汽車造型設計知識講座[1].doc

汽車造型設計知識講座（一） 汽車的尺寸 一、外形尺寸參數(shù) 汽車設計中由設計師去彌定的外形尺寸包括：長、寬、高、軸距、輪距、前后懸長和離地距等。各參數(shù)的含義見下圖： 二、各級汽車的尺寸標準 彌定汽車尺寸所要考慮的因素主要是機械布局和使用要求，其中機械布局視乎廠家各自的設計方案有所差異；使用要求則主要由汽車所針對的目標市場級別而定。下表為我根據(jù)經驗總結的各主要級別（主要乘用車）的常見尺寸范圍：單位：米 長度 寬度 高度 軸距 典型代表 歐洲、亞洲轎車：小型兩廂轎車 3.6-4 1.5-1.7 1.3-1.5 2.2-2.5 夏利 小型三廂轎車 4.1-4.4 1.6-1.7 1.3-1.5 2.3-2.6 豐田COROLLA 中型轎車 4.3-4.7 1.7-1.8 1.3-1.5 2.6-2.8 捷達 中大型轎車 4.6-4.9 1.7-1.9 1.3-1.6 2.7-2.9 日產CEFIRO 大型轎車 4.8-5.2 1.8-2 1.4-1.6 2.8-3.2 奔馳S-CLASS 其他車種： 中型越野車 4.5-4.9 1.7-2 1.7-2.0 2.5-2.8 三菱PAJERO 中型MPV 4.4-4.8 1.7-1.9 1.5-1.9 2.7-3 豐田PREVIA 中型皮卡（pick up） 4.7-5 1.6-1.8 1.4-1.6 2.7-2.9 豐田HILUX 特殊規(guī)格： 日本輕自動車（K-CAR） 3.7 1.5 不限 不限 奧拓 美國標準大型房車 5.2-5.5 1.8-2.1 1.3-1.5 2.8-3.3 林肯TOWNCAR 美國標準多用途車（SUV） 5-5.5 1.8-2.2 1.8-2.2 2.8-3.2 別克GL8 一級方程式賽車 4.2-4.4 1.8 0.9-1 2.8-3.1 其中我們看到美國車的尺寸比歐、日的標準大很多，這主要是因為美國地大車少，油價低廉，對于汽車空間的要求遠大于對省油性能的要求。日本則正好相反，為了改善道路擁擠情況，日本政府對汽車的稅收等級是以外形尺寸（主要是占地面積長*寬）來劃分的，車身越大使用費用越高。因此日本汽車造型設計所追求的是“空間利用率”，即在有限的車身尺寸下爭取最大的內廂空間?？梢哉f日本車造得緊湊的目的是為了符合法規(guī)；歐洲人也熱衷于小型車，但他們造小車的主要目的是省油和使用方便；而美國人的生活環(huán)境決定了他們用不著把汽車造得太緊湊。三、如何彌定具體尺寸 確定汽車尺寸首先要服從機械布局，然后要滿足各項應有的功能，如必須具備載客、載貨的空間等。下面詳談各尺寸的具體確定方法：1、長度長度是對汽車的用途、功能、使用方便性等影響最大的參數(shù)。因此一般以長度來劃分車身等級。車身長意味著縱向可利用空間大，這是顯而易見的；但太長的車身會給調頭、停車造成不便。4米長與5米長的汽車在駕駛感覺上會有很大的差異，一般中小型乘用車長4米左右，接近5米長的可算作大型車了。 2、寬度寬度主要影響乘坐空間和靈活性。對于乘用轎車，如果要求橫向布置的三個坐位都有寬闊的乘坐感（主要是足夠的肩寬），那么車寬一般都要達到1.8M。近年由于對安全性的要求，車門壁的厚度有所增加，因此車寬也普遍增加。日本車對寬度的限制比較嚴，大部分在1.8M以下，歐洲車則傾向增大車寬。但是車身太寬會降低在市區(qū)行走、停泊的方便性，因此對于轎車來說車寬2M是一個公認的上限。接近2米或超過2米的車都會很難駕駛。道路用車（大貨車、大客車）的車寬一般也不能超過2.5米。