跑车车身造型设计Word文件下载.docx
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Track的汽车字典是这样定义跑车的：
“他们是2座和2＋2开放设计的，兼具低且流线型车体，拥有与轿车类似设计的汽车。
”车身一般为双门式，双座或2＋2座（两个后座特别狭窄）。
发动机功率强大，加速性好，车速较高。
注重操纵性，而舒适性和通过性相对要差一些。
越高级的跑车，此特点越明显。
跑车的共同特点是动力强劲，外观新潮，造型优美。
双门双座敞篷跑车（Roadster）同时隶属跑车和开篷车（Convertible），其特征是车顶为篷布或金属硬顶，可折叠或移动。
它结合了双门轿车和双座轿车的特色，是硬顶车型的衍生车种。
1989年，马自达（Mazda）公司出品了Mx-5Roadster（图1.3），这款划时代的产品开创了一个新的车型——双座敞篷小跑车，取得了极大的成功。
各大厂商纷纷推出同类产品，例如奔驰SLK、保时捷（Porsche）Boxster（图1.4）、宝马Z系列、奥迪（Audi）TTRoadster、克莱斯勒CrossfireRoadster等等。
区别于通常意义上的超级跑车，这种车型车长较短，动力性能相对有限，定位于中端市场，售价合理，个性张扬，在市场上占有重要地位。
近年来这一系列的车型炙手可热。
图1.3马自达Mx-5图1.4保时捷BoxsterS
1.2国内外研究现状
国外汽车经过百年发展，众多跑车品牌闻名遐迩，诸如法拉利、保时捷、玛纱拉蒂（Maserati）、兰博基尼等等。
由于跑车对高性能的追求和高端的市场定位，各种最新科技多在跑车身上最先运用，跑车已经成为当今汽车科技的卓越代表。
其开发设计手段更是代表着汽车研发的最高水平。
国内汽车工业由于各种原因和世界先进水平仍然有很大的差距，尤其在汽车研发这一块。
近二十年的合资企业和所谓“市场换技术”的策略，虽然造就了相当的制造能力，却没有提升国内汽车开发水平。
反之，跨国企业为了其利益不断扼杀国内自主研发能力，造成其严重落后的现状。
目前国内车身设计绝大多数只能做逆向工程。
可喜的是，这个问题已经逐步得到改观，“自主研发”已成为目前业界最热的话题。
在刚刚结束的2005上海国际汽车展上，各自主品牌纷纷推出自己的新作，尽管当中许多还是国外设计力量的作品，但它代表了一种声音，国内自主研发力量正在努力追赶世界水平。
在跑车领域，国内几乎是零。
迄今只有寥寥数款作品，例如吉利美人豹和奇瑞M14，而前者由于动力性能很弱几乎不能算是跑车，后者甚至没有量产。
国产跑车市场现在还处于前期预热期，量产的车型用来试水的成分更大，还得经过一段时间的孕育。
不过，我们有理由相信，随着市场的细化和各厂商的努力开拓，今后国产跑车将有很大的发展空间。
1.3课题研究方法
在汽车100多年的历史中，车身设计经历了数个发展时期，各具风格和特点。
传统设计方法分为初步设计和技术设计。
初步设计采用缩小的比例，需要绘制车身布置图，彩色效果图和雕塑1:
5的油泥模型。
技术设计阶段多采用1:
1比例，需要绘制线性图，雕塑1:
1油泥模型，制作内部模型，绘制车身主图版，绘制内外覆盖件图，制作车身主模型，取样板等步骤。
现代设计方法分为概念设计和工程设计两阶段进行。
国外车身设计是以三维模型为基础的。
随着科学技术的进步，特别是近年来计算机辅助技术（CAD/CAM）迅猛发展，如今的车身设计已经完全有用全新的面貌。
该技术将计算机超高速的计算性能、准确的处理信息的特点与人类的创造思维能里及推理判断能力结合起来，为车身设计提供了全新的理想手段，大大提高了车身造型设计的效率，缩短了车型开发周期。
1.4论文构成及设计过程
在本次设计中，我们也顺应时代潮流，大胆采用CAD技术，全程使用计算机完成设计。
在决定整车基本参数后，使用AutoCAD软件完成车身总布置设计，绘制对应二维工程图，然后使用UGNX软件进行三维建模并渲染输出。
最后撰写设计说明书。
2跑车车身造型设计
汽车造型设计是指汽车基本参数确定后，进一步使汽车获得具体形状和艺术面貌的过程，它包括外形设计和室内造型设计。
汽车造型设计是汽车设计过程中一个重要的组成部分，应使汽车具有完美的艺术形象，良好的空气动力学性能，良好的工艺性，良好的适用性，并考虑材料的装饰效果[2]。
