乘用车外视野校核方法与参数化设计

2021-10-17邢艳云

天津职业技术师范大学学报 2021年3期

邢艳云，于波

（1.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222；2.中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津 300162）

汽车外后视镜视野设计是汽车产品的一项重要安全指标，汽车后视镜的视野情况直接关系到汽车的行驶安全性。文献[1-2]均依据《GB 15084—94 汽车后视镜的性能和安装要求》进行视野设计，文献[1]利用UG 软件，对汽车的前视野、盲区和后视野进行了正向设计并建立了评价系统。文献[2]利用CATIA V5 软件对大客车后视野进行设计计算，有效提高了设计效率。文献[3-5]利用CATIA 软件分别对重型卡车和乘用车进行了后视野的正向设计与校核。文献[6-7]分别利用Power Copy 和超级副本的方法对乘用车视野校核进行了参数化设计，有效提高了设计效率。文献[8-9]利用不同的确定眼点方法对汽车后视野进行了设计与校核。文献[10-12]探讨了利用改变后视镜曲率等方法对后视野盲区进行了减小或消除。文献[13-18]均利用正向或逆向的设计方法对后视镜进行了设计与计算。上述研究有效提高了设计效率，但均没有探索利用正向与逆向相结合的方法进行视野的参数化设计与校核。本文利用CATIA 软件，采用正向与逆向两种设计方法，在车型开发概念设计阶段，对外侧后视镜视野进行了分析校核与参数化设计，旨在提高设计的可靠性和设计效率。

1 乘用车外侧后视镜布置及视野要求

1.1 乘用车外侧后视镜视野要求

（1）驾驶员侧。驾驶员侧的外后视镜在水平路面上的视野区域宽度至少为5 m，该区域经过汽车的最外侧点，ECE R46 后视野范围示意图如图1 所示。此外，还要求驾驶员能够看到宽度大于1 m 的路面区域。

图1 ECE R46 后视野范围示意图

（2）乘员侧。乘员侧的外后视镜视野要求与驾驶员侧相同。

《GB 15084—2006 机动车辆后视镜的性能和安装要求》中可视范围如图2 所示[19]。从图1 和图2 可以看出，GB 15084—2006 要求的可视范围比ECE R46 要求小，若设计的后视镜视野满足ECE R46 的要求，便可以同时满足GB 15084—2006 的法规要求。因此，本文只研究涉及ECE R46 后视镜规范校核方法及参数的设计。

图2 后视野可视范围

1.2 乘用车外侧后视镜布置

依据人机工程学的布置原则，驾驶员侧外后视镜的水平方向应布置在驾驶员直前视线55°范围内；乘客侧的外后视镜水平方向应在驾驶员直前视线75°范围内；而垂直方向上，两侧均应在直前视线上下各45°的范围内[20]。ECE R46 中的安装要求是驾驶员侧外后视镜中心至驾驶员两眼点（距离为65 mm）中心连线与纵向基准面夹角不大于55°，同时必须满足图1 中所示的条件[20]。

2 乘用车驾驶员侧外后视镜正向校核方法

2.1 外后视镜正向校核输入条件

在外侧后视镜校核前首先要明确输入前提条件。生产厂家的现有条件不同、车型不同，其前提条件也不尽相同。本研究根据比较常见的已有车身三维造型和后视镜的情况进行说明。

（1）造型外面CAS（computer aided surface）是指造型部门提供的最初版本的三维造型设计数模（3D Data），其中含有后视镜结构、安装位置以及镜片位置等。

（2）地面线是指总布置给出的地面高度线，一般参考的是空载地面线。

（3）R 点是指总布置提供的前排座椅。

2.2 驾驶员侧外后视镜正向校核方法

利用CATIA 软件建立后视镜参数化模型，再确定驾驶员眼点位置、镜面曲率中心位置，确定左、右眼在驾驶员侧和乘员侧可观测区域，具体步骤如下。

（1）确定驾驶员眼点。通过驾驶员乘坐位置中心，作一个与汽车纵向基准面平行的平面，在该平面内的座椅基准点R 上方635 mm 处有一点，该点两侧各32.5 mm 处的2 个点，即为驾驶员眼点。驾驶员外侧后视镜与眼点及R 点位置关系如图3 所示。

