（光学工程专业论文）微型轿车车身造型设计及其外部流场研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 f厂 近年来，我国经济持续高速增长，人民收入稳步提高，轿车正在逐步走 入普通人的家庭。随着我国加入w t d ，家庭拥有轿车将越来越普及。面对家 庭轿车如此广阔的发展前景，提高我国轿车设计水平和自主开发能力已成当 务之急。在这种形势下，本文针对微型轿车车身设计作了一些研究，以期能 有所帮助。 初步阐述了车身设计的基本要求和方法，并分别从车身造型、总体布置 和车 并对 用中，三维造型是必须解决的问题之一。目前，计算几何学已在c a d 软件中 应用得比较成熟，本文针对所选用的c a d 软件u g 对轿车车身三维造型的步 骤和方法进行了探讨，总结出了一些基本原则，并完成了微型轿车车身的三 维造型。 汽车空气动力特性与汽车节能、安全与排放密切相关，并对对汽车动力 性、经济性和操纵稳定性有真接影响，利用风洞进行试验并指导设计，不仅 耗时长，而且费用高。随着计算机技术的进步和湍流理论的深入研究和应用， 汽车空气动力学数值计算已成为研究汽车空气动力学问题的重要手段，但目 前还处在发展阶段，并不很成熟。本文使用a n s y s f l o t r a n 软件对微型轿车 外部流场进行了自由网格划分和数值流动模拟计算，并对计算结果进行了分 析，在数值流动模拟的实用化方面作了一些尝试。 【关键词】微型轿车车身设计c a d 三维造型流动数值模拟 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a e t o f1 a t ev e a r s ，w i t ht h er a p i di n c r e a s i n go ft h ec h i n e s ee c o n o m y a n ds t e a d yr is i n go ft h ep e o p l e si n c o m e ，c a ra r ee n t e r i n gf a m i l i e s s t e p _ b y s t e p a f t e rc h i n aj o i n i n gi nw t o ，c a r sw i l lb eo w n e db ym o r e a n dm o r ef a m i l i e s f a c i n gs u c haf l o u r i s h i n gp r o s p e c t ，w ee a g e rt o i m d r o v e t h ec a rd e s i g nl e v e l a n dt h er e s e a r c hc a p a b i l i t y o f o u r s e l v e s s os t u d va b o u tm i n i c a rb o d yd e s i g ni sc a r r i e do u ti nt h e t h e s j s t h eb a s i cm e t h o d sa n dr e q u i r e m e n t s a r ee x p a t i a t e d d e t a i l e d e x p l a i n is g i v e n i na s p e c t so fb o d ym o d e l i n g 、9 1 0 b a la r r a n g e m e n t a n dt h ec o n f i r m i n go ft h eb o d ys i z e a ls ot h e r ea r eag e n e r a l i z a t i o n a b o u tt h eb a s i ca p p r o a c h e so ft h eb o d yd e s i g na n dac o m p a r eb e t w e e n t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do ft h eb o d ya n dm o d e r nd e s i g nm o t h o do f t h eb o d y l o t so fc a d t e c h n o l o g i e s a r e a p p l i e dt ot h em o d e r n b o d y d e s i g n i n t h eu s eo fc a di nc a rb o d yd e s i g n ，t h ea p p l i c a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n g w a st h e p r o b l e m t h a th a v et ob e s o l v e d b a s e do nc a ds o f t w a r eu n i g r a p h i c s ，a p p r o a c h e sa n dm e t h o d s o ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gd e s i g nf o rc a ra r er e s e a r c h e da n dt h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fm i n i c a ra r ee s t a b l is h e d t h ea e r o d v n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fc a ri sc l o s e l vc o n c e r n e dw i t h e n e r g ys a v i n g 、d r i v i n gs a f e t ya n dw a s t eg a sd is c h a r g et h a ta f f e c t s d i r e c t l yp o w e rp e r f o r m a n c e 、e c o n o m i c a lp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o l l i n g s t a b i l i t y a sat r a d i t i o n a l m e t h o d ，m e a s u r e m e n tb yw i n dt u n n e lw i l l t a k el o n gt i m ea n dm o r ec o s t a 1 0 n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dt h e t h e o r y o ft u r b u l e n t f l o w ，t h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t h a tiss t i l li nd e v e l o p i n gs t a g e h a v eb e c a m ea i m p o r t a n t m e a s u r e r e s e a r c h i n g t h e a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r is t ico fa u t o m o b i l e f r e e g r i d d i n gp a r t i t i o n a n df l o w n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rm i n jc a rb o d vm o d e 】 a r ec a r r ie do u ta n d a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r is t i c sa r ec a l c u l a t e d f i n a l l y ， t h er e s u l t 武汉理工大学硕士学位论文 o ft h ec a l c u l a t i o nisd i s c u s s e di nt h et h e s jst h a tm a k e ss o m ea t t e m p t s j na s p e c to fp r a c t i c a l i t yo ft h ef l o wn u m e r i c a ls i i i l u l a t i o n 【k e yw o r d s 】 m i n i c a r b o d yd e s i g n c a d t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g f l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l i 武汉理丁凡学坝擘他论殳 第一章绪论 1 1 轿车车身的发展史 世界汽车工业已诞生了1 0 0 多年，纵观世界汽车工业的发展，可以看 出，现代汽车工业是沿着“底盘”一“发动机”一“车身”逐步发展完善过 来的。车身作为汽车上三大总成之一，已后来居上越来越处于主导地位，车 身工程己成为汽车工业中最年轻而又发展最迅速的一个分支。 汽车车身是由“没有马的马车”发展而来的。最初车身仿照马车，高约 2 7 米，随后车身上丌始加装挡风板、挡泥板和挡风玻璃。1 90 8 年， 福特公司生产了t 型福特汽车，成为大批量生产汽车的丌端，但t 型车身空 气阻力大，在当时只能简单地依靠加大发动机的功率来克服空气阻力。 l920 年，金属冶炼技术及薄钢板冲压成型、会属焊接等技术进一步 发展，于是出现了全钢车身。由于采用了新的结构和工艺，人们丌始注意车 身的造型，车身降低到1 3 一1 4 米，车宽逐渐增大，以适应高速转弯 的侧向稳定性。同时车身横截面由原来的方形变成了椭圆形，以减少空气阻 力。随后设计出呈流线型的车身，这便是甲壳虫型车身，但这种车型在横向 力作嗣下不稳定，因而乘坐舒适性较差。 