2.1美学的运用
美学主要研究美的存在、美的认识和美的创造。
具有美感的汽车车身造型应该是符合由人类长期时间总结出来的美学基本原则，是外在形式美和内在科技美的统一。
一个优秀的汽车车身造型师也应该是在把握美学基本原则基础上，针对不同消费群体来进行设计，而且其特别吸引人的设计思想，往往会推动实现其目标的技术手段的新发展[3]。
跑车往往个性张扬，灵动的曲线勾勒出矫健的车身，强烈的运动特性在外型上特别突出。
由于本设计做的是工程设计，不涉及汽车造型设计，于是通过大胆借鉴宝马Z4，确定了本次造型风格。
和许多通身圆润的跑车不同，该车在流线型的车身表面捏出很多折线，棱角分明，锋芒毕露。
旨在通过这种前卫风格的外观，表现一种力量与自信，让车在静止状态就诱惑人们有驾驶的欲望。
这既是一款传统意义上的Roadster，同时又是一辆具有超凡魅力的汽车。
前端的流线型设计、长长的轴距，以及比较低的驾驶座设计方式都证明这是一款完全意义上的跑车。
长长的发动机罩和短小精悍的尾部相对照，驾驶员位置相当靠后。
这种设计不但提供了良好的操控感，也提供了完美的50:
50的轴荷分布。
偏低的腰线，配合上置在前轮拱后的激突斜线及高高的肩线，打造出了非凡的立体效果。
这种利用突出线条刻画出来的立体感，从肩线一直延伸至车身尾部，浑然天成。
车身尾部除了造型突出的灯组设计外，大致可分为上下两部分。
从上而下首先是整个行李箱盖的设计，由曲线营造出来的立体感极为突出，被连在一起的扰流翼似乎就是当中的重点所在。
车尾下方则是一体式的保险杠，虽然线条明显较车身来得简单，但硬朗的线条仍然很认真地刻画出来，可谓彻头彻尾。
设计的特别之处还不止这些，它同样可以提供感官方面的美妙体验。
车体上的凸起部分与凹陷部分与光线交相辉映，强烈的直线与柔和的曲线互相补充，光滑的钢铁质感
为汽车的每一个细微部位都带来了豪华的感觉。
图2.1本次车身造型设计效果图
（一）
图2.2本次车身造型设计效果图
（二）
区别于原车型，本次设计前进气栅舍弃了宝马的双肾造型，一体化设计更显霸气，配合犀利的组合前灯，隐约间流露出一股阿斯顿·
马丁的气质。
新设计的车标灵动洒脱，
符合整车的线条感。
相对车身硬朗的线条，圆润风格的后视镜及防滚架为整车张扬的性格添加了几分收敛，视觉上更显平衡。
2.2空气动力学的应用
汽车问世以来，经过100多年的努力，结构和性能均有了质的变革和发展，越来越深入地体现着机械工程学、人体工程学和空气动力学等诸学科研究的成果。
在当今汽车上，机械工程学和人体工程学要素，已达到了相当高的发展阶段，而空气动力学要素还具有更大的发展余地。
随着汽车车速的不断提高，以及在高速行驶时保证汽车的动力性、经济性、操纵稳定性和冷却通风、降低风噪等的需要，汽车的空气动力性能越来越为人们所认识，已成为研究汽车车身设计中的基础学科之一，亦是评价汽车车身水平的重要依据。
为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。
前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用圆滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后翼子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等，这些措施有助于减少风阻系数。
跑车独特的运动特性，对空气动力性能提出了更高的要求。
纵观现今跑车设计，流线型车身，圆润的曲线，丰富的扰流件设计，无不体现优异的空气动力学性能。
举几
图2.3法拉利F50图2.4兰博基尼S概念车
个有代表性的例子，法拉利F50车身尾部，标志性的扰流部件，水平翼和垂直翼一体化设计，为这辆跑车提供了卓越的高速行驶稳定性。
最新的兰博基尼S概念车，突破性地将座舱一分为二，添加了贯穿车身的导气槽以引导气流，实属神来之笔。
仔细观察保时捷CarreraGT、法拉利Enzo、福特GT这三款超级跑车，低而宽的车身，微小的离地间隙，众多的扰流部件构成的怪异外型……从中能够看到当今汽车空气动力学的最高成就——F1赛车的影子。
图2.5本次设计侧面造型
在本次设计中，车身前部保持着圆润的线条，低平的发动机罩提供了较低的气动阻力。
短平的车尾，减少了从车顶向后部作用的负气压，有效防止后轮飘浮。
