乘用車(chē)參考樣車(chē)靜態(tài)參數(shù)的對(duì)標(biāo)分析

郭一鳴，汪建安

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程系，湖北 十堰442002；2.奇瑞汽車(chē)股份有限公司，安徽 蕪湖241009）

目前各汽車(chē)生產(chǎn)廠商不斷受到國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的激烈挑戰(zhàn)，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)的需求也更加成熟，市場(chǎng)準(zhǔn)入和法規(guī)要求也更加嚴(yán)格，在此前提下各汽車(chē)廠家只有不斷推出新車(chē)才有可能迅速占據(jù)市場(chǎng)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，從而獲得成功。由于汽車(chē)新產(chǎn)品的研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)、生產(chǎn)準(zhǔn)備等過(guò)程的費(fèi)用不斷提高，技術(shù)日趨精密和復(fù)雜，因此，無(wú)論是進(jìn)行產(chǎn)品的正向開(kāi)發(fā)還是逆向開(kāi)發(fā)，參考樣車(chē)對(duì)標(biāo)分析（benchmarking）都顯得非常的重要。Benchmarking對(duì)競(jìng)爭(zhēng)車(chē)輛采用的新工藝、新技術(shù)和新方法進(jìn)行研究，對(duì)比分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)并總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以確定新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供重要參考。

1 參考樣車(chē)對(duì)標(biāo)分析基本思路

1）參考樣車(chē)整車(chē)的關(guān)鍵硬點(diǎn)和基本尺寸測(cè)量，主要包括整車(chē)基本尺寸、通過(guò)性尺寸、內(nèi)部人機(jī)工程學(xué)尺寸、整車(chē)軸荷、整車(chē)姿態(tài)的基本測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)必須匯總成表，形成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，具體測(cè)量尺寸可參考SAE標(biāo)準(zhǔn)或整車(chē)廠自定的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，為新車(chē)型目標(biāo)設(shè)定和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

2）參考樣車(chē)整車(chē)和拆解分析的掃描和拍照，全面收集樣車(chē)的數(shù)據(jù)。整車(chē)掃描和拍照主要包括分析整車(chē)外部造型輪廓、內(nèi)飾表面、前艙和底盤(pán)基本布置；樣車(chē)拆解主要分析前艙、底盤(pán)、內(nèi)飾件等布置形式，對(duì)重要零部件的構(gòu)造、尺寸、功能、材料、重量、成本、安裝特點(diǎn)、工藝水平、可維修性、加注方便性等進(jìn)行研究。

3）參考樣車(chē)數(shù)據(jù)處理和逆向工程分析。將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)專業(yè)分析軟件處理成面，提取邊界線及主要尺寸，所有的處理數(shù)據(jù)要統(tǒng)一到一個(gè)整車(chē)坐標(biāo)下，最后逆向繪制參考樣車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖），進(jìn)行機(jī)械布置、人機(jī)工程學(xué)、典型斷面、法規(guī)校核等優(yōu)缺點(diǎn)研究分析工作。

4）參考樣車(chē)的試驗(yàn)分析，主要含主觀評(píng)價(jià)、整車(chē)AUDIT、操穩(wěn)評(píng)價(jià)、NVH、制動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性等試驗(yàn)，這項(xiàng)對(duì)標(biāo)分析工作必須依托強(qiáng)大的試驗(yàn)部門(mén)和專業(yè)的工程師才能完成。

5）參考樣車(chē)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。參照對(duì)樣車(chē)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的研究分析，建立整車(chē)基本尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、前艙底盤(pán)布置數(shù)據(jù)庫(kù)、整車(chē)性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2 整車(chē)靜態(tài)參數(shù)介紹

2.1 整車(chē)關(guān)鍵硬點(diǎn)

