真正进入大的发展，是从一战后美国福特公司生产有壳汽车开始的，一直到现在的电控汽车、导航汽车。汽车和汽车工业可以说是现代科学技术的高度结晶，因此，汽车及汽车设计和汽车生产技术就成了一个国家现代科学技术发展水平的根本标志。世界各国也因此把汽车工业作为其经济发展的支柱产业，在这一行业中竞相角逐，展开了激烈的竞争。(1)汽车设计的方式①传统的汽车设计。为经典手工设计，即车身造型设计师根据提出的方案进行整车造型设计，并给出几种模型按照一定的比例制作出车型木模．然后交由行家评定，经反复修改后确定方案，接着进行汽车功能匹配设计，经反馈定型后．再接着进行内饰设计，同样经反馈定型后，进行馅车的试制和试验，论证修改后进行整车评价，最终定型。②计算机辅助设计。20世纪80年代以来，计算机技术、通讯技术和控制理论的飞速发展给汽车设计带来了非常大的变化，汽车设计进入了计算机辅助设计(CAD)阶段，即在汽车设计过程中，用计算机来代替人的某些工作，如车身造型设计师用计算机进行设计，汽车技术人员用计算机进行功能和内饰设计，在试制试验和整车评价过程中，都用计算机来进行辅助设计和实验。③计算机全程设计。是指在汽车设计过程中，由庞大的计算机网络系统来进行设计、实验和评价。这一方向是今后汽车设计的发展趋势。它可以大大提高汽车设计的性价比，使所设计的汽车极具竞争优势。(2)整车设计与开发技术过程汽车的整车设计是汽车产品设计开发中的一个重要过程，它包括整车总布置和整车结构、性能分析。①整车总布置设计。三维CAD在当今的汽车整车总布置中已被广泛应用。②整车结构与性能分析(CAE)。利用计算机进行整车结构和性能分析是现代汽车在整车设计开发过程今不可缺少的重要环节。(3)现代汽车设计的要求汽车设计是指一种汽车车型的开发和设计。它涵盖了从方案提出到模型设计、功能匹配、试制试验、评价修改，一百列入式投产前的全部过程。现代汽车的设计要求如下：①整体匹配。②艺术性设计。③人性化的要求。(4)现代汽车设计发展趋势：①汽车设计的新概念。汽车设计的发展趋势之一就是在新概念车出现后，现代汽车展现了新的造型思想以及在安全、舒适、油耗、环境等方面的技术进步，反映时代的精神。显示个性。②汽车设计全程无人化。汽车设计全程无人化是汽车设计今后的重点发展方向。③计算机技术的广泛应用。第二节虚拟现实设计一概述“虚拟现实”(VirtualReality简称：VR)是计算机相关技术中重要的课题，继多媒体技术之后，正日益引起汽车产业界开发设计部门的高度关注。这不仅因为它的概念、理论及其设备新颖，面且一经实现就表现出了强大的生命力，展示出极具应用前景的态势。发展计算机技术以适应人类在多维空间中的极强的形象思维能力；采用模拟人类的感知功能(视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等)的多种传感器技术转换客观数据促进入类处理数据的能力(多感知性能)等诸类技术已成为新的研究方向。虚拟现实技术以共特征：多感知件(Multi—Sensory)、交互性(Interaction——用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度)、自主性(Autonomy——虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度)、临场感(Immersion)而独树一帜.二虚拟现实的概念Virtual在中国译文出版社的新英汉字典中有两个注释：“虚的”、“有效的”。最初，这个词被计算机科学家用在软件运作上。如，“Virtualmemory”(虚拟内存)，意思是计算机运行的内存仿佛超过了实际存在的硬件限制。其后，Virtual在计算机领域的其他方面也有广泛的使用.如“虚拟工作站”、“虚拟环境”、“虚拟工厂”、“虚拟邮件”……等等。国际计算机界首次将虚拟现实用以下三种基本技术进行了概括：●三维计算机图形学技术；●采用多种功能传感器的交互式接口装置；●高清晰度显示装置。