前端底部扰
流板，可减少进入底部的气流量，还能使底部气流顺利地向尾部或侧面流动，并保持一定流速，使气动升力系数下降。
和行李箱盖连在一起的扰流尾翼将从车顶冲下来的气流阻滞，形成气动负升力，压迫驱动轮紧贴地面，保证动力有效输出。
后端底部附加的扰流部件，提供了良好的气动力稳定。
3车身总布置设计
车身总布置设计是在整车总布置的基础上进行的。
整车的总布置提供了汽车的基本尺寸，轴荷分布范围以及水箱、动力总成、前后桥、传动轴与车轮等的轮廓尺寸和位置。
据此再参考同类车型有关数据，初步确定前后悬长度、前后风窗位置和角度、发动机罩高度、地板平面高度、前围板位置、座椅布置、内部空间控制尺寸、方向盘位置角度与操纵机构和踏板的相互位置等。
最后在此基础上，按满载情况绘制1:
5车身总布置图。
3.1车身总布置与整车总布置
轿车车身的布置在很大程度上是受底盘布置形式的制约。
轿车底盘有四种常见的布置形式：
发动机前置后驱，前置前驱，后置后驱和中置后驱。
跑车的运动特性决定了大多是后轮驱动，例如宝马Z系列（前置后驱），保时捷911（后置后驱），保时捷Boxster（中置后驱）[4]。
在本次设计中采用前置后驱的方案。
初步设计时，必须确定车身与动力总成相对与前轮轴线的位置。
设计为轴荷分布50:
50，借此应该完成动力总成布置和凸包、传动轴的布置。
其实，底盘、车身、动力总成三者共存于一个统一体之内，彼此之间联系密切，相互制约，所以车身总布置和整车总布置工作需要反复交叉进行。
参考现有车型后[5]，确定本次设计基本参数如表3.1。
表3.1本次设计基本参数
车型：
双门双座软顶敞篷车
车长4088mm/宽1780mm/高1308mm/轴距2495mm
前悬820mm/后悬773mm/前轮距1473mm/后轮距1523mm
发动机前置后驱/直列六缸3.0L/最大功率170kw/5900/最大扭矩300Nm/3500
轮胎规格225/45R17/最高速度250km/h
3.2人机工程学的运用
人机工程学是一门新兴的边缘学科。
它是以人的生理结构、心理特征为依据，运用系统工程的观点分析研究人与机、人与环境以及机与环境之间的相互作用，使“人——机——环境”达到和谐、完美、舒适的统一。
在汽车设计中,人机工程学中的“人”主要指驾驶员及乘客，其中驾驶员最为关键；
“机”指汽车及车内紧急救助机构；
“环境”是指车内环境和车外环境。
汽车车身设计则是要以人（驾驶员，乘客）为中心，从人体生理、心理和人体运动出发，研究布置和设备等方面如何适应人的需要。
它主要包括：
确定人体H点、人体模型、眼椭圆、头廓包络线、驾驶员手伸及界面、驾驶的最舒适姿势、座椅的形状、仪表板的布置、方向盘的形状以及他们之间的相互位置关系、校核操作的轻便性、上下车方便性、视野性、乘坐舒适性等方面内容。
3.2.1H点人体模型
车身的内部布置的出发点是人，既要保证安全性又要考虑舒适性。
跑车的内部布置可按成年人的人体尺寸来考虑。
车身内部空间和操纵机构的布置，以及驾驶员与乘客座椅的尺寸和布置等参数均以统计数据作为依据[6]。
用统计均值制作如图3.1的尺寸样板，用来确定基本的布置尺寸。
该样板按腿部尺寸统计值的代表性分三种：
代表性为90%的人体样板腿最长，用于基本布置；
代表性为50%和10%的样板较短。
用90%的人体样板确定了司机座椅的最低和最靠后位置图3.1人体样板尺寸
后，就可再用50%和10%的人体样板检查座椅的中
间位置，以及最高、最前的极限位置。
H是人体身躯与大腿的交接点，即胯点（HipPoint）。
当H点人体模型按照有关标准的规定安放在汽车座椅上时，模型上H点在车身中的位置便是汽车实际H点的位置。
我国H点人体模型的标准参见GB/T11559-89。
3.2.2眼椭圆及其定位
汽车驾驶员眼椭圆是驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅中时，其眼睛位置在车身中的统计分布图形[7]。
眼椭圆是车身设计中的重要工具性图形之一。
车身设计中，常将几种典型百分位的眼椭圆制成样板，以便设计或校核用。
眼椭圆样板在车身侧视图上的定位步骤如下：
1）根据设计已确定的H点水平调节量以及眼椭圆百分位，在样板组中选取相应的样板。
2）在车身侧视图上最右H点向上作垂直工作线，并量取635mm，过该店做出水平工作线。