本世纪中叶，人体工程学和流体力学的研究与运用，为创造舒适的、宽 敞的乘坐空间提供了理论依据，导致了船型车身的出现。它一改传统的设计 方法，把f j 翼予板和发动机罩，后翼子板和行李舱罩溶于一体，大灯和散热 器罩形成一个整体，车身两侧形成一个平滑的面，车室位于车的中部，整个 车身造型仿如几个长方体的几何形体拼成一个船形。船 髟车身设计上体现了 人体工程学中以人为主体的设计思想。由于船形车身使发动机自u 置，从而使 汽车重心相对盼移，而且加大了行李舱，使风压中一心位于汽车重心之后，从 而避免了甲壳虫形车身对横风不稳定的问题。出于船形车身尾部过分向后伸 出从而形成阶梯状，这样，当汽车高速行驶时会产生较强的空气涡流。 昭型车身后又转变为鱼型车身。鱼型车身保留了船型舒适性优点，并具 有较小的空气阻力，但出现了升力问题，高速行驶时出现严重的摇摆。 设计者们经过多种方案的筛选最终找到了一种楔形车身。这种车身整体 向前下方倾斜，车身后部陡然平直，并且通过在车身上加装各种扰流装置， 升力问题也得以解决。这种车身外形不但能有效地克服汽车升力等问题，而 且适用于高速行驶的汽车，就目前来看非常理想。( 图1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 权嚣 矗惫辜楚 玛车辫形中里蓐 辩黟 畴圆 们 空眄靛点夫瑚埘箍符车 v w 眦az 。0 寸麓彤 何蕊鳗塑 碱) ll p 艟 图11 轿车车身外形演变过程 1 2 车身设计方法的发展 车身在各个方面都与汽车上的其它总成大相径庭。在外形和结构上， 轿车车身壳体是由许多具有空间曲面外形的大型覆盖件所组成。对整车外形 来说，即要求其整体协调给人以美感，又必须保证必要的流线型以满足空气 动力学的要求。所以车身设计有其自有的一套工作方法。 设计车身时，首先想到的是如何处理各种曲率不同的复杂空间曲面， 涉及曲面的建模、编辑、裁剪及平滑连接过渡等问题。过去传统的设计过程 一般分为初步设计与准确技术设计两个过程，需经历1 ：5 小油泥模型、等尺 寸油泥模型及样车制造等阶段。其中还必须经过多次的模型和实车的风洞阻 力试验，工作极其繁琐艰辛，周期长达5 年甚至更长，同时存在开发成本高、 产品通用化系列化程度低和积累误差大等缺点。传统的车身设计方法可用图 1 2 表示。 随着计算机技术的迅猛发展，现代车身设计中越来越多地采用了计算机 辅助设计系统，车身c a d c a s 得到了广泛应用。如曲面造型能力很强的美国 计算机u g 软件系统，就为车身进行c a d c a e c a m 设计提供了极良好的基础。 现代车身设计方法如图1 3 所示。 绚丽多姿、异采纷呈、个性鲜明的车身，是二十世纪车身发展的趋势，这 符合人类对美学、对个性的追求。既然人类服装由统一的大批量生产朝按个 人身材、爱好的量体裁衣过渡；住房由干篇一律的结构和外形向按住户的 嗓 武汉理工大学硕士学位论文 要求来选择形式各异的造型进行建筑，那么滚滚的汽车更可以朝”我心中想要 匿区函 图i 2 传统的车身设计程序 的式样”制造，这才真正标志着百年的汽车技术趋于成熟，体现了汽车产品的 最终目的。车身本身是一种流动的建筑物，具有鲜明的时代性，不同年代的 汽车造型风格是迥然不同的从目前发展趋势看，用户在选购汽车时，从过 去的追求功能、性能、安全美观，逐步发展到追求个性化。车身造型的个性 化是对车身设计和制造的一次挑战，这意味着车身的大批量生产将成为过 去取而代之的将是多品种、小批量、个性化生产，以满足不同年龄、不同 阶层的用户追求个性化的要求。但传统的车身设计方法不仅周期长，而且效 率低，因此运用计算机进行辅助造型设计和加工是必由之路 c a d ，即计算机辅助设计，它一般是指用计算机系统来辅助产品或工程 设计的建立、分析、完善与优化的技术。应用c a d 技术，能够在很大程度上 提高工作效率，减轻人的脑力劳动与体力劳动，降低产品开发与生产成本， 并能提高工程技术人员的创造性。据统计，c a d 能使机械产品的设计周期 c 汉埋 。人学坝j 学位论j 【_ - - - - 一。一 ：产品行发规划 l ，- - j y = 晤匾莉历稠 匾甄亟夏圃 ! 室堑堂坚竺堡蜘 一甄聂。磊丽i 而一j 至垂玄夏噩蕉蛩岖五西矗国 一一 - 匦垂塑巫亟亟 晖爵菊乌匝! 幽13现代乍身设计程序 短6 j 8 0 ，工艺周期缩短8 0 9 0 ，降低基建费用指标1 0 2 5 ，改善 经技术指标1 0 2 j 。可见，c a d 技术能带来极大的经济效益。 发达国家的汽车工业早已将c a d c a e c a m 技术引入到汽车设计过程中。 欧美各大汽车制造公司改型换代约需4 8 个月，而日本只需3 0 个月，这很大 程度上归功于同本先进的c a d c a e c a m 技术。对汽车覆盖件c a d c a e c a m 系 统同本丰用公司于1 9 8 j 年基本研制成功，以后又进一步完善，于1 9 8 9 年 正式推出汽车覆盖件c a d c a m 系统，即d i ef a c e c a d 软件，后来又在m a z d a 等几家大汽车公司得到成功应用。欧共体于1 9 8 6 年进行了项名为 b r i t e e l j r m 一3 4 8 9 的研究计划，每年资助) t 发c a d c a e c a m 软件，并于1 9 9 2 年正式推出p a m s t a m p 商品化软件。