在設(shè)計(jì)或校核整車(chē)布置圖時(shí)，關(guān)鍵硬點(diǎn)的確定是其它布置分析的基礎(chǔ)。硬點(diǎn)的確定一般參考競(jìng)爭(zhēng)樣車(chē)和設(shè)計(jì)公司數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)內(nèi)容，在全面權(quán)衡考慮的基礎(chǔ)上不斷調(diào)整最終確定的。關(guān)鍵硬點(diǎn)主要包括尺寸硬點(diǎn)、輪廓硬點(diǎn)、性能硬點(diǎn)、布置安裝硬點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)硬點(diǎn)和法規(guī)硬點(diǎn)等，例如輪胎型號(hào)、前后輪輪心坐標(biāo)、 前后排H點(diǎn) （Hip point） 坐標(biāo)、C（Cowl point）點(diǎn)、D（Duck point）點(diǎn)、踏板中心坐標(biāo)（尤其加速踏板的參考點(diǎn)）、方向盤(pán)中心點(diǎn)、換擋手柄空位時(shí)上端坐標(biāo)點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后端面中心坐標(biāo)點(diǎn)等。

2.2 整車(chē)關(guān)鍵尺寸

整車(chē)尺寸包括內(nèi)部尺寸和外部尺寸。內(nèi)部尺寸包括長(zhǎng)度尺寸、寬度尺寸、高度尺寸、角度尺寸和踏板組尺寸；外部尺寸包括長(zhǎng)度尺寸、寬度尺寸、高度尺寸和角度尺寸。每個(gè)尺寸給定1個(gè)代碼，SAE標(biāo)準(zhǔn)中該代碼由尺寸類型、數(shù)字和后綴部分組成，如L101代表軸距，H61－1代表第1排的人體頭部空間。

3 靜態(tài)參數(shù)測(cè)量

靜態(tài)參數(shù)測(cè)量包括整車(chē)姿態(tài)測(cè)量、樣車(chē)靜態(tài)基本尺寸測(cè)量、離地間隙及軸荷測(cè)量和點(diǎn)云掃描，在此僅以整車(chē)姿態(tài)的測(cè)量為例加以說(shuō)明。

測(cè)量所用的主要設(shè)備為樣車(chē)、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、假人模型、標(biāo)準(zhǔn)配重塊、鉛垂線、標(biāo)簽紙、游標(biāo)卡尺和胎壓計(jì)。

測(cè)量步驟如下：

1）了解樣車(chē)的基本參數(shù)、技術(shù)狀態(tài)，收集樣車(chē)技術(shù)參數(shù)，明確測(cè)量目的；

2）檢查測(cè)量設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)、精度是否滿足要求，檢查加載物的重量與數(shù)量是否滿足要求，檢查所需設(shè)備是否齊全；

3）檢查樣車(chē)工作狀態(tài)，車(chē)內(nèi)載荷是否達(dá)到要求，油箱燃油、冷卻液等是否滿足要求，輪胎氣壓等調(diào)整到要求狀態(tài)；

4）將車(chē)輛平穩(wěn)的?？吭谌鴺?biāo)測(cè)量?jī)x平臺(tái)上，以前后輪心與左右導(dǎo)軌為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡量保證車(chē)輛左右對(duì)稱；

5）在各車(chē)輪輪心和輪罩處（為方便探頭測(cè)量，一般可輪心正上方距輪罩邊緣2 cm處）貼標(biāo)記點(diǎn)，要求左右高度盡量對(duì)稱；

6）測(cè)量整備狀態(tài)各點(diǎn)高度，并記錄數(shù)值：測(cè)量數(shù)據(jù)盡量保證2次以上，如果2次測(cè)量數(shù)據(jù)相差3mm以上應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)重新標(biāo)定測(cè)量；

7）按表1依次加載，測(cè)量各個(gè)狀態(tài)左右車(chē)身點(diǎn)和輪心點(diǎn)數(shù)據(jù)直到滿載；

8）一般由2個(gè)設(shè)計(jì)小組分別完成所有測(cè)量數(shù)據(jù)，以對(duì)比分析、檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 加載方案