并根据靠背角确定垂直工作线和水平工作线的偏距。
3）通过计算，定位轿车眼椭圆在车身俯视图上的位置。
3.2.3本次设计的人机工程部分
小跑车（Roadster）车型基本上归类于轿车，因为手头跑车的设计资料十分有限，所以本次设计的人机工程部分基于轿车设计标准。
与此同时，跑车的运动特性在人机工图3.2眼椭圆在车身视图上的定位
程中应有所体现。
在严格符合相关标准的前
提下，跑车驾驶员坐姿相对普通轿车更低（H点低），更后仰（座椅倾斜角度大，在本设计中，驾驶员靠背倾斜角为25度）。
由于跑车需要做剧烈动作，所以座椅采用了半包围的结构，靠背两端的腰撑为驾驶员腰部提供有利的支撑，时刻确保其的正确坐姿。
因篇幅所限，仅列出本次设计部分尺寸见表3.2。
表3.2本次设计人机工程的部分尺寸
尺寸名称
同类车型设计标准
本次设计采用值
驾驶员座椅纵向中心线距侧面尺寸
推荐356mm
356mm
转向盘直径
178mm至533mm
340mm
加速踏板宽度
76mm至108mm
100mm
驾驶室坐垫表面到顶棚内侧距离
940mm至960mm
948mm
驾驶员靠背倾斜角
15º
~35
º
25º
下面是完成的人机工程布置图。
图3.3人机工程布置图（侧视图局部）
图3.4人机工程布置图（俯视图局部）
3.3工程图的绘制
本次设计车身总布置采用的软件是AutoCAD。
自1982年，美国Autodesk公司推出AutoCAD1.0版起，经过不断改进和完善，AutoCAD已经历了十多次版本升级。
今天，AutoCAD在世界上被翻译成18种语言，拥有数百万正式用户，成为世界上最畅销的图形软件之一，也是我国在目前应用最广泛的软件之一[8]。
AutoCAD凭借其强大的功能和庞大的用户群，已经成为事实上的行业标准。
本次设计中使用的是AutoCAD2005版本。
首先根据汽车车身制图标准QC/T490-2000制定坐标原点。
然后根据车型尺寸、轴距、轮距、离地间隙等基本数据，定出几个关键点（例如前端点，发动机罩最高点，风窗玻璃最高点等），由这些点的坐标构造主要轮廓线。
在这个过程中，除了满足行业标准，还应充分考虑造型要求和人机工程学。
主要轮廓线绘制出来后，重新取点做样条曲线，注意在有弯角的地方和曲率变化大的地方应多取几个点，以提高曲线对轮廓线的拟和程度。
由于三视图之间的投影关系，第三视图上的曲线可以由前两个视图完全确定，因此在绘制的时候应该将其安排在最能反应曲线形状的视图上。
例如贯穿车身的肩线，就应绘制在侧视图和俯视图上，再向前后视图投影。
必要的话还需要继续调整位置以满足造型需求。
总而言之，曲线绘制应尽可能精确。
图3.5车身外型
绘出主要曲线后，还应对其进行进一步处理，为三维造型打好基础。
AutoCAD并没有提供曲线分析工具，应将曲线通过dxf格式导入UG
利用UG提供的曲线编辑工具进行处理和光顺。
完成后再导回AutoCAD继续绘制曲线。
这一过程将AutoCAD便捷的制图手段和UG强大的曲线编辑相结合，取众家之长，提高了效率。
有一个问题需要特别指出。
就是画对称曲线的时候，必须设法保证镜像后曲线的二阶连续。
解决方法有两个：
一是绘制一半的曲线，在对称线（或对称面）处，指定曲线端点方向与之垂直，再做镜像。
另一种方法是绘制一边曲线，但是没有达到对称线（或对称面），先做镜像，然后做它们的桥接曲线（使两个对象桥接参数一致）。
这种方法更简单，不过合并出来的曲线有可能曲率梳在空间分布上出现突变，需要继续编辑。
最后，根据制图标准绘出边框、标题栏等。
完成车身总布置工程图。
图3.6车身总布置工程图
4.三维模型的建立
虽然完成了车身总布置图，但三视图仍不足以完整表达车身造型的特点。
同时车身的定型和进一步的零件设计都需要车型在三维空间中的表达。
在真正的汽车开发程序中，需要制作油泥模型，并搭建三维数模。
在本次设计使用UGNX软件进行车身三维数模的搭建，任务主要是车体覆盖件建模。
同时为了完整表达汽车的整体，并考虑到敞篷特性，应一并搭建车轮、车灯，以及座椅、仪表台、方向盘等车身附件。
4.1建立方法及原则
本次三维建模使用的工具是美国EDS公司出品的Unigraphics（简称UG），它是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件。
