重卡駕駛室設(shè)計(jì)思路與機(jī)制*

張永寧，林 琳，胡 睿，黃建國(guó)

（云南省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院//云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室//云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南昆明 650031）

0 引言

汽車(chē)駕駛室總成作為汽車(chē)重要零部件，是汽車(chē)的控制樞紐及指揮中心。其對(duì)安全、節(jié)能和環(huán)保等技術(shù)要求高。2012年，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量雙超1 900萬(wàn)輛，產(chǎn)銷(xiāo)量世界第一，但我國(guó)汽車(chē)開(kāi)發(fā)能力和技術(shù)水平需要提升。特別是重型汽車(chē)的駕駛室多數(shù)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、合作開(kāi)發(fā)或仿制，缺乏完整的自主開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新能力。因此，在開(kāi)發(fā)高原型重型汽車(chē)駕駛室過(guò)程中，通過(guò)學(xué)習(xí)消化國(guó)際先進(jìn)開(kāi)發(fā)技術(shù)，充分運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段與技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，建立企業(yè)的駕駛室開(kāi)發(fā)機(jī)制與流程，自主研發(fā)高檔重型載貨汽車(chē)駕駛室，形成了企業(yè)創(chuàng)新能力和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步推動(dòng)企業(yè)建立和完善自主創(chuàng)新的組織體系和運(yùn)行機(jī)制。

1 重型汽車(chē)駕駛室的開(kāi)發(fā)目標(biāo)

1.1 技術(shù)目標(biāo)

（1）外觀以線型大圓角造型為主的現(xiàn)代風(fēng)格，形成獨(dú)特、新穎、美觀的具有現(xiàn)代理念和創(chuàng)意汽車(chē)駕駛室外觀形狀；

（2）室內(nèi)舒適性、坐姿舒適性、操縱方便性、視野性對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平；

（3）車(chē)內(nèi)噪聲和駕駛室整體隔聲能力達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；

（4）風(fēng)阻系數(shù)≤0.58（仿真值）；

（5）氣密封性≤750 m3/h；車(chē)身密封間隙，保證密封性符合在噴淋壓力70～150 kPa和受試時(shí)間15分鐘的條件下，車(chē)身的門(mén)、窗、側(cè)圍、行李艙等不得有滲、漏水現(xiàn)象；

（6）車(chē)門(mén)的開(kāi)閉力、平順性不低于國(guó)內(nèi)大型主流廠家同類(lèi)產(chǎn)品同等水平；

（7）室內(nèi)熱舒適性、坐姿舒適性、操縱方便性、視野性對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

1.2 目標(biāo)控制

（1）經(jīng)濟(jì)目標(biāo)控制，成本、進(jìn)度和用戶要求（市場(chǎng)需求）。

（2）技術(shù)目標(biāo)控制，技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)質(zhì)量、工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量、制造質(zhì)量。

2 設(shè)計(jì)思路與機(jī)制[1-2]

要達(dá)到以上目標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)就要采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)施以下幾點(diǎn)，完成目標(biāo)任務(wù)：一是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和模擬技術(shù)進(jìn)行技術(shù)支撐；二是建立科學(xué)的設(shè)計(jì)機(jī)制與流程；三是建立科學(xué)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2.1 計(jì)算機(jī)仿真和模擬技術(shù)[3]

應(yīng)用CAE(Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助驗(yàn)證)技術(shù)進(jìn)行駕駛室的龍骨框架結(jié)構(gòu)及白車(chē)身結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析、安全性分析和疲勞分析；應(yīng)用CAS(Computer Aided Styling，計(jì)算機(jī)輔助造型)技術(shù)和DMU(Distal Mock—Up，數(shù)字原型)技術(shù)創(chuàng)建出駕駛室的造型方案、結(jié)構(gòu)和駕駛室殼體及外飾圖；應(yīng)用CFD(Computational Fluid Dynanmics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))分析模擬車(chē)輛行駛狀態(tài)的風(fēng)洞試驗(yàn)；應(yīng)用VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)實(shí)現(xiàn)駕駛室內(nèi)熱舒適性、坐姿舒適性、操縱方便性、視野性等；并進(jìn)行沖壓成型分析（PamStamp軟件）應(yīng)用。

2.2 設(shè)計(jì)機(jī)制

盡管汽車(chē)駕駛室只是汽車(chē)的一個(gè)部分，但開(kāi)發(fā)新駕駛室動(dòng)輒上千萬(wàn)、甚至上億元，對(duì)汽車(chē)新產(chǎn)品是牽一發(fā)而動(dòng)全身。科學(xué)的設(shè)計(jì)機(jī)制與流程，是保證汽車(chē)新產(chǎn)品高效高質(zhì)量的開(kāi)發(fā)關(guān)鍵。

