汽車模型平臺的搭建和應(yīng)用

吳赫 肖佳奇 劉揚(yáng) 侯春

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

汽車在總布置設(shè)計階段，需要合理地分配各零部件總成的位置，確保其相互配合、協(xié)同工作，這就要求數(shù)據(jù)設(shè)計必須合理，使汽車在各種工況下都能正常工作，保證駕駛員和乘員乘坐舒適、操作便利。現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)設(shè)計完成后，除用計算機(jī)進(jìn)行虛擬仿真校核外，并沒有更直接可靠的數(shù)據(jù)校核手段，為避免人機(jī)工程布置在后期出現(xiàn)問題，利用汽車模型平臺開展人機(jī)校核具有重要意義。借鑒國內(nèi)外已有的研究成果，基于人機(jī)工程學(xué)的理論思想與方法，綜合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計制作等方面的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計并創(chuàng)造性地搭建了汽車模型平臺[1]，汽車模型平臺上的各個模塊目前已經(jīng)被模塊化，使用時只需針對不同的車型對需要調(diào)節(jié)的參數(shù)稍加修改即可。汽車模型平臺能夠在數(shù)據(jù)設(shè)計階段給設(shè)計師帶來實(shí)車的體驗(yàn)，用汽車模型平臺進(jìn)行評價和校核的方法能夠直接、快速和準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)計算機(jī)模擬仿真中忽略的問題，是目前最有效的校核手段，并且搭建汽車模型平臺的框架可以重復(fù)利用、投入小、速度快、效果好。

1 汽車模型平臺簡介

汽車模型平臺是將計算機(jī)中的三維設(shè)計數(shù)據(jù)實(shí)物化后的模型，是使用實(shí)車的零部件總成嚴(yán)格按照1∶1的比例搭建而成的模型平臺。整車的白車身是用不同規(guī)格的鋁型材搭建的基礎(chǔ)框架，零部件總成是按照設(shè)計師的設(shè)計圖紙將實(shí)體總成安裝到基礎(chǔ)框架上，并用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定，確保實(shí)體模型上的零部件總成位置與數(shù)據(jù)位置誤差在2 mm以內(nèi)。汽車模型平臺主要用于人機(jī)主觀評價和零部件總成的局部模型功能驗(yàn)證。圖1示出搭建完成的汽車模型平臺。

圖1 汽車模型平臺

2 汽車模型平臺的搭建

汽車模型平臺在搭建過程中，除了要用到不同規(guī)格的鋁型材、角連接器、標(biāo)準(zhǔn)件和需要標(biāo)定的零部件總成，還需要用到的儀器設(shè)備有水平儀、三坐標(biāo)測量儀、H點(diǎn)測量儀和計算機(jī)等，具體搭建過程，如圖2所示。

圖2 汽車模型平臺搭建流程

2.1 基礎(chǔ)框架搭建

汽車模型平臺基礎(chǔ)框架的主體用不同規(guī)格的鋁型材搭建，鋁型材主要有40 mm×40 mm，40 mm×80 mm和80 mm×80 mm 3種規(guī)格，在連接過程中，需要用水平儀確保底座部分的橫梁和縱梁水平，即底座搭建完成并靜置12 h后，再次用水平儀測量，通過增減墊片的方式確保底座水平，搭建立柱的過程中也要用水平儀保證立柱與底座垂直，搭建完成的基礎(chǔ)框架，如圖3所示。目前，汽車模型平臺的基礎(chǔ)框架已被模塊化，適用于各種車型的模擬。

圖3 模型平臺基礎(chǔ)框架

2.2 基準(zhǔn)平面確定

在基礎(chǔ)框架上定義X，Y，Z平面，它們相互垂直，且分別與整車坐標(biāo)系X，Y，Z平面平行[2]，其位置的選取應(yīng)盡量靠近H點(diǎn)位置，以方便數(shù)據(jù)采集，實(shí)際操作過程中，一般選取基礎(chǔ)框架左側(cè)A柱下段附近的平面，具體選擇情況，如圖3所示。

2.3 各零部件總成安裝

安裝零部件總成時，需要用直角連接器和標(biāo)準(zhǔn)件將總成固定在汽車模型平臺的基礎(chǔ)框架上，在安裝過程中，需要保證零部件的X，Y，Z 3個方向的位移和角度可以調(diào)節(jié)。目前，座椅、地板、踏板、轉(zhuǎn)向盤、擱腳板、換擋手柄、中央扶手、組合儀表及駐車制動手柄等零部件總成的連接方式也已實(shí)現(xiàn)模塊化，如果在搭建過程中出現(xiàn)小幅度的干涉情況，只需根據(jù)實(shí)際需求對連接結(jié)構(gòu)做小幅度修改即可。