图3 驾驶员外侧后视镜与左右眼点及R 点位置关系

（2）确定镜面曲率中心。根据外CAS 面给定的镜面边界，可求出外后视镜镜面的曲率中心位置和坐标，驾驶员外侧后视镜镜面曲率中心示意图位置关系如图4 所示。

图4 驾驶员外侧后视镜镜面曲率中心示意图位置关系

（3）在外后视镜边缘上任选一点，与左眼点、镜面曲率中心三点构成一个平面。

（4）在上述平面内，将球面上选取的点分别连接左眼点与曲率中心成线L1、L2，根据成像原理，做出L1 的对称线记为L3，驾驶员入射线反射线示意图如图5 所示。

图5 驾驶员入射线和反射线示意图

（5）重复步骤（3）和（4），可得到如图6 所示的一系列直线。

图6 镜面外沿反射线示意图

（6）连接反射线端点，做样条曲线，连接该样条曲线与镜面边界所在直线，得到区域即为左眼点可以观测区域C1，左眼点驾驶员侧可视范围如图7 所示。

图7 左眼点驾驶员侧可视范围

（7）重复上述4 步，同理得到右眼可观测区域C2，左、右眼点驾驶员侧可视范围如图8 所示。

图8 左、右眼点驾驶员侧可视范围

（8）根据ECE R46 要求，分别做出左、右两侧在给定地面的最小可视区域C5、C6。若C5 与C6 分别在C1 和C2、C3 和C4 所构成的区域内，则外后视镜位置满足要求。反之，不满足要求。

图9 左、右眼点驾驶员侧和乘员侧可视范围

3 乘用车驾驶员侧外侧后视镜逆向校核方法

外后视镜逆向校核输入条件与正向校核输入条件相同。利用CATIA 软件确定驾驶员侧外后视镜逆向校核具体步骤如下。

（1）确定驾驶员左、右眼点。

（2）确定镜面曲率中心。参考2.2 中的正向校核步骤（1）和步骤（2）。

（3）在给定参考地面上按照法规要求，分别在车身左侧最外侧距离眼点X 方向4 m、30 m 处做点P1、P2，在距离P1、P2 的Y 向距离1 m、5 m 处做点P3、P4。

（4）过点P1、左眼点和镜面曲率中心做平面。

（5）做平面与镜面的交线，在上述平面所在草图上，分别连接左眼点与曲率中心，左眼点与P1 成线L1、L2，根据成像原理，做出L1 的对称线记为L3，L1与L3 交点记为P1，经过地面边界点与左眼点的入射线与反射线示意图如图10 所示。

图10 经过地面边界点与左眼点的入射线与反射线示意图

（6）重复步骤（4）和（5），同理得到右眼可观测到区域P2、P3、P4。

（7）连接P1、P2、P3、P4 得到直线L4、L5、L6、L7，连接L4、L5、L6、L7 得到平行四边形，重复步骤（4）—（7），可得到经地面边界点入射线经镜面反射后到右眼点的反射线。

P1、P2、P3、P4 点的位置示意图如图11 所示。若所得的2 个四边形均在镜面内，则设计位置满足要求。反之，不满足要求。同样方法可校核乘员外侧后视镜。

图11 P1、P2、P3、P4 点的位置示意图

4 驾驶员侧外后视镜校核参数化设计方法

经过上述校核的外侧后视镜若不满足要求，造型部门需重新设计外侧后视镜。如此反复，浪费了大量的人力物力，因此在校核过程中，校核部门若能将外侧后视镜曲率中心与镜面的位置进行参数化设计，给出合理的曲率中心与镜面位置，反馈给造型部门，可极大提高工作效率。参数化设计步骤为：①使用2.2方法确定驾驶员左、右眼点。②确定镜面曲率中心，将其坐标参数化。根据外CAS 给定的镜面边界，求出外侧后视镜镜面所在球的曲率中心位置坐标，将镜面曲率中心位置参数化。③将外侧后视镜镜面位置旋转角度参数化。④将外侧后视镜边缘点位置参数化。⑤重复2.2 中步骤（5）—（8）。

通过调整镜面位置角度参数，在正向设计过程中，按标规要求区域落在可视区域内，在逆向设计过程中，尽量使地面边界点反射点组成的四边形位于镜面中心位置，若镜面调整角度过大，通过调整镜面曲率中心位置参数，使镜面及后视镜安装角度合适，且满足标规要求。造型部门根据给定的输入条件，有针对性地设计后视镜安装位置及角度，可避免很多重复性工作，工作效率显著提高。