基于人机工程学的轿车车身布置设计

车身工程车辆与交通工程学院基于人机工程学的乘用车车身布置设计乘用车车身布置的内容基于统计学的乘用车车身内部布置工具乘用车车室内部布置设计方法基于人机工程学的乘用车车身布置设计车身布置设计是概念设计的重要内容，是整车开发周期中至关重要的阶段。车身布置设计是否合理，将直接影响整车的使用性能。在车身布置设计的同时，造型设计也在进行；两者之间要相互协作、紧密沟通。车身布置定型以及造型的确定，标志着概念设计的完成。乘用车车身布置的内容车身布置设计是对车身内外形、发动机舱、行李箱、前后围、地板、车窗、内饰总成和部件（仪表板、座椅和操纵机构等）以及备胎、燃油箱和排气系统等，在满足整车布置和造型要求下进行尺寸控制和布局的过程；车身布置设计是在整车总布置统一要求下进行的，通常由整车总布置、车身、底盘、发动机、电气以及附属设备等部门的设计人员协同完成。乘用车车身布置的内容在整车总体布置阶段，应该明确产品开发的目标（面向的用户群、级别和豪华程度、销售地以及车型风格等）。通过对若干竞争车型进行对比分析(Benchmarking)，确定整车总体布置的基本概念和约束，包括：产品的总体定位、整车整备质量、轴荷分配、基本尺寸（总长、总宽、总高、轴距、轮距和前后悬大小）、乘员空间、车身布置的前期工作在整车总体布置阶段，应该明确产品开发的目标（面向的用户群、级别和豪华程度、销售地以及车型风格等）。通过对若干竞争车型进行对比分析（Benchmarking），确定整车总体布置的基本概念和约束，包括：（续）行李箱容积、整车基本构造（两厢式？三厢式？车门数、乘员数、座椅排数以及动力总成、传动系、制动系、转向系、前后悬架、前后桥、车轮和散热器等的轮廓尺寸）、发动机布置形式（前置？后置？）驱动方式（前轮驱动？后轮驱动？全轮驱动?）以及结构强度、刚度和整车的性能要求等内容。车身布置的前期工作某轿车总体布置的基本定义整车基本定义完成后，即进入车身布置设计阶段。此前，还要了解目标驾驶员群体的人体尺寸，以此作为车身布置设计的基本依据。车身布置设计是在整车总体布置的基础上进行的，必须满足整车的行驶和使用性能要求，主要体现在如下两个方面：1）轿车级别，主要以发动机排量为依据，同时考虑轴距和车身装备的豪华程度（通常分为基本型、舒适型和豪华型等）。不同级别的轿车，其车身尺寸和轴距大小控制在一定范围内。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容乘用车车身布置的内容大众公司和福特公司车辆级别的定义车身布置设计是在整车总体布置的基础上进行的，必须满足整车的行驶和使用性能要求，主要体现在如下两个方面：2）发动机和传动系的布置形式，以及各总成和部件的布置位置、空间尺寸等，决定整车的轴荷分配，影响整车动力性，操纵稳定性，安全性，整车长、宽、高，以及车身布置的位置和空间。因此，在车辆基本规划初期就必须决定采用何种形式。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（一）发动机布置形式和驱动方式发动机布置形式和驱动方式是决定车辆基本尺寸、设计、结构和性能的重要因素。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容常见的发动机布置形式和驱动方式发动机前置、后轮驱动（FR）发动机后置、后轮驱动（RR）发动机前置、前轮驱动（FF）车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容发动机前置、后轮驱动（FR）（一）发动机布置形式和驱动方式有利于车室内部和行李箱的布置；由于轴荷分配较好，且转向轮与驱动轮分开，所以动力性和操纵稳定性较好。但存在贯穿车辆前后的传动轴，地板中部出现凸包，对地板和座椅的布置不利，破坏了车身室内的居住性，且整车尺寸和重量较大，整车高度不容易降低，不适合于小型轿车和紧凑型轿车的车身布置。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容FR（发动机前置、后轮驱动）布置形式车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容发动机前置、前轮驱动（FF）（一）发动机布置形式和驱动方式也具有良好的转向操纵稳定性；与FR形式相比，由于省去了贯穿前后的传动轴，对改善车室内居住性、座椅和地板布置等均有利，能够实现较低的地板布置；前轮可以获得足够的驱动力，整车长度缩短，并有利于轻量化。此外，对于微型轿车、有后举升门轿车和旅行车等，从布置紧凑性要求和方便多用途的角度出发，现在广泛采用FF布置形式。就FF布置形式而言，还因发动机布置方向（纵置或横置）、发动机与变速器的位置关系等不同而有诸多不同的方案。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容FF（发动机前置、前轮驱动）布置形式车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容发动机后置、后轮驱动（RR）（一）发动机布置形式和驱动方式室内长度对全长的比率相当于FF型，但前悬短，后悬长，后轴负荷大，使操纵稳定性变坏（易发飘）；同时，后置发动机影响后排乘坐舒适性（振动、噪声大）。对于多用途轿车和要求开设后门者，不宜采用这种布置形式。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容RR（发动机后置、后轮驱动）布置形式（一）发动机布置形式和驱动方式从轿车的演变看，欧洲从20世纪中期开始，几乎都是排量为1.5L以下的小型车，将发动机、变速器紧凑地布置在后排座椅后面的RR车占大多数。在美国，以前一直生产大型车，主要是FR布置形式；后来，由于能源紧张而需要满足节能的要求，于是全面生产缩小尺寸的车辆。无论欧洲、美国或日本，目前FF车的比率都在增加。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置在概念设计初期，根据参考样车初步确定新车型的整车布置形式和框架。一旦发动机和底盘布置草图基本形成，底盘的关键尺寸，如长度（轴距、前悬、后悬）、宽度（轮距）和高度（轮胎尺寸、发动机离地高度）即可确定，就可以进行车身的详细布置了。首先是确定底架的地板线和轮罩形状。