4 樣車(chē)整車(chē)分析

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

4.1.1 整車(chē)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理

數(shù)學(xué)模型上是將車(chē)身固定處于近似水平狀態(tài)，通過(guò)變化車(chē)輪上下跳動(dòng)位置來(lái)反映懸架行程。而具體的測(cè)量過(guò)程是將輪胎近似固定，懸架行程是體現(xiàn)在車(chē)身上下位置的變化。測(cè)量與數(shù)模區(qū)別在于固定的部件不同，但是相對(duì)關(guān)系相同。

各個(gè)狀態(tài)輪眉變化：

各個(gè)狀態(tài)輪心變化：

懸架行程：

其中Zi為輪眉坐標(biāo)，Zci為對(duì)應(yīng)的輪心坐標(biāo)。

4.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在參考樣車(chē)選定區(qū)域貼上圓形識(shí)別點(diǎn)、正方形和十字形識(shí)別塊、識(shí)別基準(zhǔn)線，通過(guò)相機(jī)在選定區(qū)域拍攝，利用計(jì)算機(jī)專用軟件將拍到的圖片處理后形成由識(shí)別點(diǎn)組成的的框架點(diǎn)，如圖1所示。然后利用掃描儀對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行分塊掃描，掃描獲得的所有分塊點(diǎn)云由專用軟件計(jì)算分析，依次把外輪廓、內(nèi)飾表面、前艙和底盤(pán)布置等外型面所掃點(diǎn)云外型面通過(guò)定位點(diǎn)與框架點(diǎn)相對(duì)應(yīng)匹配，最后進(jìn)行對(duì)位分析和數(shù)據(jù)校對(duì)并統(tǒng)一整車(chē)坐標(biāo)，組成完整的整車(chē)外形點(diǎn)云，最后利用逆向分析軟件生成曲面，如圖2所示，并提取整車(chē)和主要零部件的邊界線、尺寸數(shù)據(jù)。

圖1 合成的整車(chē)框架點(diǎn)

圖2 整車(chē)外形點(diǎn)云和處理后的外曲面

4.2 機(jī)械布置分析

機(jī)械布置分析包括前艙、底盤(pán)、艙內(nèi)座椅和操作件布置等，這里以人體布置來(lái)說(shuō)明其分析方法。

1）汽車(chē)座椅H點(diǎn)

汽車(chē)座椅H點(diǎn)是指二維或三維人體模型樣板中人體軀干與大腿的連接點(diǎn)，即胯點(diǎn)（根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同H點(diǎn)的表達(dá)也有所不同設(shè)計(jì)H點(diǎn)，如Design H－point和 Actual H－point），H 點(diǎn)決定了駕駛員的舒適性、操縱性、安全性和視野性，表述了駕駛員在駕駛過(guò)程中的各種性能和駕駛室環(huán)境間的關(guān)系。此裝置應(yīng)選用圖3所示的適當(dāng)腿長(zhǎng)數(shù)據(jù)（根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇適當(dāng)百分位假人），并安裝在制造廠規(guī)定的座椅的正常駕駛或乘坐姿勢(shì)時(shí)最后位置。汽車(chē)座椅H點(diǎn)由三維H點(diǎn)裝置上的H點(diǎn)標(biāo)記鈕測(cè)得。圖3所示三維H點(diǎn)裝置上的外側(cè)H點(diǎn)標(biāo)記鈕往中心偏離196.5 mm，即測(cè)得H點(diǎn)。

圖3 三維H點(diǎn)裝置的構(gòu)件尺寸和負(fù)荷分布

2）前排座椅軌跡的分析

根據(jù)座椅點(diǎn)云，校正最后最下H點(diǎn)的Y向數(shù)值,確定前排座椅最后最下H點(diǎn)。根據(jù)在不同狀態(tài)的座椅點(diǎn)云，初步分析H點(diǎn)的調(diào)節(jié)范圍。如果允許將座椅拆卸，可以對(duì)座椅的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行掃描。