對于車外倒后鏡不能折疊的車輛，規(guī)格表上的寬度一般把外伸倒后鏡也包括在內，因而有些歐洲轎車規(guī)格表上的寬度接近甚至超過2米（例如FIAT MULTIPLA寬度為2010mm），各位明察即可。 3、高度車身高度直接影響重心（操控性）和空間。大部分轎車高度在1.5米以下 ，與人體的自然坐姿高度相比低很多，主要是出于降低全車重心的考慮，以確保高速拐彎時不會翻車。MPV、面包車等為了營造寬闊的乘坐（頭部空間）和載貨空間，車身一般比較高（1.6米以上），但隨之使整車重心升高，過彎時車身側傾角度大；這是高車身車種的一個重大特性缺陷。此外在日本，香港等一些地區(qū)，大部分的室內停車場都有高度限制，一般為1.6米，這也是確定車高的重要考慮因素。小型車為了在有限的占地面積內擴大車廂空間，近年有向上發(fā)展的趨勢，如豐田的YARIS（高1500mm）和標致206（1430mm），以及一批超過1.7M的日本K-CAR級RV（如鈴木W(wǎng)AGON R），車身都比傳統(tǒng)的小型車高出很多，重心升高導致的主動安全性下降是必然的。 4、軸距在車長被確定后，軸距是影響乘坐空間最重要的因素，因為占絕大多數(shù)的2廂和3廂轎車，乘員的坐位都是布置在前后軸之間的。長軸距使乘員的縱向空間增大，直接得益的是對乘坐舒適性影響很大的腳部空間。在行駛性能方面，長軸距能提高直路巡航的穩(wěn)定性，但轉向靈活性下降， 回旋半徑增大。因此在穩(wěn)定性和靈活性之間必須作出取舍，取得適當?shù)钠胶狻?5、前、后懸 從圖一可見：車長=前懸+后懸+軸距。所以軸距越長，前后懸便越短。最短的懸殊長可以短至只有車輪，即為車輪半徑1/2。但除了一些小型車要竭力增加軸矩來擴大乘坐空間外，一般轎車的懸長都不能太短，一來軸矩太長會影響靈活性，二來要考慮機械零件的布局。例如前橫置引擎前輪驅動的轎車，引擎一般會安置在前軸的前方，因此前懸必須有一定的長度（例一）；但前懸也不應過長，以確保爬坡通過性，越野車為了保證爬坡、越臺的能力，前懸都很短（例二）；一些高性能跑車的前后懸取值主要是出于對前后重量平衡和動態(tài)重心轉移的考慮（例三）。近年為了滿足嚴格的正面撞擊測試法規(guī)，有加長前懸的趨勢，目的是容納車架的撞擊緩沖結構。后懸則可以比前懸稍長一些。 例一 前置引擎前輪驅 例二 圖中的A、B角分別稱為接 例三 懸長對汽車的動態(tài) 動的轎車，因為要騰出 近角和離去角，是衡量汽車通過 表現(xiàn)也會有影響，例如增 空間安放引擎，前軸要 性的重要指標。由圖可見角度越 大前懸可以增加轉向過多 向后移，形成很長的前 大，車身能安全通過的坡度越大 ，以抵消車架本身的轉向 懸。國產富康、夏利、 。其中接近角尤為重要，因此越 不足傾向。所以設計高性 桑塔納都屬于這種類型。 野車的前懸都很短。 能跑車不僅是要好看那么 簡單。6、輪距輪距直接影響汽車的前后寬度比例。與其它尺寸相比，輪距更受機械布局（尤其是懸掛系統(tǒng)類型）的影響，是造型設計師需要在很早期就確定的參數(shù)。一般轎車的前輪距比后輪略大（相差約10-50MM），即車身前半部比后半部略寬，這與氣流動力學有關（將在以后詳述）。但一些特殊機械布局的汽車，如法拉利的512TR，由于后軸安放了大型的水平對向12缸引擎，使其后輪距遠大于前輪距，這就需要以特別的造型設計來配合。在操控性方面，輪距越大，轉向極限和穩(wěn)定性也會提高，很多高性能跑車車身葉子板都向外拋，就是為了盡量擴大輪距。 7、離地距 離地距即車體最低點與地面的距離。