正向開發過程中總布置設計經驗

尚偉 金賢鎮 陳鴻運

（北京現代汽車有限公司）

隨著汽車行業發展的日益成熟，總布置設計已成為整車開發過程中不可或缺的一部分。汽車性能的優劣不僅取決于汽車各部件的性能，而且在很大程度上取決于各部件的協調和配合，即總體布置；總體設計水平的高低對汽車的設計質量、使用性能和產品的生命力有著決定性的影響。尤其在整車設計階段，要根據總布置概念方案及設計輸入，編制詳細的總布置方案，總布置在工程設計和造型設計之間起協調作用，既要確保造型自由度，又要確保工程設計得以實現[1]。文章結合某電動車開發項目，分析了布置過程，得出經驗數值，明確了今后的努力方向。

1 總布置概況

汽車總布置可以用布置和人機界面來定義。“布置”概念性地定義了汽車內外部的幾何尺寸和所有大型零部件的位置；“人機界面”則是設計工作場所時使人與工作環境協調的一門科學，所以總布置開發的作用就是要保證幾何協調（位置空間、造型比例）、功能有序（制造性、維護性）和性能平衡。

總布置作為汽車設計的主線，在汽車的開發過程中扮演著總設計師的角色，是新車型開發的第1道工序，而新車型總體方案的確定是總布置設計的第1步。首先通過充分準備和綜合分析，選擇一個合理的整車方案，并經過一定的程序將其確定下來。方案確定后，進行準確布置和計算，并為各總成下一步開展的工作打好基礎、準備條件、提出要求并與各專業組協同完成全部的設計，共同實現整車的總目標。

2 總布置一般步驟和任務

汽車尤其是新車型的設計是根據社會對該車型的使用要求而提出的整車參數與性能指標進行計算的。需要從整車的總體設計開始，通過總體設計的分析與計算，將整車參數和性能指標分解為有關總成的參數和功能后，再進行總成和部件設計，進而進行局部設計與研究。

2.1 產品規劃

產品規劃階段的任務是選定設計目標，并制定設計工作方針及設計原則。主要包含：競爭車型對比分析研究、整車參數性能目標定義，以及根據所確定的尺寸和性能參數繪制總布置草圖。圖1示出汽車總布置外形尺寸輪廓圖。

圖1 汽車總布置外形尺寸輪廓圖

2.2 造型階段

造型部門依據總布置輸出的造型硬點（長、寬、高、軸距、輪距、前后懸、前后視野、前后擋傾角、通過性要求及內部空間等）進行造型概念草圖和效果圖設計，并經過總布置工程師及其他相關部門反復討論與分析以及領導決策，形成最終造型面數據及總布置設計圖（如圖2所示）。

圖2 某車型總布置設計圖

2.3 可行性分析階段

可行性分析階段包含典型斷面優化設計、主體方案性能分析與優化、工藝可行性分析以及法規可行性研究。對各部件進行合理布置和運動校核，整合汽車各系統和零部件，對整車性能進行控制，保證汽車主要性能指標的實現以及空間的集成和功能性。

2.4 詳細工程設計階段

根據工程可行性分析，進行三維結構設計，同步進行虛擬分析、虛擬試驗和虛擬制造同步工程分析，優化車身結構，使之滿足整車性能目標、國家法規和相關企業標準。協調好整車與總成之間的匹配關系，優化結構空間，滿足功能需求，配合總成完成布置設計，使整車的性能與可靠性達到設計要求。

2.5 設計驗證階段

設計驗證階段通過樣車制造、試驗驗證及小批量生產等過程對整車和各總成的功能性、裝配性以及人機交互進行驗證校核，如若發現問題及時向工程設計人員進行反饋，相關部門共同研討進行優化。其中優化的內容包括整車造型控制及技術改進，同時需要協調各系統的設計沖突，使整車布置更為合理可靠。

3 機艙總布置設計要求

按照區域布置分解來看，總布置可以分為發動機艙布置、下車體布置、乘員艙布置及行李箱布置4類。按照開展工作的步驟，首先需要確定整車主要參數，進而進行底盤和機艙的布置，位置關系確定后校核駕駛室內人機工程，最后進行整車的受力分析和計算[2]。

3.1 機艙總布置的重要性

作為整車設計的重要組成部分，機艙布置的合理性不僅關系到動力總成及附件是否能夠放入，同時還關系到整車性能的諸多方面，比如：整車的振動噪聲、可靠性、行人保護、碰撞安全、行車安全、整車質量、整車軸荷分配、整車的工效、美觀性及電氣元器件的使用壽命等。

3.2 某款電動車發動機艙的總布置優化

某純電動車在前期布置階段欠缺考慮，根據總布置需要遵循的原則，對其機艙布置進行優化。

3.2.1 機艙和管線的布置原則

主要以地板的變動最小為目標，盡量保證離地間隙的要求，需遵循如下原則：

1）布局美觀，保證機艙平整性，按照零部件的重要程度優先布置；

2）管線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）滿足工藝裝配性、液體加注和下線調整及檢測方便性要求；

4）管線應與固定件、運動件保持適當間隙；

5）滿足基礎保養和常規維修要求。

3.2.2 關鍵改善部件的布置方案

通過變更整車控制器（VCU）/DC-DC/高壓控制盒等專用部件的式樣及安裝位置，規范管線走向（例如將線束在電機側面相連變為線束在電機后部相連），調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管干涉以及線束凌亂等問題，提升了裝配工藝性，使機艙布局整齊美觀，如圖3所示。