“虚拟现实”一词中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在的世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或极本无法实现的；“虚拟”一词是指用计算机生成的意思。（1）虚拟现实(VR)系统的结构从功能上讲，VR系统可以与外部现实世界不直接交互，即仟何操作不对外界产生直接作用。虚拟环境可以是任意虚构实际上不存在的世界。通常VR系统的结构如图5—8所示。(2)虚拟现实的编辑系统我们常用的编辑工具中，无论是编辑文章、图像或者处理数据的工具都是在Windows环境下采用菜单及图标来运行的。这其中应用了与VR相关的日趋成熟的技术：●实时三维图形生成与显示技术；●三维声音定位与合成技术；●传感器技术(视觉、触觉、力觉传感器等)；●识别定位技术(语音、二维景物、表情、手势等)；●环境建模技术(视觉建模、行为建模、CAD技术等)。自90年代起，虚拟制造技术研究受到学术界的重视。虚拟制造实际上可以看作CAD／CAE／CAM集成化发展的最高层次。三虚拟现实技术在汽车开发中的应用社会的不断发展对汽车商品生产的要求越来越高，以往的大批量生产方式已经难以满足人们对商品规格多样化日益增长的需求，取而代之的将是小批量多规格的生产方式。由于需要在同一个生产线上装配不同类型的商品，因此对设计和制造技术的灵活性(柔性)提出了很高的要求。虚拟现实技术的投人性和交互性可以很好的帮助产品的开发和设计。（1）汽车设计的概念验证设计和制造一个新的汽车模型是社会需求不断提出的任务。汽车外形的美观条件必须满足安全、人类工程程学、生产工艺、装配、维修等等方向的标准所以，设计过程要受到生产、时间以及经费等相互制约条件的限制。VR系统可以比传统的CAD技术更好的适应这种要求。上述各种条件可以集成在设计过程巾，并且可以减少用于验证设计概念所需的模型的个数。（2）空气动力学的研究——虚拟风洞虚拟风洞可以让用户看到模拟的空气流场，感到好像真的站在风洞里一样。虚拟风洞的目的是让设计师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域气流被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数字仿真是很难实现可视化的。操作时可以将一个汽车的CAD模型数据调入到该虚拟风洞进行性能分析。分析空气流的模式可以通过数据手套将轨迹追踪物注人到空气流中，该追踪物将随气流漂移，并将其运动轨迹显示给用户CAD数据手套可以将追踪物投向任意指定的位置，用户可以从任意视角观察。(3)布鲁诺·西蒙的成功实践法国雷诺(RENAULT)汽车公司设计部的汽车设计师们在造型上采用了崭新的可视化技术——虚拟现实技术。雷诺汽车公司曾对计算机图形学有着巨大的贡献。作为计算机造型基础的BEZIER曲线就是当时任雷诺机械制造部主任PIERREBEZIER于1966年发明的。现在BEZIER曲线已被广泛被用于复杂汽车车身的曲面设计中。第三节绿色设计（一）绿色汽车成为时尚但是汽车环保是一项综合而又复杂的工作，除了排放治理技术外，还包括设计时造材的选择，结构设计及工艺，强调降低材料用量，降低能耗、无毒副作用、不污染大气和水质，方便拆卸和分类，提高材料循环利用率，同时在生产、运输、管理、使用、维修、报废、回收等体现环保概念，此外还包括社会公益事业，使经济效益与生态效益达到完美统一。（二）、开发“绿色”汽车形势所迫在过去的100年，内燃汽车已发展到高度完善和精密阶段，全世界已拥有8亿辆汽车。但随着内燃汽车的发展，由于石油是不可再生的能源，也带来重大隐患一是资源逐步枯竭，二是环境污染严重，三是国家经济安全。全世界公认，新世纪汽车工业发展的方向是“绿色环保”汽车。（三）、“绿色”汽车新内涵“绿色”汽车不是绿颜色的汽车，而是环保型汽车的美称。它的基本内涵并非指一般意义的绿色汽车，而是开发无污染、健康、安全、不会破坏环境和生态、在特定的技术标准下生产出来的产品。