第6章浴火而生――汽车设计、试验与生产

汽车文化第6章浴火而生——汽车设计、试验与生产6.1汽车的设计要求对于汽车这样一种复杂的机械产品，其设计要求是多方面、多层次、互相关联、互相制约的。为了设计出市场竞争力强的汽车，设计人员除了不断创新，将各种新概念。新结构、新材料科学地结合进去外，更需要全面均衡地、有层次地处理各种不同的要求，务使整车的设计在技术、经济、艺术诸方面达到最佳折衷。汽车设计要求大体可归纳为功能性、工艺性、规范性、使用经济性、循环经济性、艺术性、和谐性等七个方面，现分述如下。6.1.1功能性功能性要求是为满足汽车用途而提出的性能要求，即第二章所述的动力性、经济性、机动性、安全性和舒适性。设计人员在确定性能的设计目标时，应根据国情、使用条件等规定优先次序。一般来说，后一种方式对用户可能更经济。随着汽车向个性化发展，满足用户的特殊功能要求将成为设计者需要考虑的一个重要问题。为此，汽车设计要具有更大的灵活性和变通性，以便在同一生产线上可以装配出定制要求不同的汽车。6.1.2工艺性汽车产品在设计时考虑到生产工艺的要求是一项十分重要的任务。一个好的设计不仅应使产品的性能优异，而且应使产品成本低，达到同类产品中最好的性能／价格比。这种产品结构设计时所考虑的制造、维修的可行性和经济性称为结构工艺性。除考虑机械加工工艺性外，设计者在设计汽车产品时，要充分考虑其装配工艺性。这包括按零件→合件→组件→部件→产品考虑装配单元的划分和装配次序，考虑正确的装配基准和装配空间，尽可能采用完全互换装配法和在不能采用上述方法时合理安排尺寸补偿环节，注意焊装、涂装、胶粘装配等工艺对产品设计的影响等。6.1.3规范性汽车设计要在有关标准和法规的指导下进行。除设计图纸的绘制与标注应按有关国家标准进行外，汽车设计还应遵守与汽车有关的一些标准与法规。中国汽车工业标准包括与国际基本通用的汽车标准和为宏观控制汽车产品性能和质量的标准，它包括国家标准、行业标准和企业标准。汽车标准又分为强制性标准和推荐性标准。强制性标准主要有：整车尺寸限制标准、汽车安全性标准、油耗限制标准、汽车排放物限制标准及噪声标准。为使我国汽车产品进入世界市场，设计时也应考虑到国际标准化组织汽车专业委员会(ISO/TC22)制订的一些标准和美国标准协会标准(ANSI)、美国汽车工程师学会(SAE)标准、日本工业标准(JIS)、日本汽车标准组织(JASO)标准、日本汽车车身工业协会标准(JABIA)、日本汽车轮胎标准(JATMA)、日本汽车用品工业协会标准(JARP)、日本蓄电池工业协会标准(SBA)以及欧洲经济委员会(ECE)、欧洲经济共同体(EEC)所制订的汽车法规。6.1.4使用经济性汽车的功能性要求中已有燃油经济性一项，而使用经济性是包括燃油经济性在内的更广泛的一项要求，它包括燃料、润滑油、轮胎、易损件等的消耗，还包括维修、保养等方面的费用开支。因此，要提高汽车的使用经济性，不仅需要在汽车设计中注意提高发动机的热效率、降低泵气和摩擦损失、减少附件的功率消耗、减少行驶阻力、降低机油消耗、减少轮胎磨损、注意汽车的轻量化等，而且需要减少维修和保养的工作量，提高汽车零部件的可靠性等。6.1.5循环经济性为了节省资源，减少给环境造成污染的各种废弃物，汽车部件所用材料的循环经济性（即可回收性）日益受到重视。一些对环境有害的材料己被限时停止使用，制动器摩擦片用的石棉、汽油添加剂四乙酸铅等，都已有了新的替代物。为电动汽车发展的高能镍镉电池，也因镉的毒性而从重点发展的项目中被剔除出来。6.1.6艺术性汽车既是代步工具，有实用价值，又是对产品的外观造型和内饰布置等十分讲究，具有艺术观赏价值的人类宠物。在车身设计中，艺术家的作用与工程师的作用同等重要。造型艺术家要使车型具有时代感、创新风格以及与环境的适配性。而在色彩的设计上，要考虑到包括社会倾向、时髦、爱好、安全、合理等要素，尤其是大众的审美观。