美国福特汽车公司已有一套较完善的汽车 一计一一计一i一一i_1 票暮一 武汉理1 = 大学坝1 ，学位论卫 覆盖件c a d c a e c a m 软件，并规定一切设计方案必须经c a e 考核验证后方能 投产加工。 现代车身设计过程中已广泛使用了计算机辅助技术进行工艺设计和结 构设计，其链式结构如下：c a s ( 计算机辅助造型) c a d ( 计算机辅助设计) c a e ( 计算机辅助工程分析) c a t ( 计算机辅助测试) c a m ( 计算机辅助 制造) c a q ( 计算机辅助质量控制) 。此外，c a p ( 计算机辅助计划) 、c a p p ( 计算机辅助工艺设计) 、c i m s ( 计算机集成制造系统) 等技术也已广泛应 用于现代汽车设计中。现代车身设计方法能使设计者得到一个能进行快速评 价( 造型、结构等方面) 的模型，从而设计师能尝试大量的不同方案，大大 提高设计决策的效率和可信度，控制产品丌发中的资金投入，保证设计精度， 从而改善了整个产品的设计质量。 1 3 本文研究的内容及意义 近年来，我国的汽车工业发展很快，无论是在技术上还是在产量上都有 了很大的提高，初步形成了重、中、轻、轿、微全系列汽车发展格局，然而 我国的汽车设计水平与国外相比，仍有很大的差距。随着我国加入w t o ，汽 车工业将面临更为激烈的竞争，要在残酷的竞争中取得胜利，一要靠先进的 科学技术，二要大力缩短改型换代的周期，所以提高汽车的设计水平和自主 丌发能力是当务之急。 本文的主要研究内容如下： 首先，探讨了车身设计的基本要求和方法。 其次，用u g 软件建造车身外型模型，探索了车身的三维造型步骤和方 法。 最后，对建好的车身模型进行车身周围流场的流动数值模拟计算，对车身 外型与空气动力学的关系进行分析，在c f d 的实用化方面作一些有益的 研究。 第二章轿车车身设计的基本要求及方法 2 1 轿车车身设计的特点和基本要求 轿车车身的设计和制造直接受着诸多相关学科技术进步的影响，而轿车 本身又是一种大批量生产、工业化程度高的大众化产品，且品种繁多，市场 竞争激烈，所以轿车车身设计具有其自身的特点。轿车车身设计是新车型丌 发的主要内容，在车身设计过程中需要以市场要素作为正确选型的前提，以 满足车身结构强度要求、整车设计布置要求和车身空气动力学要求为条件， 综合使用人体工程学、空气动力学知识，设计出轻量、安全、舒适、高刚性、 高度智能化的适应时代特点的车身。 汽车造型设计是汽车设计中确定产品形象的过程，是汽车设计过程中的 一个重要组成部份。汽车造型设计是指汽车总布置和车身总布置基本确定之 后进一步使汽车获得具体形状和艺术面貌的过程，它包括外形设计和室内造 型设计。 汽车造型设计不是那种附属的简单美化工作( 例如在汽车制成之后才考 虑加上装饰物和喷上油漆) ，而是独特的综合创作。汽车是一件精致的艺术品， 是科学技术与艺术技巧高度融会交织的结晶。汽车的造型既包括结构、性能、 工艺等科学技术因素，也包含艺术因素和社会因素，需加以综合分析，权衡 各种因素的作用和影响。 汽车造型设计应满足下列要求： ( 1 ) 基本布置要求 汽车造型应符合整车的性能要求和总布置设计不与底盘各总成或部件发 生位置干涉或运动干涉，并合理有效的预留出发动机、变速箱及成员的空间。 ( 2 ) 使车身具有完美的艺术形象 艺术通过典型形象反映社会生活。汽车的艺术形象应具有社会和时代的 特色。我国汽车的艺术形象应表达出中国的社会精神面貌，反映我国先进的 科学技术与文化水平以及人民的气质，艺术形象应为广大人民所理解、所利 用，为群众所喜爱。 汽车的艺术形象，不仅表现在汽车本身的雕塑形体上，而且还表现在汽 武汉理工大学颁1 。学位论文 车上装置的诸如座椅、灯具、各种覆饰品、各种仪表、各种电器等许多部件 和零件上，需要运用美学法则和构图原理对它们进行巧妙的艺术加工。在汽 车造型设计过程中，还直接运用绘画、雕塑等艺术技巧。因此，爸种艺术意 识形态，各种艺术创作手法和技巧都会对汽车的艺术形象产生不同程度的影 响。造型设计师应努力探讨各种工业产品的造型特点，研究各种艺术创作方 法和技巧，作为借鉴，促进汽车造型设计。 ( 3 ) 使汽车具有良好的空气动力性能 当汽车以高速穿过空气时，气流就象一股强劲的飓风作用在车身上，对 汽车的行驶状念有很大影响。因此，使汽车外形具有良好的空气动力性能是 十分重要的。首先，必须使汽车选择合理的外形以便尽量减小空气阻力，这 不仅能改善汽车的动力性，而且还能提高汽车的燃料经济性。其次，还必须 使汽车具有良好的空气动力稳定性，因为良好的空气动力稳定性是汽车发挥 高速度而又保证行车安全的重要条件之一。在汽车造型设计过程中，必须对 汽车的整体形状以及各个细部反复推敲，制订出若干方案进行空气动力性能 试验对比，使造型臻于完善合理。 ( 4 ) 符合人体工程学的要求 一种汽车的设计必须是围绕人来进行的，使人在驾驶及乘坐时感到方 便、舒适、不易疲劳，这就是人机工程学的任务。 人机工程学是关于工作者的人工作效能的可能性、极限与他的工作条件 的科学。也就是描述塑造适宜于人的工作场所的科学。人机工程学的基本要 求是操纵方便，即人对操纵件的良好可及性。 