3）駕駛員人體布置分析

初步處理油門(mén)踏板面、前地板面及最后最下H點(diǎn)，布置95%人體2D模版，如圖4所示。

采用SAE的步驟進(jìn)一步分析人體R點(diǎn)，R點(diǎn)是指座椅上的1個(gè)設(shè)計(jì)參考點(diǎn)，它是座椅制造廠規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)?？紤]到座椅的所有調(diào)節(jié)形式（水平垂直和傾斜），座椅參考點(diǎn)確定了在正常駕駛或乘坐時(shí)座椅的最后位置，它表征了當(dāng)95%人體模型按規(guī)定擺放在座椅上時(shí)，實(shí)際H點(diǎn)應(yīng)與座椅參考點(diǎn)相重合。通常在人機(jī)工程設(shè)計(jì)中采用50%、95%人體尺寸，5%的女性人體一般不采用，但需進(jìn)行人機(jī)校核。以獲得更加接近其設(shè)計(jì)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，采用SAE95%的布置曲線來(lái)獲取R點(diǎn)，如果座椅行程長(zhǎng)度不足95%曲線，則以最后最下點(diǎn)確定，如圖5所示。

圖4 前排人體布置

圖5 座椅行程與獲取R點(diǎn)

4.3 人機(jī)工程分析

人機(jī)工程分析主要包括駕駛空間的乘坐舒適性、人體坐姿、進(jìn)出便利性、乘坐空間、視野，各種操作件的尺寸和可視性、操作空間，儲(chǔ)物盒或擱架的尺寸或手的操作空間、取放便利性，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和后備箱蓋的開(kāi)啟方便性可觸及性分析，通過(guò)性分析等。完成上述人機(jī)工程學(xué)分析評(píng)價(jià)先要確定H點(diǎn)和處理各狀態(tài)地面線，僅以眼橢圓的確定為例。

1）眼橢圓的定義

汽車(chē)駕駛員眼橢圓是指不同身材的駕駛員按自己的意愿將座椅調(diào)整到適意位置，并以正常的駕駛姿勢(shì)入座后，他們的眼睛位置在車(chē)身坐標(biāo)系中的統(tǒng)計(jì)分布圖形，由于統(tǒng)計(jì)分布圖形呈橢圓狀，因此被稱為駕駛員眼橢圓。

2）眼橢圓樣板及其定位

眼橢圓樣板的尺寸與人體百分位及座椅水平調(diào)節(jié)行程（L23）有關(guān)，根據(jù)座椅水平調(diào)節(jié)行程的不同，將其分為2套，如表2所示。一套為L(zhǎng)23在1～133 mm時(shí)的眼橢圓，另一套為L(zhǎng)23大于133 mm時(shí)的眼橢圓。

表2 左右眼橢圓的軸線長(zhǎng)度尺寸列表

車(chē)身總布置中，在已知SgRP點(diǎn)（即R點(diǎn)；H點(diǎn)是理論上座椅調(diào)整到最后最下的R點(diǎn)）、座椅水平行程和座椅靠背角的條件下，便可唯一定位眼橢圓。眼橢圓的尺寸與座椅水平調(diào)節(jié)行程有關(guān)，而眼橢圓在車(chē)身坐標(biāo)系中的位置與座椅靠背角有關(guān)。A類車(chē)眼橢圓具體定位步驟如下：

a）依據(jù)圖6收集整理相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，參考以下公式可算出左右眼橢圓中心坐標(biāo)。