在车内装饰方面，室内的美术设计要求与汽车的等级和用户群特点相一致，例如年轻人喜好的跑车需要轻快感的美术效果，而高级豪华车需要庄重感的美术效果。6.1.7和谐性汽车是由人来驾驶和乘坐的，是以人为核心并为人服务的交通工具。因此，其设计必须考虑人与车的和谐关系，即操纵要方便、乘坐要舒适。汽车设计是一门综合考虑人机工程、交通工程、制造工程、运营工程、管理工程的系统工程。6.2汽车的现代设计方法6.1汽车的设计要求6.1.1功能性6.1.2工艺性6.1.3规范性6.1.4使用经济性6.1.5循环经济性6.1.6艺术性6.1.7和谐性6.2汽车的现代设计方法6.2.1汽车的设计过程1.制订产品开发规划2.初步设计1)汽车总布置设计总布置设计(又称初步造型)，是将汽车各个总成及其所装载的人员或货物安排在恰当的位置，以保证各总成运转相互协调、乘坐舒适和装卸方便。为了保证汽车各部分合理的相互关系，需要定出许多重要的控制尺寸。在这个阶段，需要绘制汽车的总布置图，绘出发动机、底盘各总成、驾驶操作场所、乘员和货物的具体位置以及边界形状；也包括零部件的运动(如前轮转向与跳动)范围校核。经过汽车总布置设计，就可确定汽车的主要尺寸和基本形状。2)效果图效果图（图6-1）是表现汽车造型效果的图画。造型设计师根据总布置设计所定出的汽车尺寸和基本形状，就可勾画出汽车的具体形象。图6-1效果图3)制作缩小比例模型缩小比例模型（图6-2）是在构架上涂敷造型泥雕塑而成的。图6-2油泥模型4)召开选型讨论会3.技术设计1)确定汽车造型a.绘制胶带图；b.绘制1：1整车外形效果图；c.制作1：1外部模型；d.制作1：1内部模型；e.造型的审批。2)确定汽车结构图6-31：1内部模型（仪表台模型）6.2.2汽车设计理论与设计技术的发展汽车设计理论是指导汽车设计实践的，而汽车设计实践经验的长期积累和汽车生产技术的发展与进步，又使汽车设计理论得到不断的发展与提高。汽车设计技术是汽车设计的方法和手段，是汽车设计实践的软件与硬件。汽车设计理论涉及许多基础理论、专业基础理论及专业知识。例如：工程数学、工程力学、热力学与传热学、流体力学、空气动力学、振动理论、机械制图、机械原理、机械零件、工程材料、机械强度、电工学、工业电子学、电控与微机控制技术、液压技术、液力传动、汽车理论、发动机原理、汽车构造、车身美工与造型、汽车制造工艺、汽车维修等等。在近百年中，汽车设计技术也经历了由经验设计发展到以科学实验和技术分析为基础的设计阶段。电子计算机的出现和在工程设计中的推广应用，使汽车设计技术飞跃发展，设计过程完全改观。利用计算机及其外部设备进行产品设计的方法，统称为计算机辅助设计(CAD，ComputerAidedDesign)。随着计算机在汽车设计中的推广应用，一些近代的数学物理方法和基础理论方面的新成就，在汽车设计中也日益得到广泛应用。现代汽车设计，除传统的方法和计算机辅助设计方法外，还引进了最优化设计、可靠性设计、有限元分析、计算机模拟计算或仿真分析、模态分析等现代设计方法与分析手段，甚至还引进了雷达防撞、卫星导航、智能化电子仪表及显示系统等高新技术。6.2.3现代汽车设计方法1.有限元分析2.优化设计3.系统工程方法4.可靠性设计5.反求工程6.人机工程7.计算机辅助设计6.3汽车试验6.3.1汽车整车性能试验1.动力性能试验对常用的三个动力性能指标，即对汽车的最高车速、加速和爬坡性能进行实际试验。最高车速试验的目的是测定汽车所能达到的最高车速，我国规定的测试区间是1.6km试验路段的最后500m。加速试验一般包括起步到给定车速、高速挡或次高速挡，以及从给定初速加速到给定车速两项试验内容。加速试验一般包括起步加速和高速挡或次高速挡从给定初速加速到给定车速两项试验内容，试验通常用图6-4所示的非接触式汽车性能试验仪进行。图6-4非接触式汽车性能试验仪简图图6-5重庆力帆520轿车在进行性能测试爬坡试验包括最大爬坡度与爬长坡两项试验。