人体尺寸决定了人体所占据的几何空间大小和人体的活动范围，是确定 车身室内有效空间和进行内饰布置的主要依掘。车身内饰御置设计中应以人 体尺d 的“百分位分布值”作为设计的尺寸依据，这是人体工程学的基本设 计原则之( 见图2 1 ) 。这里的“百分位”是指人体身高分布值的百分位， 即对于身高的某一百分位分布值，则表示身高小于此值的人数所占的百分率， 并将此身高分布值定义为对应于这一百分位的人体标准身高。一般以9 5 和 5 百分位的人体尺寸作为室内设计，确定座椅调节行程的上、下限尺寸基准。 以9 5 百分位的人体尺寸确定室内必须的有效空间；以5 和9 5 百分位的 人体尺寸来确定室内各部件的相对位置关系，而驾驶员座椅的调节行程应能 保证：当座椅调整至最前端时，能满足5 百分位的人体尺寸要求；当座椅 武汉理工人学f i ! j ! 士学位论义 调整至最后端时，能满足9 5 百分位的人体尺寸要求。以上柿置设计能满足 从5 到9 5 百分位之间的所有人的尺寸要求，即符合9 0 的使用对象。 作为试验研究的结果，在自由选择座椅、踏板和方向盘的位置及这 些参数的变化范围时，得到所谓驾驶员的舒适特性( 见图2 2 ) 。作为这些研 究的进一步成果，人对于脊椎骨区域的扭转角度，反应非常敏感。方向盘或 踏板的移动会导致脊椎骨的扭转，轿车设计师必须清楚，大部分轿车内人体 背部扭转角允许最大为3 。 满足人体尺寸萤求的室内布晋 武汉理t 人学坝1 1 学位论义 ( 5 ) 使汽车车身具有良好的工艺性 汽车车身由许多大型覆盖件构成。在汽车造型设计时，应充分考虑这些 零件的制造工艺，例如尽量减小拉延深度，减少冲压工序，简化冲模结构， 并使零件具有良好的装焊工艺性等等。造型设计师在塑造外形模型时应与工 艺师密切配合，做到互相深入了解和兼顾对方的要求，为设计完美的外形方 案共同努力。 ( 6 ) 应保证汽车良好的适用性 汽车造型设计必须保证汽车结构合理，保证乘坐安全舒适、操作方便， 视野良好等性能，既要避免迁就产品功能，忽视艺术的偏向，也要避免脱离 功能，严重损害功能的唯美偏向。造型设计师与结构设计师应密切配合，尽 力使完美的艺术形象体现在具体的车身结构上。 ( 7 ) 应考虑材料的装饰效果 汽车车身上采用种类繁多的材料：钢铁，有色金属，玻璃，纺织品，工 程塑料，橡胶，木材，纸、油漆。造型设计师必须深入了解各种材料的 性能，工艺方式，f 确选用，以表现其装饰效果。 室内造型设计的趋势是愈来愈广泛地采用软覆饰材料。近年来，聚氢酯， 聚氯乙烯、a b s 等工程塑料、各种合成纤维以及各种复合材料等新型材料 的普遍应用，既减轻重量，简化结构、安全舒适，又使汽车室内艺术面貌焕 然一新。 2 2 轿车车身总体布置设计 车身总布置属于汽车设计工作的一部分，它是在整车总布置的基础上进 行的。设计时，设计人员只有对整车的总体布置和整车概念具备了充分的了 解和认识，列能使得车身的总布置符合产品的性能和使用要求。 2 2 1 车身布置与底盘布置形式的关系 轿车发动机和传动系的布置，决定了动力装置及各总成相对于整车醣轴 的位置关系和所占据的空唰尺寸，直接对整车的轴萄分配、车身室内空阃和 武汉理 二人学颁l 学位论文 车身外形尺寸产生影响。一般轿车底盘有三种常见的布置型式( 见图2 3 ) ： 【a 1发动机前冒，后轮驱动( b ) 发z 力机前置，前4 驱动( c ) 发动 【后苜，j e 驱动 幽23二种常见的轿车底盘布置彤， ( 1 ) 发动机前置后轮驱动方式 发动机一般布置在前轴的上方，纵向布置。但根据其变速箱的布置位置 分为以下2 种： 1 ) 变速箱前置 这是一种传统的布置型式对整车的轴荷分配、操纵机构的布置有利， 由于具有较好的工艺继承性，可使产品成本降低。 但由于变速箱纵向地布置于发动机之后，其所占用的空间位置会影响到 武汉理t 人学硬j 。学位论史 车身室内驾驶员地板的平整性，在地扳布置设计中应尽量减小由此而产生的 室内凸包的形状及大小。 2 、变速箱后置 后悬采用独立悬架，使得后置的变速箱和主减速器正好布置在后排座椅 的下后方，其总成装置对室内空间的影响不大。这种柿置型式的整车轴荷分 配较前者更为理想；驾驶员处地板平整、宽敞、脚活动空间大；由于传动轴扭 矩减小，可减小传动轴直径，从而减小由于传动轴通过地板下方而在地板上 形成的通道凸包，改善室内空间，或者以此降低地板高度，使得整车高度降 低。 总之，6 h 置发动机后轮驱动的柿置型式，由于存在有贯穿车辆前后的传 动轴，破坏了车身室内的居住性，对轿车地板、座椅及人体的析i 置不利，不 适合于小型轿车或紧凑型轿车的车身布置；另外，由此增加了整车的质量，不 利于整车轻量化设计要求 ( 2 ) 发动机前置前轮驱动方式 这种布置型式按发动机的搭载方式可分为发动机纵向布黄于前轴之后、 发动机纵向布置于前轴之前和发动机横向布置于前轴之前。存在着直列和并 列2 种发动机和变速箱的位置关系。显然，其各种布置方式所占据的发动机 舱空间容积是不同的，决定着发动机的离地间隙、发动机舱的形状及尺寸和 发动机罩的高度。在布置上，发动机、传动系、转向机构、前悬架和车轮及 其跳动的空间位置关系更加密切、紧凑，而传动系的变速箱、主减速器合为 一体。 1 ) 发动机纵向布置于前轴之后 这种布置型式适合整车的轴荷分配要求，但会增加发动机舱的长度，使 得车身室内长度与总长之比较小，不利于室内居住性和整车造型。