2.4 零部件位置標(biāo)定

零部件總成的位置標(biāo)定需要用到三坐標(biāo)測量儀，具體標(biāo)定步驟如下：

1）采集平面特征，測出X，Y，Z 3個基準(zhǔn)平面，同時測出需要標(biāo)定的零部件總成的基本特征，由于座椅模塊搭建完成后，其調(diào)節(jié)十分耗時費(fèi)力，因此標(biāo)定工作先從座椅開始，用H點(diǎn)測量儀找到座椅的H點(diǎn)，然后用三坐標(biāo)測量儀采集H點(diǎn)位置；

2）繼續(xù)采集其他需要標(biāo)定的零部件總成的基本位置特征；

3）用計算機(jī)在CATIA軟件里讀出基準(zhǔn)平面和座椅H點(diǎn)的位置；

4）在三維設(shè)計數(shù)據(jù)中找到駕駛員座椅H點(diǎn)，并根據(jù)步驟3）中讀出的位置關(guān)系，作出X，Y，Z 3個基準(zhǔn)平面；

5）將三坐標(biāo)測量儀采集的數(shù)據(jù)通過X，Y，Z 3個基準(zhǔn)平面裝配到三維設(shè)計數(shù)據(jù)中，讀出實(shí)物模型中其他零部件的基本特征與三維設(shè)計數(shù)據(jù)在X，Y，Z 3個方向位移和角度的偏差；

6）根據(jù)此偏差，微調(diào)實(shí)物模型平臺上已搭建好的零部件總成位置；

7）再次測量標(biāo)定，重復(fù)2）～6）步驟，直到所有零部件總成標(biāo)定誤差在2 mm以內(nèi)，則標(biāo)定完成。

3 汽車模型平臺的應(yīng)用

汽車模型平臺目前主要用于汽車人機(jī)主觀評價和零部件總成的局部模型功能驗(yàn)證。

3.1 人機(jī)主觀評價

在整車設(shè)計階段，總布置設(shè)計師對每個零部件的位置都進(jìn)行嚴(yán)格的定義，確保在后期實(shí)車試制出來后，人機(jī)不出現(xiàn)較大的問題，這就要求設(shè)計師設(shè)計的數(shù)據(jù)非常合理，但是在現(xiàn)有的條件下，實(shí)車沒出來之前，設(shè)計師只能通過計算機(jī)仿真模擬來對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行校核[3]，該方法不夠全面，不夠直觀，屬于客觀的模擬，而汽車模型平臺恰巧可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)。

在進(jìn)行人機(jī)主觀評價方面的工作時，想要最合理地利用汽車模型平臺，設(shè)計師就需要組織專業(yè)的人機(jī)主觀評價人員，對人機(jī)設(shè)計方案進(jìn)行評價，評價人員越多越好，身高分布越廣泛越好，這樣可以得到大量的不同百分位身高的人對設(shè)計方案的主觀感受，這樣得出的評價結(jié)果具有很大的參考意義，可以幫助設(shè)計師修改設(shè)計方案。在評價過程中，要先說明評價的注意事項(xiàng)和評價過程，具體的評價內(nèi)容要由設(shè)計師來定，主要看設(shè)計師想驗(yàn)證什么，比如頭部空間、上下車方便性、踏板的位置關(guān)系、觸摸屏位置和角度、方向盤上下前后的調(diào)節(jié)范圍、視野、操作力及舒適性等，評價者根據(jù)設(shè)計師制作的評價表，針對評價項(xiàng)目，逐條感受和打分，最后將評價結(jié)果匯總起來，得出結(jié)論，用來指導(dǎo)修改設(shè)計方案，然后重新評價，直到得出讓所有評價人員都滿意的設(shè)計方案為止。人機(jī)汽車模型平臺能夠最直接、快速和全面地從主觀上給出乘坐感受，能夠更加合理地指導(dǎo)設(shè)計師修改設(shè)計方案，填補(bǔ)了項(xiàng)目初期對于人機(jī)尺寸設(shè)定和人機(jī)設(shè)計方案校核的空白，對于汽車設(shè)計手段的提高具有重大意義。