后驅車的離地最低點一般在后軸中央，前驅車一般在前軸，也有些轎車的離地距最低點在前防撞桿下緣（氣流動力學部件）。離地距必須確保汽車在行走崎嶇道路、上下坡時的通過性，即保證不刮底。但離地距高也意味著重心高，影響操控性，一般轎車的最低離地距為130mm-200mm，附合正常道路狀況的使用要求。越野車離地距普遍大于200mm。賽車由于安裝了擾流車身部件，并且要降低重心，離地距可以低至50mm，當然前提是賽車跑道路面平坦，在普通街道上肯定是不可行的。 最后必須補充一下，汽車的長、寬、高、軸距是影響乘坐空間的四要素，但這只是基礎，要在尺寸大的車身上設計出空間充裕的座艙，還必須精心設計車廂輪廓。這就是所謂的“利用率”問題，而它又與全車的整體布局息息相關，這將在后面的章節(jié)中綜合介紹。 汽車造型設計知識講座（二） 汽車的車架 就像人的身體由骨架來支持一樣，汽車也必須有一幅骨架，這就是車架。車架的作用是承受載荷，包括汽車自身零部件的重量和行駛時所受的沖擊、扭曲、慣性力等?，F(xiàn)有的車架種類有大梁式、承載式、鋼管式及特殊材料一體成型式等。 1、大梁式車架 在港臺汽車刊物中常稱作“陣式車架”，是最早出現(xiàn)的車架類型（從全世界第一部汽車開始一直沿用至今）。大梁車架的原理很簡單：將粗壯的鋼梁焊接或鉚合起來成為一個鋼架，然后在這個鋼架上安裝引擎、懸架、車身等部件，這個鋼架就是名附其實的“車架”。大梁式車架的優(yōu)點是鋼梁提供很強的承載能力和抗扭剛度，而且結構簡單，開發(fā)容易，生產工藝的要求也較低。致命的缺點是鋼制大梁質量沉重，車架重量占去全車總重的相當部分；此外，粗壯的大梁縱貫全車，影響整車的布局和空間利用率，大梁的厚度使安裝在其上的坐廂和貨廂的地臺升高，使整車重心偏高。綜合這些因素可見，大梁式車架適用于要求有大載重量的貨車、中大型客車，以及對車架剛度要求很高的車輛，如越野車。傳統(tǒng)越野車在良好道路上行駛時表現(xiàn)出重心過高的不良操控性，就是由大梁式車架所致。(圖A：大型客車 圖B：豐田Prado越野車的大梁車架） 2、承載式車架 也稱作整體式或單體式車架。針對大梁式車架質量重、體積大、重心高的問題，承載式車架的意念是用金屬制成堅固的車身，再將發(fā)動機、懸架等機械零件直接安裝在車身上。這個車身承受所有的載荷，充當車架，所以準確稱呼應為“無車架結構的承載式車身”（采用大梁車架的汽車車身則稱為“非承載式車身”）。承載式車架由鋼（較先進的是鋁）經沖壓、焊接而成，對設計和生產工藝的要求都很高，這也是中國目前的車身設計開發(fā)難以突破的大難點。成型的車架是個帶有坐艙、發(fā)動機艙和底板的骨架（圖C），我們所能看到的光滑的汽車車身則是嵌在骨架上的覆蓋件（圖D）。 承載式車車架是目前轎車的主流，因為這種結構將車架和車身二合為一，重量輕，可利用空間大，重心低，而且沖壓成型的制造方式十分適合現(xiàn)代化的大批量生產。但是除了開發(fā)制造難度高外，剛度（尤其是抗扭剛度）不足也是承載式車身的一大缺陷。這問題在日常用車上還不明顯，但對于大馬力、大扭力的高性能跑車，要求有很高的車架剛度，普通承載式車身就顯得剛度不足。因此近年的高性能汽車，除了馬力不斷提升外，各車廠也不斷致力于提高車身的剛度，目前主要采取的辦法是優(yōu)化車架的幾何形狀和采用局部增粗或補焊以加強抗扭能力。 由于承載式車架將全車所有部件，包括懸架、車身和乘員連成一體，具有很好的操控反應（正式學名是“操作響應性”），而且傳遞的震動、噪音都較少，這是大梁式車架不可比擬的。因此不僅是轎車，就連一些針對良好道路環(huán)境設計的越野車也有棄大梁車架而改用承載式車身的趨勢，這就是所謂的“城市化越野車”。