圖3 某純電動車總布置優化示意圖

4 人機工程布置設計

人機工程是從人的生理和心理特點出發，研究人、機、環境相互關系和相互作用的規律，以達到優化的目的。車輛人機布置以改善駕駛員的勞動條件和車內乘員的舒適性為核心，以人的安全、舒適、高效及健康為目標，使整個系統總體性能達到最優[3]。

人機工程設計的步驟為：

1）確定H點：選定設計用的百分位人體，根據加速踏板、地板及方向盤的位置選擇合適的人體坐姿以初步確定前排H點。根據車身空間，通過選定設計用百分位人體，初步確定后排H點及坐姿，同時校核后排頭部空間、腿部空間、膝部空間和腳背空間。

2）視野校核：根據H點及人體坐姿確定眼橢圓的尺寸位置及相關人機工程硬點，然后校核前方視野、后視野、風擋玻璃刮刷面積、遮陽板、內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、門內板操作鍵、發動機蓋及行李箱蓋校核。

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

5 某改款車開發時代表性布置及校核

總布置是實現各種屬性需求的最優方案解決者，文章結合某改款車開發時的人機總布置實例，介紹了人機總布置在整車開發中的一些應用。

5.1 駕駛姿態布置

駕駛姿態需要滿足人體各關節舒適度的要求，應考慮的因素為：R點、H點、座椅滑軌行程、方向盤、踏板及換擋操作桿等。

將95%的假人放置于競爭車A的前排，50%的假人放置在后排。圖4示出競爭車A后排腿部空間和前排膝部空間示意圖。經測量，競爭車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。除了對于人體尺寸的要求外，儀表板至假人膝蓋中心點之間的最小距離還必須滿足碰撞的需求，最好控制在80 mm以上。為了增強駕駛員的舒適性，結合競爭車的對標分析數據，最終將后排膝部空間優化到15 mm。

圖4 競爭車A后排腿部空間和前排膝部空間示意圖

5.2 操作件布置

操作件的布置需滿足的要求為：可視性（即相關部品要放在無視野障礙的區域，并不需要通過頭部或者軀干的移動就可以看到）、可伸及性、常用操作裝置要便于操作、同一系統的操縱裝置應該布置在一起、不論白天還是黑夜，對所有指定的駕駛者來說，操縱裝置必須清晰可見。

通過實車以及數模對比，競爭車B的手剎和杯托都存在問題。由于杯托高度不足，將500 mL的礦泉水瓶放置在杯托位置時很難取出，且換擋手柄與中央面板間隙不足，水瓶取出時會與換擋手柄發生干涉。其次是手剎拉至最高位置時與中央扶手存在干涉，如圖5所示。

圖5 競爭車B操作件的干涉問題

5.3 進出性

乘員上下車方便性的直接影響因素為車門的開口形狀和位置，需要控制的關鍵點，如圖6所示。圖6a中H30（R點至地板的垂直高度）及地板與門檻高度差都是衡量進出性的重要參數；圖6b中的腳部移動軌跡與門飾板前下方之間的間距也十分重要，若間距過小，進出時門飾板會與腳發生干涉，不僅影響進出性，還容易造成門飾板污染。

圖6 影響乘員進出性的參數示意圖

由于改款車開發時保持原地板不變，因此門飾板與腿部間距是進出性的重要考核因素。進行車型改款時，門飾板重新造型，地圖袋的大小和位置均發生變化，通過對競爭車A和B進行測量，再反復檢討新造型的方案，以車內乘員的舒適性和便利性為核心，最終確定了門飾板方案。通過檢討競爭車A和B的門飾板最外側與座椅的間隙，為了提升競爭力，滿足人機要求，對間距進行了嚴格控制。

除了車門飾板的影響外，A柱、頂篷及門檻高度都是影響進出性的重要因素，所以需要在前期開發階段，圍繞上述重要因素，研討其進出性。圖7示出影響乘員進出性的各尺寸說明。A柱在橫向和縱向的尺寸都與進出性有關，一般橫向尺寸控制在300 mm左右，R點與頂篷的縱向距離一般在780 mm，門檻與地毯的間距一般為110 mm，并且要控制好門檻外邊緣至H點的橫向距離，如果橫向距離過大，上下車時，會導致門檻和小腿部位干涉。

圖7 影響乘員進出性的各尺寸說明

除此之外，人機總布置還應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，凹進去的旋鈕一般與周邊空間的尺寸保持在15 mm以上（例如點煙器）。行李箱也是布置時的一個重要方面，尤其是開口方向和寬度。

6 結論

文章并沒有系統性地詳細說明總布置的開發流程，而是結合項目，將發動機艙以及人機工程設計進行了簡單的分析說明，旨在明確汽車總布置在整車開發中所起到的重要作用。總布置可能成本較高，所以必須提早考慮。在設計的最初階段，整車尺寸校核、人機工程分析以及DMU等軟件的使用都為總布置設計提供了必要的支持。而總布置工作又是一個系統工程，前期需要協調設計和造型等相關部門的關系。如何確保在整車性能的基礎上，整合各個部門的建議使得方案最佳化，都是總布置工程師需要解決的問題。