它对汽车生产基地、汽车能源、汽车尾气的要求，对汽车从生产、销售到废品回收的整个过程的要求，以及对环境、生产技术、安全等方面的要求都有一定的国际标准。目前在国际上与“绿色”汽车相类似的名称有很多，如称之为“环保汽车”或“清洁汽车”等。虽然叫法不同，但实质上区别不大，都是要求生产健康无污染的汽车，这是一种既追求保护环境、提高汽车安全性，又容易被广大消费者接受的产品。发展“绿色”汽车，也是我们在可持续发展中找到的一条具有广阔前景的新路子。当今，“绿色”食品已成为全球共同追求的新目标和新潮流，同理，“绿色”汽车也将是未来市场的一太热点，谁拥有“绿色”汽车，谁就拥有占领汽车市场的主动权。（四）、“绿色”汽车的类型1:新型柴油车。柴油机的热效率高，和汽油机相比，可节省20％一25％油耗。但是，多年来，柴油机在许多用户脑海中有一些不好的印象，如噪声较大、尾气冒黑烟、提速缓慢、冷启动困难等。2:可变排量发动机。高级小轿车和载重汽车都需装用大功率的发动机。此种功率强大的发动机，在汽车加速及满负荷爬坡时十分必要。但是，当汽车在平路上等速运行时，并无必要采用此种耗油很大的大排量发动机。因此，设计人员研究开发了一种“可变排量”的发动机，即可按要求提供排量(使部分汽缸暂时不起作用)的发动机。3:混合动力驱动车。是在车辆上装有一套内燃机—发电机组以及一套蓄电池组。发电机组中所用内燃机(汽油机或柴油机)，较同类型的普通汽车上所闻发动机的功率小。这一较小功率的内燃机，系在最佳工况(热效率最高、尾气排放污染最小)的条件下作等速运转。4:燃料电池电动车。采用FCEV燃料电池。丰比汽车公司最新推出的RAV4以甲醇为燃料，通过燃料电池转换成电能驱动汽车行驶，由于燃料电他电动车对于节约能源、环境保护具有明显效果，因此将成为本世纪的主要车型.(五)、环保汽车备受关注目前内燃机技术仍为汽车动力主流的前提下，降低尾气排放是当今环保技术的核心。电喷发动机、三元催化等已是过时的技术，世界各大汽车公司出于社会环境、能源政策等因素的考虑，早已在积极开发科技含量更高、更先进的技术与产品。(六)、国内外“绿色”汽车产业态势国外20世纪90年代初，美国政府与企业加强合作，投人巨资与各大汽车公司开展复合动力电动汽车的研制。随后通用汽车公司开发出复合动力电动汽车。1997年．美国又开发了一种电动—喷气蜗轮复合动力大客车，并于2000年投放市场1996年，福特汽车公司开发出电动汽车，直接使用氢燃料作为动力欧洲近年来提出“明日汽车”的设想，力求使轿车实现100km耗油3L的目标，并制定了8个城市采用零排放、低污染车辆的规划。法国雷诺公司推出两种型号的复合动力电动汽车。日本日产公司推出电动汽车等。美国、日本、英国、德国等国家在电动汽车方面的发展已形成优势.国内在未来汽车贸易格局中，“绿色”汽车将是末来发展新趋势，也必将是未来市场的一大亮点，谁拥有“绿色”汽车，谁就拥有占领汽车市场的主动权。而在我国，自“七五”期间就开始进行电动车的开发研究，到“八五”期末，已经取得一定成。目前已有60余家单位推出样车，这些为我国汽车工业的发展带来了曙光。(七)、“绿色”汽车的发展趋势向环保、节能方向发展。向智能化、网络化方向发展。绿色制造成为目标。第四节并行工程对汽车这样一个大型的系统工程，经济界提出了各式各样的工程模式。1996年6月日本丰田汽车公司在北京向各国汽车界介绍了同时工程(SE:SimultaneousEngineering)的概念和实施成功的示例。长期以来，汽车开发过程基本上遵循着：“调查规划一车形设计一产品设计一试制评价一生产准备一生产一销售“分段衔接的结构。对于同时工程存在着以下的缺点：1．产品开发周期长。2．质量保障难度很大。3．不能适应市场急需，各方面的效益自然会降低。针对同时工程存在的缺点一些公司提出了并行工程(CE:ConcurrentEngineering)。世界某些著名的大公司提出了制造系统的新概念：并行工程(CE:ConcurrentEngineering)。并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的系统