为加大室 内长度，必须将车室向后移，则会导致后排座椅趋于布置在后轴之上，不仅 振动增大，舒适性下降，而且后排座椅宽度和高度受后轮罩空间的影响大； 驾驶员处地板空间较小，且车身前围板中部有很大的向车室内凸起的凸包， 使得双脚活动不便，操纵踏板柿置紧凑；发动机接近空间受到限制，不利于 发动机的保养和维修。因此，这种布置型式同样不适合于小型轿车。 武汉耻工大学坝士学位论j 【： 2 ) 发动机纵向布置于前轴之前 采用这种布置型式，前轴有超负荷的趋势，总体布置中应加以重视。但 在同样的总长下，较前者车身室内空间宽敞，便于室内布置设计。 3 ) 发动机横向布置于前轴之前 此种布置形式较为常见。与发动机纵置相比，其前轴负荷和室内空间都 要优越。但车身总宽受发动机尺寸和前悬结构尺寸的影响较大，有增大车宽 的趋势。布置设计中应合理确定动力装置、转向机构等各装置的柿置位置， 正确选择悬架结构及设计尺寸，确定出车轮转向及跳动的空间大小。由了二横 置发动机布置在前轴之前，其后方空间宽敞，使得车身前围板的布置可前移， 从而扩大室内空间。 总之，发动机前置前轮驱动( f f 型式) 的布置型式，能够提高转向操纵的 稳定性：前轮可以获得足够的驱动力：由于省去了f r 型式的贯穿前后的传 动轴，对改善室内居住性，座椅布置及地板布置等均有利，能够实现地板布 置的进一步降低。从整车轻量化要求出发，是一种优先选择的方案。此外， 对于微型轿车、有后开车门轿车和旅行车等，从布置紧凑性要求和方便多用 途的角度出发，广泛采用发动机前置前轮驱动的构成方式。 ( 3 ) 发动机后置后轮驱动方式 这种布置型式由于其动力装置等总成位于车室之后，整车前部较软，撞 车时能产生大的变形以吸收碰撞能量，有利于提高撞车时的安全性。但对于 多用途性轿车，往往利用开设后门来方便运货时能装入大件物品和保证大的 载货容积，则不直采用这种布置型式。 1 ) 发动机纵置于后轴之后 后轴负荷变大，稳定性变坏。 2 ) 发动机横向布置于后轴之后 轴荷分配较前者得到改善，能进一步缩短车长，并且发动机的接近性好。 车身室内长度与车长之比较大，有利于微型轿车或超微型轿车的布置设计。 3 ) 发动机纵置于后轴之前 i 其轴荷分配得到进一步改善，有利于安装较大尺寸的发动机，并能提高 后轮的加速能力。但车身室内长度较小，一般只布置单排座椅和搁物空间， 多见于大功率运动轿车。 值得一提的是，奔驰a 级车的设计开辟了总布置新的篇章。奔驰a 级车 的总布置和传统的轿车完全不同，它的底板有两层，即所谓“央心式”。两层 之间安置轴、电池、油箱、排气管、发动机( 部分) 及变速箱等部件，发动机横 置，且朝前呈5 9 度倾斜布置。a 级车的这种布置方式，使它获得较大的客厢 空间，特别是极大地提高了对乘客的安全保护。传统汽车受碰撞时，驱动部 件有可能后移，它作为撞击能量的载体，会对乘客迅速造成伤害；而a 级车 则没有这种状况，受到碰撞时，驱动机组等仅在底板下移动，而承受巨大碰 撞能量的载体，是乘客脚下的上底板。而且车身发动机舱内原有很坚硬的部 件，如a b s 控制器等，可布置得不易对乘客造成伤害。这样，就极大地提高 了对车内乘客的保护。它与传统的轿车布置的比较示于图2 4 。 幽24奔驰a 级下( a ) 与传统轿7 = _ ( b ) 的布置形式 2 2 2 轿车车身外形尺寸的确定 轿车的基本尺寸受到轿车级别的限制，各种级别的轿车，其车身尺寸是 控制在一定范围内的，这与轴距的大小密切相关。一般轴距大，则乘坐空间 就大，室内布置就越宽敞、舒适，则车身外部尺寸也随之增大。 车身外形尺寸包括全长、全高、全宽、轴距、轮距、前悬、后悬、6 u 风 窗倾斜度、后胍窗倾斜度、接近角、离去角及最小离地间隙等。目前一般轿 车车身的主要尺寸关系见图2 5 。 轿车车身的外廓尺寸的确定主要从整车性能出发。全长长的汽车，纵向 稳定性好，室内容易布置，但通过性不好；全宽宽的汽车，操纵困难，迎风 武汉理工大学硕士学位论文 罨矽 t 毒等 l 一。 图25 轿军车身的主要尺寸关系 面积大，但弯道行驶性能好，室内宽敞；全高高的汽车，乘坐舒适，出入方 便，但增加了空气阻力，横向稳定性不好：轴距大，则座椅间距增大，提高 了乘坐舒适性，同时整车抗俯仰力矩和横摆力矩性能增强，但太大会给布置 机构带来困难；轮距增大，车身侧倾稳定性提高，改善室内宽度和造型效果， 但过大轮距会引起车身侧面甩泥现象。整车的长、宽、高、轮距及轴距之间 有一定的联系，相互制约，设计时必须综合考虑。一般满足下列要求： 1 4 0、e 宽 武汉理工大学硕士学位论文 全宽：全垦+ 1 9 5 6 0 n 1 1 i l 室内长度：掣墨+ 9 8 0 5 0 i m n 全宽= 兰竺+ 1 9 5 6 0 n 1 1 i l 室内长度= 等等+ 9 8 0 5 0 i m n j ) 5 4 墨挚粤s 6 2 轮距： 全宽+ 1 0 0 8 0 m m 芏长4 车身侧壁的倾斜度对上、下车的方便性有很大影响。当车门上、下槛边 缘之间的间距为1 0 0 一1 5 0 m m 时，人的上身只需稍许倾斜即可入座，不会感 到吃力，且这个间距也不会影响汽车的外观，增加车门厚度。 车身外廓尺寸与发动机、底盘、燃料箱、备胎等总成尺寸与位置直接相 关，因此车身外形尺寸的限制尺寸一般是由整车总布置给出的。