另外針對大梁式車架地臺高的弊病，近年還出現(xiàn)了采用承載式車身的大型客車（稱為“無大梁車身”或“無陣車身”），由于取消了大梁，旅游大巴可以在車底騰出巨大且左右貫通的行李空間，用于市區(qū)的公共汽車則可以將地臺降至與人行道等高以便于上下車（要配合特殊的低置車橋）。低地臺是客車的一個重要發(fā)展方向（圖E）。 3、鋼管式車架 前面曾說過承載式車架的設計開發(fā)和生產工藝都復雜，只適宜大批量生產。但是對于少量生產的轎車又如何呢？雖然可以采用共用平臺策略，但所謂的“共用平臺”能共用的只是懸架、傳動系統(tǒng)等底盤部件，承載式的車架由于必須與車身形狀吻合，對于不同的車身造型是不能共用車架的。于是鋼管式（又稱“框條式”）車架便應運而生。 顧名思義，鋼管式車架就是用很多鋼管焊接成一個框架，再將零部件裝在這個框架上。它的生產工藝簡單，很適合小規(guī)模的工作坊作業(yè)，50-70年代英國有很多小規(guī)模的車廠生產各式各樣的汽車，都是用自行開發(fā)制造的鋼管車架，是鋼管車架的全盛時期。時至今日仍采用鋼管車架的都是一些產量較少的跑車廠，如LAMBORGHINI和TVR，原因是可以省去沖壓設備的巨大投資。由于對鋼管車車架進行局部加強十分容易（只須加焊鋼管），在質量相等的情況下，往往可以得到比承載式車架更強的剛度，這也是很多跑車廠仍樂于用它的原因。（圖F是LAMBORGHINI DIABLO的鋼管骨架，裝上覆蓋件后成為圖G） 4、鋁合金車架 奧迪A8的車架是用鋁合金做的，但那是沖壓成型的結構，只是材料不同了，仍屬于承載式車架。這里說的鋁合金車架是另一種類型，將鋁合金條梁焊接、鉚接或貼合在一起組成一個框架，可以理解為鋼管車架的變種，只是鋁合金是方梁狀而非管狀。鋁合金車架最大優(yōu)點是輕（相同剛度的情況下）。但是成本高，不宜大量生產，而且鋁合金本身的特性決定了其承載能力受限制，暫時只有少數(shù)車廠運用在小型的量產跑車上，如蓮花ELISE和雷諾SPIDER（圖H）。 5、碳纖維車架亦即是開頭所提到的“特殊材料一體成型式車架”。制造方法是用碳纖維澆鑄成一體化的底板、坐艙和引擎艙結構，再裝上機械零件和車身復蓋件。碳纖維車架的剛度極高，重量比其它任何車架都要輕，重心也可以造得很低。但是制造成本是它的致命傷，因此目前都只用于不計成本的賽車和極少數(shù)量產車上。碳纖維車架在80年代首先出現(xiàn)一級方程式賽車上，然后延伸到C組賽車和90年代的GT賽車，至今僅有的兩部采用碳纖維車架的量產車是94年的MCLAREN F1和95年的FERRARI F50。(圖I：法拉利F50一體成型的碳纖維地臺連坐艙就是它的車架） 碳纖維的剛度不僅有利于操控，對提高安全性也有很大的作用。典型例子是在95年，寶馬的總裁駕駛一部MCLAREN F1（街道版）滿載3人在德國的公路上以280公里時速失控，沖出公路后再翻滾無數(shù)圈后才停車，車上3人居然只受了輕傷。當時全車外殼盡毀，但車架和坐艙仍保持完好的形狀，如非碳纖維車架肯定是招架不住的。這也是一級方程式賽車至今沿用它的原因之一。 6、“副車架” 最后要補充“副車架”的概念，這是常常在車書中出現(xiàn)的新名詞。副車架并非完整的車架，只是支承前后車橋、懸架的支架，使車橋、懸架通過它再與“正車架”相連，習慣上稱為“副架”。副架的作用是阻隔振動和噪聲，減少其直接進入車廂，所以大多出現(xiàn)在豪華的轎車和越野車上，有些汽車還為引擎裝上副架。 