作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG软件家族使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义[9]。
UG软件被当今许多世界先进的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等各个领域。
UGNX是基于下一代技术的第一个UG版本，提供了新一代技术的关键属性。
我们将利用其强大的建模手段完成车身三维造型。
得益于CAD软件之间的数据接口，之前建立的CAD二维图得到继续利用。
通过dxf这一中间格式，现有的曲线成功导入UG。
于是空间曲线的搭建就有了基础。
施加变换操作，将平面图（俯视图、侧视图和前后视图）放置到图4.1所示位置，再利用“组合投影”命令，生成空间曲线。
有了空间曲线，编织空间曲面就成为可能。
不过前提是要对曲线进行处理。
（对曲线和曲面的处理方法见下文。
）
总的来说，三维建模的原则是严格按照二维图，生成空间曲线，再由线生成面，必要的时候由面生成体。
反复上述过程，利用UG多样的造型功能，完成三维模型的搭建。
UG软件一大优点是造型的参数化，其特点是基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等[10]。
它使设计模型在几何和拓扑意义上建立了基于约束的关联，保证模型编辑的高效性和可靠性。
在本次设计中，这一特性得到了充分利用。
模型搭建过程中，尽可能地保持对象的参数化，为反复修改以达到设计意图提供了便利。
鲜明的例子是“过曲线网格”构造片体，4.4节将详细展开。
图4.1空间曲线的建立
4.2车身建模分块
车身覆盖件通常分为如下几个部分：
发动机罩、行李舱盖，前后翼子板，前后保险杠，侧围，车门，顶棚等。
车身各分块之间有密切的联系，有的要求平滑过度，有的要求实现造型意图，塑出棱角。
这在分块时就应充分考虑，以指导造型操作。
原则是在保证实现可能性的前提下，分块尽量大，以实现造型的宏观控制。
本次设计属工程设计，在三维建模的过程中必须充分考虑设计意图、制造方法和工艺性之间的平衡。
考虑到敞篷车特性以及棱角分明的造型特点，按图4.2分块搭建模型。
图4.2本次建模车身分块情况
4.3空间曲线的处理
利用平面图相关曲线能够投影出空间曲线。
然而这些曲线往往不能直接用于造型，原因是多方面的：
1.作图误差所致。
总布置三视图不可能绝对精确，软件的公差等级和人为操作都会造成误差。
误差累积常常会达到不可接受的程度。
2.编织曲面的要求。
若要达到曲面平整光顺的要求，首先曲线应该平滑。
对曲线进行处理主要有两种方法：
1.保持曲线参数，通过调整二维图上投影曲线的母线，达到更新空间曲线形状的目的。
这样做的好处是参数化设计，与母线紧密结合，易于调整，尤其在光顺曲线的时候。
缺点是不够灵活，很难将空间曲线调整到理想的形状。
2.选择去除参数，将空间曲线的属性变成普通样条曲线，就可以利用UG强大的曲线编辑功能进行处理。
这种方法的优点是直观快捷，自由度大。
缺点是一旦去除参数就不可恢复，有时会陷入不可控的局面。
实际操作的时候应有的放矢，将两种方法相结合。
在前期尽量使用方法一，保留曲线参数。
不能达到要求的时候再使用方法二，灵活转换。
必要的时候应使用复制命令将曲线备份到别的层，以免操作失败和过多调整造成的误差积累。
在汽车开发的流程中，有一工程段称为ClassAEngineering，重点是在确定曲面的品质可以符合A级曲面（A-classsurfaces）的要求。
所谓A级曲面的定义，是必须满足相邻曲面之间隙在0.005mm以下，切率改变（TangencyChang）在0.16度以下，曲率改变（CurvatureChange）在0.005度以下。
符合这样的标准才能确保钣件的环境反射不会有问题。
A-class包括多方面评测标准，G2可以说是一个基本要求，因为G2以上才有光顺的反射效果。
对于B样条曲线，点连续（也称为G0曲线）是在每个表面上生产一次反射，反射线成间断分布。
切线连续（也称为G1曲线，）将生成一次完整的表面
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