最大爬坡度试验最好在坡度均匀、测量区间长20m以上的人造坡道上进行，如果人造坡道的坡度对所测车不合适(例如坡道过大或过小)，可采用增、减载荷或变换排挡的办法做试验，再折算出最大爬坡度；爬长坡试验主要用来检查汽车能否通过坡度为7％~10％、长10km以上的连续长坡，试验中不仅要记录爬坡过程中的换挡次数、各挡位使用时间和爬坡总时间，还要观察发动机冷却系统有无过热，供油系统有无气阻或渗漏等现象。图6-6和图6-7为奥迪轿车进行雪地爬坡试验的情形。图6-6奥迪轿车雪地爬坡试验（仰视）图6-7奥迪轿车雪地爬坡试验（俯视）2.燃料经济性试验通常做道路试验或做汽车测功器(亦即转鼓试验台)试验，后者能控制大部分的使用因素，重复性好，能模拟实际行驶的复杂情况，能采用各种测量油耗的方法，还能同时测量废气排放。图6-8汽车转鼓试验台3.制动性能试验汽车制动性能的优劣直接关系到汽车行驶的安全性，用制动效能和制动效能的稳定性评价。常进行制动距离试验、制动效能试验(测定制动踏板力和制动减速度关系曲线)、热衰退和恢复试验、浸水后制动效能衰退和恢复试验等。4.操纵稳定性试验试验类型较多，如用转弯制动试验评价汽车在弯道行驶制动时的行驶方向稳定性；用转向轻便性试验评价汽车的；转向力是否适度；用蛇形行驶试验来评价汽车转向时的随从性、收敛性、转向力大小、侧倾程度和避免事故的能力；用侧向风敏感性试验来考察汽车在侧向风情况下直线行驶状态的保持性；用抗侧翻试验考察汽车在为避免交通事故而急打方向盘时汽车是否有侧翻危险；用路面不平度敏感性试验来检查汽车高速行驶时承受路面干扰而保持直线行驶的能力；用汽车稳态回转试验确定汽车稳态转向特性等。图6-9侧倾试验5.平顺性试验平顺性主要是根据乘坐者的舒适程度来评价的，所以又叫做乘坐舒适性，其评价方法通常根据人体对震动的生理感受和保持货物的完整程度确定。典型的试验有汽车平顺性随机输入行驶试验和汽车平顺性单脉冲输入行驶试验，前者用以测定汽车在随机不平的路面上行驶时，其震动对乘员或货物的影响；后者用以评价汽车行驶中遇到大的凸起物或凹坑冲击震动时的平顺性。6.通过性试验一般在汽车试验场和专用路段上进行通过性试验。7.安全性试验图6-10汽车进行实车撞车试验的示意图图6-11a整车撞车试验图6-11b整车撞车试验（撞车后）6.3.2汽车零部件试验尽管汽车零部件种类繁多，其试验通常是性能、强度、耐久性等内容。发动机是汽车中最重要的总成，其性能试验主要有功率、怠速、空转特性、负荷特性、调速特性、起动、机械效率、多缸工作均匀性、排放和噪声等试验。对发动机的重要零部件(如曲轴、连杆、活塞等运动件和缸盖、缸体等固定件)应进行强度试验，整机和重要部件常需进行耐久性试验，重要部件的耐久性试验可在专门的试验台上进行，整机的耐久性试验则在发动机台架上进行。图6-12为常用的MTS零部件电液伺服试验台。图6-12MTS零部件电液伺服试验台a)MTS垂直十通道道路模拟机b)MTS轴向十通道道路模拟机图6-13MTS十通道道路模拟机在进行试验6.3.3汽车试验场1.汽车试验场的作用汽车试验场，亦称试车场，是重现汽车使用过程中遇到的各种道路条件和使用条件，进行汽车整车道路试验的场所，为满足汽车的试验要求，汽车试验场将实际存在的各种道路经过集中、浓缩、不失真地强化形成典型化的道路。汽车试验场的主要试验设施是集中修筑的各种试验道路，如高速环形跑道、高速直线跑道、可靠性强化试验路段、耐久性试验跑道、爬坡试验路以及特殊试验路段，如噪声试验路段、“比利时路”、搓板路、随机波形路、扭曲路、越野路、涉水路等。由于汽车试验在汽车开发过程中处于极为重要的地位，许多汽车企业都投入巨额资金修建大型的汽车综合试验场，例如通用汽车公司的密尔福德试验场、日本汽车研究所试验场、英国汽车工业研究协会(MIRA)试验场等。2.我国的汽车试验场海南汽车试验场始建于1958年,是我国第一个现代化湿热气候的汽车道路试验基地。试验场设在海南省五指山区琼海市加积镇，海拔670m,年平均温度23.9℃,年平均湿度85%，是对车辆进行湿热气候实验的理想场所。襄樊