为了降低整车高度，希望地板线尽可能降低；但是离地间隙要求、发动机和传动系统等布置形式都将影响地板线的降低和平整。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置1.离地间隙要求及地板高度线的确定根据车辆行驶的道路情况以及各国道路或道路建筑法规（如汽车库的配置、停车界限和马路沿高度等），车辆设计时必须控制通过性指标。通过性指标包括离地间隙、接近角、离去角和纵向通过角。其中离地间隙包括前悬离地间隙、后悬离地间隙、地板离地间隙和油底壳离地间隙等。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置1.离地间隙要求及地板高度线的确定确定通过性指标需要考虑空载、设计载荷和满载三种载荷状态。满载是允许最大总质量时的载荷状态，用于定义所允许的后轴负载，它必须与汽车装载质量相对应。设计质量为空载质量和座位上乘客质量之和，对座位数不同的车型，座位上的乘客数目和位置要求见下表，每名乘客取68kg,再考虑每人在行李箱中放7kg行李。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置1.离地间隙要求及地板高度线的确定根据各载荷状态下车轮承受的垂直载荷可计算出车轮中心到地面的距离，据此画出三种载荷状态下的地面线。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置1.离地间隙要求及地板高度线的确定车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置1.离地间隙要求及地板高度线的确定车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置1.离地间隙要求及地板高度线的确定车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置1.离地间隙要求及地板高度线的确定确定离地间隙还应考虑地板布置形式、排气管离地间隙和动力传动装置的离地何隙；对于FR布置形式，还要考虑传动轴及主减速器的离地间隙和满足底部构件跳动的运动间隙等。离地间隙线由车身底部各段高度线概括而成，在设计时应对以上各项通过性要求一一计及。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计作前轮转向跳动图和后轮跳动图，可以确定前、后轮罩的空间大小及形状。车轮跳动图需要根据车轮跳动的极限位置和最大转向角来求作。车轮跳动的极限位置与悬架的结构形式、参数以及橡胶缓冲限位块的允许压缩量有关。车轮跳动过程亦可用Adams等动力学软件进行模拟。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计上图是根据前轮转向和跳动运动求取轮胎运动轨迹的包络面，其包络的空间便是车轮转向、跳动所必需的最小空间；在此基础上再考虑必要的间隙就可确定前轮轮罩形状和翼子板开口尺寸了。对于非转向轮，只须根据车轮的跳动情况来确定轮罩形状。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计轮罩表面形状不仅要包容车轮在跳动和转向过程中占据的空间，还要考虑悬架一车轮系统的装配误差、导向机构和各铰接点的弹性、轮胎旋转时离心力和汽车制动力引起的弹性变形，以及安装防滑链所需的空间等，有时还应考虑轮胎表面粘接杂物导致直径增大，以及使车轮能从轮罩中方便地取出等情况，因而应在车轮跳转包络面的基础上给出一个间隙空间，从而得到实际需要控制的轮罩表面。间隙的取值由汽车运用的具体区域条件、气候条件和公路状况等因素决定。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计间隙确定方法（数据仅供参考）：车轮间隙由两部分组成：基本间隙和设计间隙。车轮径向基本间隙和设计间隙见下表车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计间隙确定方法（数据仅供参考）：车轮间隙由两部分组成：基本间隙和设计间隙。车轮径向基本间隙和设计间隙见下表设计间隙在径向180位置时增加5mm是考虑制动时车身惯性前移的需要。侧向间隙由装配误差间隙、防滑链间隙（基本间隙）和设计间隙组成。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计国外有些公司为了确定给定轮胎的最小轮罩和翼子板开口形状，根据试验数据和经验制定了一系列最小间隙标准，应用方法如下：轮胎间隙线是根据一个类似半轴为er和ea的椭圆来确定的，车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计图中Wmax为轮胎横截面最大宽度车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计从椭圆中心出发作一系列射线，取中心到射线与椭圆交点的一段长度e，作为该射线方向上轮胎截面外的间隙量。随着车轮偏转角和上跳位置的不同，椭圆尺寸和形状（间隙参数er、ea）也不同，因此间隙值是变化的。下表列举了不同车轮位置时防滑链间隙椭圆参数er和ea的值。（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计在动态处于其他车轮位置时，er和ea值可由上表中的数据按下式计算：式中，h为车轮相对设计位置的极限上跳高度；hJ是上跳极限；β为车轮相对设计位置的偏转角；βT为偏转极限角；eDA为车轮位于设计位置时的er或ea值；eJA为车轮上跳至极限位置时的er或ea值；eDT为车轮位于极限偏转角时的er或ea值；eJT为车轮上跳又偏转至极限位置时的er或ea值。车身布置与整车布置的关系及车身布置的主要内容22)(1))1(())(11))(1((),(JTDATDTJTJATJThheehheehe（二）轮罩形状和地板布置2.轮罩空间形状设计由上式可见，当β一定，随着h加大，间隙呈二次曲线减小，而当h一定，随着车轮偏转角β的加大，间隙呈线性减小。因此，随着车轮位置的改变，er、ea在表中数据范围内有规律地变化。标准中还规定了一些其他间隙，例如，对于紧靠车轮易引起