外形尺寸的 设计原则是，在性能允许的条件下尽可能缩小外形尺寸，以达到节约能源、 资源，提高汽车通过性的目的。这也是现代轿车车身设计的一般趋势。 2 2 3 轿车客厢内部尺寸的确定 车身内部布置应以人为第一考虑因素，既要保证乘坐的安全性，又要考 虑舒适性，这里主要运用了人机工程学的研究成果。除了某些专用车( 如迎 宾车、学童车、幼儿车) 以外，一般车辆内部布置均可按成年人的人体尺寸 来考虑。但各地区成年人人体尺寸存在一定差异，要想适应所有乘坐者非常 车身内部布置应以人为第一考虑因素，既要保证乘坐的安全性，又要考虑舒 适性，这里主要运用了人机工程学的研究成果。除了某些专用车( 如迎宾车、 学童车、幼儿车) 以外，一般车辆内部布置均可按成年人的人体尺寸来考虑。 但各地区成年人人体尺寸存在一定差异，要想适应所有乘坐者非常困难，一 般都是以统计数据为基础来确定车身内部空间和操纵机构的布置以及驾驶员 与乘客座椅的尺寸和布置等参数。 在座椅的布置、高度以及座垫和靠背的倾角，车窗的尺寸、形状和布置， 立柱的结构，发动机罩和翼子板的形状等等尺寸确定以后，可以根据它们来 评价视野性、操纵性、乘坐姿势等的优劣。 视野是由仪表板上表面、发动机罩、前风窗支柱等所限定的前方视野， 从外后视镜中得到的侧后方视野，由后窗和内后视镜等得到的后方视野以及 由雨、雪天时刮水器擦拭的风窗面积、冬天的除霜面积等形成的汽车视野等 组成。确保良好的视野，不仅有利于安全驾驶，对成员保持愉快的心情也有 重要作用。升高座椅和减小座垫与靠背的倾角，布置驾驶员座椅接近汽车前 端、加大车窗( 主要是前风窗) ，降低窗台，减小风窗玻璃倾角并尽量使之靠近 驾驶员的眼睛，减薄立柱厚度并使其下端后移等，都可以在不同程度上改善 武汉理1 二大学坝i ：学位论立 视野性。 车门立柱的布置对上、下车的方便性有很大影响。在两门车身中，倾翻 驾驶员座椅的靠背时，将受到方向盘的限制，此时车门立柱的位置应保证后 座入座的最小通道尺寸。在四门车身中，当车门立柱直立时，前、后座入座 都会感到很别扭，如果将门立柱适当倾斜，则可大大改善入座的方便性。 乘坐姿势是检查座椅尺寸和位置的重要项目。获得一个舒适的乘坐姿势， 并保持长时间的行驶乘坐而不容易产生疲劳至关重要，尤其是驾驶员的座椅 设计，必须综合考虑与仪表板、转向盘和其它与驾驶有关的部件的相对位置。 在使用安全带时，应确保不妨碍驾驶操纵。 为了检验车厢内部尺寸，可根据人体基本尺寸制作人体模型样板，用来 在1 ：1 的黑板图上或1 ：5 的车身布置图上检验各部尺寸布置情况。为了检验空 间尺寸，一般都要制作车身内部模型，由各种身材的人实际坐上体验，评价 室内布置的操纵性、头部空间、上下车方便性等性能。 2 2 4 油箱、备胎及消音器的布置 在轿车上油箱和备胎的布置对车身的有效容积和汽车的轴荷分配都有很 大的影响。为保证安全起见，油箱不应布置在发动机舱内，备胎则可根据需 要任意布置。油箱和备胎往往同时布置在行李舱内。当备胎布置在行李舱内 时，应保证在装满行李的情况下仍能便于取出备胎。因此，常将备胎紧贴侧 壁或后壁垂直放置。但此时要求行李舱侧壁的高度必须大于车轮直径。普通 级和中级轿车由于受外形尺寸所限，在车身内难于获得最大可能的有效容积。 在进行车身总布置设计时就必须“见缝插针”，尽量利用一切可能利用上的空 间来安置行李。为了避免地板过热，地板和消音器之问应留有足够间隙( 至 少5 0 f n j n ) ，同时为了预防振动，消音器的固定支承应布置在振动中心，尽量 靠近刚性横粱。 2 3 车身造型设计的基本方法 2 3 1 曲面造型方法的发展 汽车车身是由一系列复杂的空问自由曲面构成，在现代车身设计中所使 用的c a d 软件的发展与曲面造型技术的发展息息相关。1 9 6 3 年美国波音飞 机公司的f e 唱u s o n 首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，并引入参 汉世丁人学坝i 学位论艾 数三次曲线。从此曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。】9 6 4 年美国麻省理工学院的c o o n s 发表了一种具有一般性的曲面描述方法，给定 围成封闭曲线的四条边界就可定义块曲面。但这种方法存在形状控制与连 接问题。1 9 7 1 年法国雷诺汽车公司的b e z i e r 提出种由控制多边形设计曲线 的新方法。这种方法不仅简单易用，而且漂亮地解决了整体形状控制问题， 把曲线曲面的设计向前推进了大步，为曲面造型的进一步发展奠定了坚实 的基础。但b e z i e r 方法仍存在连接问题和局部修改问题。到1 9 7 2 年，d e b o o r 总结、给出了关于b 样条的一套标准算法，1 9 7 4 年g o r d o n 和硒e s e n f e l d 又 把b 样条理论应用于形状描述，最终提出了b 掸条方法。这种方法继承了 b e z i e r 方法的一切优点，克服了b e z i e r 方法存在的缺点，较成功地解决了局 部控制问题，又轻而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题，从而使自 出型曲线曲面形状的描述问题得到较好解决。