盡管企業(yè)實(shí)現(xiàn)了信息化，但是多數(shù)企業(yè)，特別是民營(yíng)企業(yè)技術(shù)信息資源人為或管理上造成自愿交換、信息不完全，開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)與工藝、制造等信息不共享；風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制不完善，前期規(guī)劃、立項(xiàng)、設(shè)計(jì)質(zhì)量等控制不力；開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)定位、職責(zé)不細(xì)；這些都會(huì)造成開(kāi)發(fā)過(guò)程延遲，浪費(fèi)資源，甚至開(kāi)發(fā)不成功。而這些資源的合理利用，才能使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)達(dá)到既定目標(biāo)。

（1）跨職能開(kāi)發(fā)的組織機(jī)構(gòu)

設(shè)立跨職能開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)矩陣式機(jī)構(gòu)，并明確職責(zé)，形成一個(gè)能夠使機(jī)構(gòu)中各領(lǐng)域技術(shù)人員同時(shí)合作的并行環(huán)境。在這一環(huán)境下，開(kāi)發(fā)人員之間一起并行協(xié)同工作，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造等上下游各方面進(jìn)行同時(shí)考慮和并行交叉設(shè)計(jì)，及時(shí)地交流信息。

（2）開(kāi)發(fā)流程管理體系[4]

形成汽車(chē)駕駛室開(kāi)發(fā)的科學(xué)管理制度，形成有效的控制體系，通過(guò)科學(xué)的方法與流程進(jìn)行新產(chǎn)品創(chuàng)意和構(gòu)思的搜集、篩選和優(yōu)化；再由控制體系進(jìn)行管理、評(píng)估，保證汽車(chē)駕駛室開(kāi)發(fā)不偏離設(shè)定的各種目標(biāo)。其中最重要的是：人員的激勵(lì)機(jī)制與培養(yǎng)機(jī)制、開(kāi)發(fā)前期工作的管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、進(jìn)度管理和質(zhì)量控制管理。

2.3 設(shè)計(jì)流程

2.3.1 市場(chǎng)與技術(shù)分析

對(duì)未來(lái)卡車(chē)發(fā)展趨勢(shì)與市場(chǎng)前景進(jìn)行研究，將新車(chē)型的一些重要參數(shù)和市場(chǎng)與技術(shù)定位確定下來(lái)（整車(chē)與駕駛室）。形成新車(chē)型設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)書(shū)。一是要明確新車(chē)型的形式、功能以及技術(shù)特點(diǎn)，二是描述要產(chǎn)品車(chē)型的最終定位，最后提出駕駛室設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)書(shū)。

2.3.2 概念設(shè)計(jì)與總體初步設(shè)計(jì)2.3.2.1汽車(chē)總布置草圖

根據(jù)新車(chē)型設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)書(shū)及整車(chē)性能要求提出對(duì)駕駛室各總成及部件的布置要求和特性參數(shù)等設(shè)計(jì)要求；協(xié)調(diào)駕駛室與整車(chē)及相關(guān)總成間的布置關(guān)系和參數(shù)匹配關(guān)系，確定硬點(diǎn)尺寸和初步布置方案。駕駛室性能達(dá)到最優(yōu)并滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)書(shū)要求的整車(chē)參數(shù)和性能指標(biāo)的汽車(chē)。

2.3.2.2 造型設(shè)計(jì)[5-6]

在基本尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。這是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，包括外形和內(nèi)飾設(shè)計(jì)兩部分。對(duì)比同類(lèi)車(chē)型進(jìn)行造型上的比較，確定設(shè)計(jì)的主題。一是建立效果圖；二是建立3維數(shù)字模型，并用VR和CFD在虛擬的環(huán)境中，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析、虛擬評(píng)價(jià)、外形修改和優(yōu)化。

2.3.2.3 油泥模型的制作

通過(guò)3維數(shù)字模型然后由銑削機(jī)銑削出多個(gè)小比例油泥模型，或3D打印出小比例油泥模型，然后經(jīng)油泥模型師進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。從中選出最終的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行1∶1比例油泥模型的制作，進(jìn)行評(píng)審，并最終確定造型方案，凍結(jié)油泥模型，并進(jìn)行曲面光順與高光檢查形成駕駛室數(shù)模。

2.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程化[6-8]

2.3.3.1 總布置設(shè)計(jì)

在前面總布置草圖的基礎(chǔ)上，深入細(xì)化總布置設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確的描述各部件的尺寸和位置，為各零部件分配準(zhǔn)確的布置空間，形成內(nèi)飾布置圖、外飾布置圖以及電器布置圖。

