汽车模型平台的搭建和应用

吴赫 肖佳奇 刘扬 侯春

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

汽车在总布置设计阶段，需要合理地分配各零部件总成的位置，确保其相互配合、协同工作，这就要求数据设计必须合理，使汽车在各种工况下都能正常工作，保证驾驶员和乘员乘坐舒适、操作便利。现阶段，数据设计完成后，除用计算机进行虚拟仿真校核外，并没有更直接可靠的数据校核手段，为避免人机工程布置在后期出现问题，利用汽车模型平台开展人机校核具有重要意义。借鉴国内外已有的研究成果，基于人机工程学的理论思想与方法，综合机械结构设计制作等方面的相关技术，设计并创造性地搭建了汽车模型平台[1]，汽车模型平台上的各个模块目前已经被模块化，使用时只需针对不同的车型对需要调节的参数稍加修改即可。汽车模型平台能够在数据设计阶段给设计师带来实车的体验，用汽车模型平台进行评价和校核的方法能够直接、快速和准确地发现计算机模拟仿真中忽略的问题，是目前最有效的校核手段，并且搭建汽车模型平台的框架可以重复利用、投入小、速度快、效果好。

1 汽车模型平台简介

汽车模型平台是将计算机中的三维设计数据实物化后的模型，是使用实车的零部件总成严格按照1∶1的比例搭建而成的模型平台。整车的白车身是用不同规格的铝型材搭建的基础框架，零部件总成是按照设计师的设计图纸将实体总成安装到基础框架上，并用三坐标测量仪进行数据标定，确保实体模型上的零部件总成位置与数据位置误差在2 mm以内。汽车模型平台主要用于人机主观评价和零部件总成的局部模型功能验证。图1示出搭建完成的汽车模型平台。

图1 汽车模型平台

2 汽车模型平台的搭建

汽车模型平台在搭建过程中，除了要用到不同规格的铝型材、角连接器、标准件和需要标定的零部件总成，还需要用到的仪器设备有水平仪、三坐标测量仪、H点测量仪和计算机等，具体搭建过程，如图2所示。

图2 汽车模型平台搭建流程

2.1 基础框架搭建

汽车模型平台基础框架的主体用不同规格的铝型材搭建，铝型材主要有40 mm×40 mm，40 mm×80 mm和80 mm×80 mm 3种规格，在连接过程中，需要用水平仪确保底座部分的横梁和纵梁水平，即底座搭建完成并静置12 h后，再次用水平仪测量，通过增减垫片的方式确保底座水平，搭建立柱的过程中也要用水平仪保证立柱与底座垂直，搭建完成的基础框架，如图3所示。目前，汽车模型平台的基础框架已被模块化，适用于各种车型的模拟。

图3 模型平台基础框架

2.2 基准平面确定

在基础框架上定义X，Y，Z平面，它们相互垂直，且分别与整车坐标系X，Y，Z平面平行[2]，其位置的选取应尽量靠近H点位置，以方便数据采集，实际操作过程中，一般选取基础框架左侧A柱下段附近的平面，具体选择情况，如图3所示。

2.3 各零部件总成安装

安装零部件总成时，需要用直角连接器和标准件将总成固定在汽车模型平台的基础框架上，在安装过程中，需要保证零部件的X，Y，Z 3个方向的位移和角度可以调节。目前，座椅、地板、踏板、转向盘、搁脚板、换挡手柄、中央扶手、组合仪表及驻车制动手柄等零部件总成的连接方式也已实现模块化，如果在搭建过程中出现小幅度的干涉情况，只需根据实际需求对连接结构做小幅度修改即可。

2.4 零部件位置标定

零部件总成的位置标定需要用到三坐标测量仪，具体标定步骤如下：

1）采集平面特征，测出X，Y，Z 3个基准平面，同时测出需要标定的零部件总成的基本特征，由于座椅模块搭建完成后，其调节十分耗时费力，因此标定工作先从座椅开始，用H点测量仪找到座椅的H点，然后用三坐标测量仪采集H点位置；

2）继续采集其他需要标定的零部件总成的基本位置特征；

3）用计算机在CATIA软件里读出基准平面和座椅H点的位置；

4）在三维设计数据中找到驾驶员座椅H点，并根据步骤3）中读出的位置关系，作出X，Y，Z 3个基准平面；

5）将三坐标测量仪采集的数据通过X，Y，Z 3个基准平面装配到三维设计数据中，读出实物模型中其他零部件的基本特征与三维设计数据在X，Y，Z 3个方向位移和角度的偏差；

6）根据此偏差，微调实物模型平台上已搭建好的零部件总成位置；

7）再次测量标定，重复2）～6）步骤，直到所有零部件总成标定误差在2 mm以内，则标定完成。

3 汽车模型平台的应用

汽车模型平台目前主要用于汽车人机主观评价和零部件总成的局部模型功能验证。

3.1 人机主观评价

在整车设计阶段，总布置设计师对每个零部件的位置都进行严格的定义，确保在后期实车试制出来后，人机不出现较大的问题，这就要求设计师设计的数据非常合理，但是在现有的条件下，实车没出来之前，设计师只能通过计算机仿真模拟来对设计数据进行校核[3]，该方法不够全面，不够直观，属于客观的模拟，而汽车模型平台恰巧可以弥补这些缺点。