圖6 眼橢圓示意圖

其中：L1是PRP點(diǎn)（油門(mén)踏板參考點(diǎn)）坐標(biāo)的X值；L6是PRP點(diǎn)距方向盤(pán)中心點(diǎn)的X向距離；t取決于變速箱形式，自動(dòng)擋t=0，手動(dòng)擋t=1；H30是AHP點(diǎn) （腳踵點(diǎn)）距SgRP點(diǎn)的Z向距離；W20是SgRP點(diǎn)的Y向距離；H8是AHP點(diǎn)的Z向距離。

b）眼橢圓中心的位置確定后，將眼橢圓繞其短軸（Y軸）旋轉(zhuǎn)－12°，這樣就完成了駕駛員眼橢圓在整車(chē)坐標(biāo)系中的定位，如圖7所示為某參考樣車(chē)眼橢圓及前方視野校核示意圖。

圖7 某參考樣車(chē)眼橢圓及前方視野校核

4.4 法規(guī)校核分析

法規(guī)校核分析包括視野性分析、碰撞安全、行人保護(hù)、牌照板布置、燈具布置、安全帶固定點(diǎn)等，其中視野性又包括風(fēng)窗玻璃透明區(qū)、A柱雙目障礙角、駕駛員前方180°視野等。以分析A柱雙目障礙角為例。按圖7所示，在A柱上做2個(gè)水平截面。

1）A柱S1截面：從Pm點(diǎn)向前作與水平面向上成2°平面，過(guò)此平面與A柱相交的最前點(diǎn)作水平截面；

2）A柱S2截面：從Pm點(diǎn)向前作與水平面向下成5°的平面，過(guò)此平面與A柱相交的最前點(diǎn)作水平裁面。將S1、S2截面投影在P點(diǎn)所在的水平面內(nèi)，雙目障礙角在該平面內(nèi)測(cè)量，如圖8所示；

圖8 A柱水平截面示意圖

3）E1和E2的連接線繞P1旋轉(zhuǎn)，使E1至左A柱的S2截面外側(cè)的切線與E1、E2連線成直角，從E1向左A柱的S2截面外側(cè)作切線和從E2向左A柱S1截面內(nèi)側(cè)作切線，從E2點(diǎn)作前一切線平行線，與后一切線所成的平面視野角度即為駕駛員（左）側(cè)的A柱雙目障礙角。

法規(guī)要求每根A柱雙目障礙角不得超過(guò)6°；若兩柱相對(duì)汽車(chē)縱向鉛垂面是對(duì)稱的，則右柱不需要再測(cè)量。汽車(chē)不得有兩根以上的A柱。圖9所示為某參考樣車(chē)駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角，現(xiàn)測(cè)得左右角度值為3.10°和0.29°，均小于法規(guī)要求的6°，故滿足法規(guī)要求。

圖9 駕駛員側(cè)A柱雙目障礙角

5 整車(chē)基本尺寸工程圖

在完成上述參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、機(jī)械布置、人機(jī)分析、法規(guī)校核等工作的基礎(chǔ)上，對(duì)三維布置圖的線型、顏色、線寬等細(xì)節(jié)進(jìn)行最終調(diào)整完善；將三維圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖，依據(jù)乘用車(chē)尺寸代碼對(duì)轉(zhuǎn)化后的二維工程圖進(jìn)行相應(yīng)的尺寸標(biāo)注；對(duì)二維總布置圖進(jìn)行反復(fù)調(diào)整、仔細(xì)檢查，最終完成整車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖），如圖10所示。

6 總 結(jié)

結(jié)合參考樣車(chē)對(duì)標(biāo)分析基本思路，在對(duì)參考樣車(chē)進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，得到樣車(chē)的各種主要靜態(tài)參數(shù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，重點(diǎn)分析了人體布置、眼橢圓的確定以及A柱雙目障礙角的測(cè)量，最終完成了整車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖）。通過(guò)實(shí)車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了該分析思路的合理性，這對(duì)乘用車(chē)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與參考樣車(chē)分析有一定的指導(dǎo)意義。

圖10 整車(chē)基本尺寸工程圖（總布置圖）

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