3.2 零部件總成的局部模型功能驗(yàn)證

一個汽車性能的好壞不僅僅只取決于所有零部件總成的用料，而各個零部件總成之間的相互配合也很重要，在實(shí)車上有很多小系統(tǒng)，要發(fā)揮好的性能就要確保每個小系統(tǒng)內(nèi)部所有零部件總成位置匹配合理，每個零部件的設(shè)計位置和角度會嚴(yán)重影響這個系統(tǒng)的功能和性能，進(jìn)而影響整車性能。比如空調(diào)除霜系統(tǒng)，想要達(dá)到滿意的除霜效果必須要設(shè)計好鼓風(fēng)機(jī)的功率，空調(diào)出風(fēng)口的大小、位置和角度，還有車門玻璃和風(fēng)擋玻璃的位置角度等，單純的計算機(jī)模擬并不能完全模擬出車上復(fù)雜的實(shí)際工況，因此，需要搭建空調(diào)系統(tǒng)的局部模型平臺才能夠準(zhǔn)確、全面、直接和快速地進(jìn)行實(shí)物模擬，幫助設(shè)計師修改設(shè)計方案，圖4示出搭建的空調(diào)除霜系統(tǒng)模型平臺。不僅局限于風(fēng)道系統(tǒng)，所有需要相互配合的零部件系統(tǒng)，都可以進(jìn)行模擬驗(yàn)證，通過驗(yàn)證不斷修改參數(shù)和位置，給汽車設(shè)計模擬校核以最大的支撐。

圖4 空調(diào)除霜系統(tǒng)模型

零部件總成的局部模型功能驗(yàn)證能夠節(jié)約成本，降低研發(fā)周期，提升設(shè)計質(zhì)量，對于汽車模塊化開發(fā)和整車性能開發(fā)具有重要意義。目前，汽車模型平臺已經(jīng)應(yīng)用在了某車型上，并且取得了很好的效果。

4 汽車模型平臺的開發(fā)

目前的汽車模型平臺主要用于驗(yàn)證設(shè)計師的設(shè)計方案，為了達(dá)到更好的驗(yàn)證效果，就必須保證設(shè)計師提供的實(shí)體零部件和設(shè)計師設(shè)計的零部件盡可能一致，因此除了借用件以外，其余零部件如果能夠引入比較成熟的3D打印技術(shù)，那么評價人員評價的時候，就會有親身體驗(yàn)實(shí)車的感覺，會使評價者給出的主觀評價結(jié)果更有說服力。

目前汽車設(shè)計參數(shù)的給出大都是通過對標(biāo)市面上銷量好的汽車完成的，包括人機(jī)數(shù)據(jù)也是通過對標(biāo)來確定的，都是從同級別的車型上通過對標(biāo)設(shè)計出來的方案，這樣設(shè)計的數(shù)據(jù)一旦在校核過程中發(fā)現(xiàn)不了問題，會對后期的整車開發(fā)造成不可逆的影響，因此，必須要有正向的設(shè)計方法，這樣才能避免許多意想不到的問題。設(shè)計的最終目的永遠(yuǎn)都是給顧客最舒適的駕駛感和乘坐體驗(yàn)，客觀對標(biāo)的數(shù)據(jù)只能作為參考，不能完全照搬，汽車模型平臺恰恰可以解決這一問題。

汽車模型平臺還有很大的創(chuàng)新和開發(fā)空間，不僅局限于驗(yàn)證設(shè)計方案，其實(shí)還可以幫助設(shè)計師進(jìn)行人機(jī)正向開發(fā)，由于搭建的汽車模型平臺上的零部件總成都是可以多向調(diào)節(jié)的，那么完全可以在已知的條件下設(shè)計其他未知的零部件位置和調(diào)節(jié)范圍，比如要開發(fā)一輛SUV，那么前期這輛車的定義就會給出車高、離地間隙、軸距和寬度等，這些參數(shù)都可以在汽車模型平臺中模擬出來，剩下不確定的參數(shù)，盡可能多地請人機(jī)主觀評價人員和設(shè)計師一起來參與確定，一起調(diào)節(jié)汽車模型平臺的過程就是正向設(shè)計開發(fā)的過程，當(dāng)所有零部件總成的位置都調(diào)節(jié)到大家認(rèn)為合理的位置時，用儀器將該模型的數(shù)據(jù)測量出來，那么就會得到合理的各個零部件總成的設(shè)計數(shù)據(jù)，后期經(jīng)過處理和驗(yàn)證之后完全可以放心地使用，這種設(shè)計方式完全開辟了一種新的汽車設(shè)計方法，對于縮短研發(fā)周期有重要意義，是未來汽車設(shè)計的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

目前搭建的汽車模型平臺主要用于汽車人機(jī)主觀評價和零部件總成的局部模型功能驗(yàn)證，通過設(shè)計師和專業(yè)評價人員對汽車模型平臺的評價和分析，得出結(jié)論，最后對設(shè)計方案提出修改意見，指導(dǎo)設(shè)計師如何修改設(shè)計數(shù)據(jù)。汽車模型平臺適用于所有車型和所有汽車內(nèi)部的系統(tǒng)模塊功能驗(yàn)證，它能夠模擬所有計算機(jī)設(shè)計的三維數(shù)據(jù)模型，是一個通用型的平臺，它可以根據(jù)需求隨意變換，因此對搭建人員的搭建經(jīng)驗(yàn)要求也較高。汽車模型平臺的創(chuàng)新應(yīng)用和開發(fā)將是今后重點(diǎn)發(fā)展的方向。