2.3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)駕駛室拆分，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用CAE等對(duì)駕駛室車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行車(chē)身靜態(tài)仿真分析、聯(lián)接件結(jié)構(gòu)靜態(tài)仿真分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析、沖壓成型仿真分析、通過(guò)分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、安全性達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

2.3.3.3 白車(chē)身工程設(shè)計(jì)

運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)行駕駛室人機(jī)工程性能分析與評(píng)價(jià)、駕駛室安全性與舒適性分析與評(píng)價(jià)、確定車(chē)身結(jié)構(gòu)方案，對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，使用完成的3維數(shù)模，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉分析、拆裝模擬分析、零部件之間干涉性分析等工藝性分析，完成裝配關(guān)系圖及車(chē)身焊點(diǎn)圖。

2.3.3.4 內(nèi)外飾工程設(shè)計(jì)

用3維數(shù)模進(jìn)行內(nèi)外飾工程設(shè)計(jì)，外裝件的主要設(shè)計(jì)包括前保險(xiǎn)杠、玻璃、車(chē)門(mén)防撞裝飾條、進(jìn)氣格柵、后視鏡、車(chē)門(mén)機(jī)構(gòu)及附件以及密封條。內(nèi)飾件主要設(shè)計(jì)包括儀表板、方向盤(pán)、座椅、安全帶、安全氣囊、地毯、側(cè)壁內(nèi)飾件、遮陽(yáng)板、扶手、車(chē)內(nèi)后視鏡等。

2.3.3.5 電器工程設(shè)計(jì)

對(duì)雨刮系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、各種儀表、整車(chē)開(kāi)關(guān)、前后燈光以及車(chē)內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)設(shè)計(jì)選型。

2.3.3.6 技術(shù)文件

編制詳細(xì)的產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)明書(shū)以及詳細(xì)的零部件清單列表，驗(yàn)證法規(guī)。

2.3.4 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

通過(guò)快速模具制造出快速試驗(yàn)樣車(chē)模具，并將駕駛室數(shù)模發(fā)給模具制造廠制作模具，試驗(yàn)需要制作各種試驗(yàn)樣車(chē)。進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試、道路測(cè)試、風(fēng)洞試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)等。對(duì)出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.3.5 同時(shí)制作駕駛室焊接卡具和駕駛室焊裝生產(chǎn)線，經(jīng)調(diào)試，小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)出合格駕駛室。

2.4 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

為縮短研發(fā)時(shí)間，需建立必要的開(kāi)發(fā)平臺(tái)：

（1）建立計(jì)算機(jī)及知識(shí)庫(kù)支持的協(xié)同開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持12～24小時(shí)同時(shí)工作，支持產(chǎn)學(xué)研開(kāi)發(fā)，完善設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、零部件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，建立工藝標(biāo)準(zhǔn)化；

（2）建立虛擬支持支持產(chǎn)品和工藝開(kāi)發(fā)虛擬產(chǎn)品平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)分析、概念設(shè)計(jì)及工程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)試驗(yàn)、產(chǎn)品及產(chǎn)品試驗(yàn)的虛擬化，減少開(kāi)發(fā)過(guò)程中的實(shí)物模型數(shù)量；

（3）建立合適的快速試驗(yàn)樣車(chē)模具系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在重型汽車(chē)駕駛室開(kāi)發(fā)和整車(chē)開(kāi)發(fā)中，新技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)機(jī)制的建立是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過(guò)這次高原型重型汽車(chē)駕駛室過(guò)程，應(yīng)用先進(jìn)的駕駛室開(kāi)發(fā)技術(shù)與和虛擬現(xiàn)實(shí)等開(kāi)發(fā)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，初步建立了一套開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與機(jī)制與流程，效果比較好，實(shí)踐證證明可以縮短開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量。

［1］郭茂林.中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)2003學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］孫建兵.全數(shù)字化汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程與方法［EB/OL］.http：//www.ugs.com.2006.

［3］寧汝新，鄭軼.虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分 析 ［J］.中 國(guó) 機(jī) 械 工 程 ， 2005， 16 （15）：1398-1404.

［4］劉盛強(qiáng)，王善坡，王登峰，等.重型汽車(chē)駕駛室開(kāi)發(fā)流程建模及應(yīng)用［J］.山東交通學(xué)，2010（03）：12-14.

［5］柴婷婷.現(xiàn)代重卡的造型特征［J］.汽車(chē)科技，2008（2）：16-18.

［6］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［7］黃向東.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)與車(chē)身造型［M］.北京：人民交通出版社，2000.

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