IN THE FUTURE 大梁式和承載式車架是占絕大多數(shù)的主流車架形式，但它們都分別有著顯著的缺點，即笨重和剛度不足。于是近年出現(xiàn)了融合這兩者優(yōu)點和車架設計方案，圖中所示是三菱PAJERO IO的獨創(chuàng)車架，在承載式結構的車廂底部增加了獨立的鋼框架（圖J中的藍色部分），可以認為是簡化的大梁結構，從而在保證剛度的同時，重量和重心又比大梁式結構大為下降。另一個例子是本田S2000，由于對性能要求很高，而敞篷車身的剛度不足，于是在承載式車架的底部加焊了類似大型橫梁的補強結構，從而增強了剛度。今后這種“雜交”車架的形式肯定會更層出不窮。 汽車造型設計知識講座（三） 汽車的布局 一、何謂布局？ 這里所講的布局，是指如何安排一部汽車的各個組成部分在整車中所處的相對位置，即全車的整體布局。布局方案一般是由總工程師決定的，但對于車身造型設計師，很好地理解甚至具備確定總體布局的能力也十分重要，這是因為與其他工業(yè)產品相比，汽車構造的復雜多變性要大得多。以電視機為例，所有電視機的內部結構大多相差無幾，大致上都為立方體，造型（即外殼）所要提供的功能也不多，因而電視機外殼的設計就不需要具備什么“布局”觀念；但是汽車的內部結構比電視機復雜得多，使用功能的要求很嚴格（如乘員/載貨的空間、人體工程學的要求等），這些構成了很多在造型設計過程中必須遵循的條件。因此，汽車造型設計師必須具備很清晰明確的布局觀念，才能設計出具有優(yōu)秀功能性的汽車外型。事實上很多突破性的布局方案都是由造型設計師在概念設計的階段構想出來的。二、布局元素 一部汽車的布局元素包括發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、座艙、行李艙、排氣系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、油箱、備胎等，其中前三者：發(fā)動機、傳動系統(tǒng)和座艙是決定布局的三要素，按這“三要素”可將布局方式分為前置引擎前驅（FF）、前置引擎后驅（FR）、中置引擎（MR）及后置引擎（RR）四大類型，確定布局類型后，其它部件可采用見縫插針的原則。一個優(yōu)秀的布局方案應該在使各部件工作良好的基礎上滿足應有的使用功能（如載人、運貨、越野等）。 下面對各種布局方案作簡單介紹：1）前置引擎后輪驅動（FR） 如圖A，引擎縱置于車頭，縱向與變速箱相連，經過傳動軸驅動后輪。最早期的汽車絕大部分采用FR布局，現(xiàn)在則主要應用在中、高級轎車。它的優(yōu)點是軸荷分配均勻，即整車的前后重量比較平衡，因此操控穩(wěn)定性比較好。據(jù)物理原理的計算，后輪作驅動輪時，輪胎的附著利用率要優(yōu)于前輪驅動，這是中、大型轎車（馬力、扭力較大）都采用后輪驅動的主要原因。FR的缺點是傳動部件多、傳動系統(tǒng)質量大，貫穿坐艙的傳動軸占據(jù)了坐艙的地臺空間。為了容納傳動軸，凡是采用FR的房車，其后座中間座椅的地臺都是隆起來的，大大影響了腳部空間和乘坐舒適性，這可以說是FR的最大缺點。2）前置引擎前輪驅動（FF） 將引擎橫置在車頭，經過變速箱直接驅動前輪，就可以免去傳動軸，從而解決了FR布局的車廂地臺問題。這種方案稱為FF布局（圖B）。FF是目前絕大部分微、小、中型轎車采用的布局方式。除了車廂地臺降低外，F(xiàn)F在操控性方面也具有優(yōu)勢：由于重心偏前且由前輪產生驅動力，F(xiàn)F的汽車在操控性方面具有明顯的轉向不足特性，這在汽車操控性評價中屬于一種安全的穩(wěn)態(tài)傾向，是民用車的理想特