在进行人机主观评价方面的工作时，想要最合理地利用汽车模型平台，设计师就需要组织专业的人机主观评价人员，对人机设计方案进行评价，评价人员越多越好，身高分布越广泛越好，这样可以得到大量的不同百分位身高的人对设计方案的主观感受，这样得出的评价结果具有很大的参考意义，可以帮助设计师修改设计方案。在评价过程中，要先说明评价的注意事项和评价过程，具体的评价内容要由设计师来定，主要看设计师想验证什么，比如头部空间、上下车方便性、踏板的位置关系、触摸屏位置和角度、方向盘上下前后的调节范围、视野、操作力及舒适性等，评价者根据设计师制作的评价表，针对评价项目，逐条感受和打分，最后将评价结果汇总起来，得出结论，用来指导修改设计方案，然后重新评价，直到得出让所有评价人员都满意的设计方案为止。人机汽车模型平台能够最直接、快速和全面地从主观上给出乘坐感受，能够更加合理地指导设计师修改设计方案，填补了项目初期对于人机尺寸设定和人机设计方案校核的空白，对于汽车设计手段的提高具有重大意义。

3.2 零部件总成的局部模型功能验证

一个汽车性能的好坏不仅仅只取决于所有零部件总成的用料，而各个零部件总成之间的相互配合也很重要，在实车上有很多小系统，要发挥好的性能就要确保每个小系统内部所有零部件总成位置匹配合理，每个零部件的设计位置和角度会严重影响这个系统的功能和性能，进而影响整车性能。比如空调除霜系统，想要达到满意的除霜效果必须要设计好鼓风机的功率，空调出风口的大小、位置和角度，还有车门玻璃和风挡玻璃的位置角度等，单纯的计算机模拟并不能完全模拟出车上复杂的实际工况，因此，需要搭建空调系统的局部模型平台才能够准确、全面、直接和快速地进行实物模拟，帮助设计师修改设计方案，图4示出搭建的空调除霜系统模型平台。不仅局限于风道系统，所有需要相互配合的零部件系统，都可以进行模拟验证，通过验证不断修改参数和位置，给汽车设计模拟校核以最大的支撑。

图4 空调除霜系统模型

零部件总成的局部模型功能验证能够节约成本，降低研发周期，提升设计质量，对于汽车模块化开发和整车性能开发具有重要意义。目前，汽车模型平台已经应用在了某车型上，并且取得了很好的效果。

4 汽车模型平台的开发

目前的汽车模型平台主要用于验证设计师的设计方案，为了达到更好的验证效果，就必须保证设计师提供的实体零部件和设计师设计的零部件尽可能一致，因此除了借用件以外，其余零部件如果能够引入比较成熟的3D打印技术，那么评价人员评价的时候，就会有亲身体验实车的感觉，会使评价者给出的主观评价结果更有说服力。

目前汽车设计参数的给出大都是通过对标市面上销量好的汽车完成的，包括人机数据也是通过对标来确定的，都是从同级别的车型上通过对标设计出来的方案，这样设计的数据一旦在校核过程中发现不了问题，会对后期的整车开发造成不可逆的影响，因此，必须要有正向的设计方法，这样才能避免许多意想不到的问题。设计的最终目的永远都是给顾客最舒适的驾驶感和乘坐体验，客观对标的数据只能作为参考，不能完全照搬，汽车模型平台恰恰可以解决这一问题。

汽车模型平台还有很大的创新和开发空间，不仅局限于验证设计方案，其实还可以帮助设计师进行人机正向开发，由于搭建的汽车模型平台上的零部件总成都是可以多向调节的，那么完全可以在已知的条件下设计其他未知的零部件位置和调节范围，比如要开发一辆SUV，那么前期这辆车的定义就会给出车高、离地间隙、轴距和宽度等，这些参数都可以在汽车模型平台中模拟出来，剩下不确定的参数，尽可能多地请人机主观评价人员和设计师一起来参与确定，一起调节汽车模型平台的过程就是正向设计开发的过程，当所有零部件总成的位置都调节到大家认为合理的位置时，用仪器将该模型的数据测量出来，那么就会得到合理的各个零部件总成的设计数据，后期经过处理和验证之后完全可以放心地使用，这种设计方式完全开辟了一种新的汽车设计方法，对于缩短研发周期有重要意义，是未来汽车设计的发展趋势。

5 结语

目前搭建的汽车模型平台主要用于汽车人机主观评价和零部件总成的局部模型功能验证，通过设计师和专业评价人员对汽车模型平台的评价和分析，得出结论，最后对设计方案提出修改意见，指导设计师如何修改设计数据。汽车模型平台适用于所有车型和所有汽车内部的系统模块功能验证，它能够模拟所有计算机设计的三维数据模型，是一个通用型的平台，它可以根据需求随意变换，因此对搭建人员的搭建经验要求也较高。汽车模型平台的创新应用和开发将是今后重点发展的方向。