但随着生产的发展，b 样条方 法显示出明显不足秦不能精确表示圆锥截线及初等解析曲面，这就造成了产 品几何定义的不唯一，使曲线曲面没有统一的数学描述形式，容易造成生产 管理混乱。为了满足工业界进一步的要求，1 9 7 5 年美国s y r a c u s e 大学的 v e r s 硼l l e 首次提出有理b 样条方法。后来由于p i e g l 和t i l j e r 等人的功绩，终 于使非均匀有理b 样条( n u r b s ) 方法成为现代曲面造型中最为广泛流行的技 术。 n u r b s 方法的突出优点是：可以精确地表示二次规则曲线曲面，从而能 用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面，因此，一个统一的数据库就能 存储这两类形状信息，而其它非有理方法无法做到这一点；具有可影响曲线 曲面形状的权因子，使形状更宜于控制和实现；n u r b s 方法是非有理b 样 条方法在四维空间的直接推广，多数非有理b 样条曲线曲面的性质及其相应 算法也适用于n u r b s 曲线曲面，便于继承和发展；计算稳定而且速度相对 较快，并有强有力的几何配套技术( 包括插入节点、细分、消去、升阶、分裂 等) ，能用于设计、分析与处理等各个环节。由于n u r b s 方法的这些突出优 点，国际标准化组织( i s o ) 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据交换的s t e p 国际标准，将n u r b s 方法作为定义工业产品几何形状的唯一数学描述方法， 从而使n u r b s 方法成为曲面造型技术发展趋势中最重要的基础。 2 。3 2 n u r b s 的基本概念 曲线曲面有多种表示方法，例如在二维的情况下，可以用y = f ( x ) 这样 的显式方程来表示一条平面曲线。对应每个x 有个确定的y ，一个显示 武汉删t 人学帧卜学位论史 方程不能表示封闭曲线或一个x 对应着多个y 值的曲线。隐式方程g ( x ，v 1 = o 表示曲线的缺点之一在于处理曲线往往需要求解方程的根。此外，用标量函 数表示的曲线一般都不具备几何不变性，也就是说，曲线的形状可能随所选 取坐标系的不同而不同。 更为常用的方法是采用参数形式，空间曲线的一种简洁记法是：p ：p ( u ) 。 空间曲线上的任点p 被表示为某一参数u 的函数。而对于空间曲面则可相 应地表示为p 2 p 沁v ) 。空间曲面上的任点p 被表示为参数u 和v 的函数。 曲面的范围常用两个参数的变化区阳j 所表示的u 、v 参数平面上的一个矩形区 域u ，u “2 ，一v 、，2 给出。一般情况下，参数域内的点与曲面上的点构 成一一对应的关系( 见图2 6 ) 。 幽26 最小肋皿的参数方法 与非参数方法相比较，参数方法能够满足几何不变性的要求，易于计算 机描述、处理和计算曲线曲面，在实际中得到广泛应用，可以被认为是形状 数学描述的标准形式。 b 样条函数有多种等价的定义，这里只介绍作为标准算法的递推定义： 即2 ：瓠嚣q “ m 。姐卜嚣一小警嚣“ j + 一“f扎一“7 a t ( “) 的双下标中第下标i 表示j 芋号，第二下标k 表示次数。该递推 公式表示，若要确定第i 个k 次b 样条。( “) ，则需要用到“，“。，“。+ 】共 k + 2 个节点。我们称区问 “，“+ j 为。( “) 的支承区间。上述递推定义表明 一 i8 除了零次b 样条。以外，k 次b 样条_ v 。( “) 是由两个k - 1 次b 样条一，( “) 和。( “) 递推得到。其凸线性组合的系数的分母分别是两个k 一1 次b 样 条的支承区问的长度，分子分别是参数u 把第i 个k 次b 样条| v 。( “) 的支承 区间【“，“。+ ， 划分为两部分的长度。在重节点的情况下，递推公式中两个凸 线性组合系数可能出现分子分母都为零的情况，这时按规定该系数取为零。 此外，b 样条函数的形态与所选取节点“的情况足有关的，若采用等间 距( 支承区间长度相等) 来选取节点，则产生均匀b 样条，若节点之问间距不 等，则称为非均匀b 样条。一般来说，非均匀b 样条更适宜描述复杂多变的 曲线曲面变化规律。 b 样条函数的定义式中的第一式给出了零次b 样条。，其状如平台， 故又称为平台函数。一次b 样条“( “) 由两个零次b 样条。与。o 曲) 递 推得到，是它们的凸线性组合，可以得到： f ( “一“，) ( “一“，1若“，“ ( “) = ( 甜，+ ? 一甜) ( “。2 一“h 1 )若“川s 甜甜，+ 2 【 o 其它 其图形状如山形，故又称为山形函数。类似地可由两个一次b 样条。( “) 与，。) 递推得到二次b 样条m ，( ) 。 b 样条曲线方程可以表达为： p ( “) = d ，“( i ) f = o 其中，d ，( _ o ，l ) 为控制顶点，由控制顶点顺序连成的折线称为b 1 9 武汉理丁人学坝l j 学位论史 样条曲线的控制多边形。，。( “) ( f - 0 1 ， ) 为k 次b 样条基函数。 作为示例，图27 表示了由有关软件生成的b 样条曲线。给定了b 样条 曲线的次数n ( 对于图2