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总布置设计

HUNANUNIVERSITY

毕业设计

设计论文题目:

C级轿车车身总体参数、总布置设计

2011年06月01日

C级轿车车身总体参数、总布置设计

摘要

车身总布置设计在车身设计中占有很重要的地位,需要在车身概念设计阶段完成。

车身总布置设计是依据整车总布置参数，围绕人机工程学原理对车身的地板、前围、室内空间、车门、发动机舱、行李舱及车身主要参数进行设计。

其目的是在有限的车身外形尺寸内布置各总成和机构，并获得最大的乘坐空间和最舒适的驾驶姿势。

车身总布置设计的合理性，直接影响着整车的使用性能。

本次C级轿车车身总布置设计主要是利用人机工程学的基本知识，参照目标车型奥迪A6的各项性能参数，布置车身的外形和内部，并绘制车身总布置图。

通过本次毕业设计，自己可以参与车身的开发过程，理解和掌握轿车的车身总布置设计过程和方法，扩展自己的专业知识，并为以后的车身设计工作打下基础。

关键词：

车身总布置设计;车身总参数布置;人体工程学;车身室内布置

C-classCarBodyGeneralParametersandGeneralLayoutDesign

Abstract

Carbodygenerallayoutdesignisaveryimportantconstituentduringcarbodydesign,itshouldbefinishedduringthebodyconceptualphase.Thegenerallayoutofcarbodydesign,onthebasementofvehiclegenerallayoutparameters,includescarfloorarrangement、frontfenderarrangement、theinteriorspacelayout、doorarrangement、enginemoduleandluggagecompartmentarrangementandthebodygeneralparametersdesign,relatingtoergonomics.Thecarbodygenerallayoutaimsatarrangingallassembliesandinstitutionswithinthelimitedcarbodydimensions,andgainingthelargestlivingspaceandthemostcomfortabledrivingposture.Therationalityofbodydesigndirectlyaffectstheusingperformanceofvehicle.DuringthisC-classcarbodygenerallayoutdesignmyworkisusingtheinfrastructuralknowledgeofergonomicstodesignsedans’externalandinteriorarrangement,withreferencetotheperformanceparametersoftargetmodel,anddrawingthebodygenerallayout.ThroughthisgraduatedesignIcanparticipateinthedevelopmentprocessofcarbody,knowandmastermorestepsandmethodsofcarbodygeneraldesign,expandmyexpertknowledgeandlaythefoundationformyfuturecarbodydesignwork.

Keywords:

carbodylayoutdesign;carbodylayoutparameters;ergonomicsbody;

interiorlayout

1绪论

1.1课题背景和目的

中国已成为汽车大国，但是和汽车强国的差距依然很大，有些方面的差距还有扩大的趋势，提高汽车自主研发的能力已成为我国汽车行业发展最为迫切的任务。

据公安交通局统计，截止到2010年九月底，我国机动车的保有量达1.99亿辆，其中汽车8500多万辆，工信部副部长苏波预计，2015年我国的汽车保有量将达到1.5亿辆，汽车生产量与需求量之间还存在着巨大缺口。

汽车行业的产业链很长，可以带来很多的工作岗位和巨大的经济效益。

早在改革开放初期，我国政府就非常看好汽车行业的发展契机，大力吸引国外技术投资，建造汽车生产车间。

三十多年过去了，我国的汽车保有量有了很大的提高，但是我国的汽车自主研发能力却依然落后。

经过一代代汽车人的艰苦奋斗，我国终于拥有了自主品牌的汽车公司，但是大多只能生产低档汽车，高档轿车的设计研发依然是我国汽车产业的盲点。

本次毕业设计选择C-级高档轿车的车身研发项目，旨在增强我们对于车身开发的感性认识，扩展自己的车辆专业知识，为自己以后从事车身总布置设计工作打下基础，也为我国的汽车行业培养具有自主设计研发能力的人才。

1.2国内外研究现状

汽车车身总布置设计特别需要设计经验，国外的汽车行业发展较早，车身总布置领域已非常成熟。

随着空气动力学在车身外形设计的应用，汽车的行驶阻力越来越小，车身外形越来越流畅。

逐步发展起来的人机工程学，是进行车身内部布置时的辅助工具，参数化人体模型的建立和应用，使得车身布置更人性化，操作界面的布置也更友好。

计算机辅助设计的发展，优化了车身的开发过程，大大地缩短了车身的开发周期。

我国汽车行业起步较晚，严格说来目前国内还没有真正意义上的车身自主开发能力，大多数汽车设计公司都是基于“BenchMark”的理念在开发新车型：

首先选定一款成功的车型作为设计目标，修改目标车型的参数和造型，然后投入建模和零件试制，整车的开发周期（从目标车型选定到试制样车）一般是一年左右。

在进行总布置设计时，将前人总结的改善车身空气动力学性能的措施：

弯曲顶盖，翘起尾部，增大前后风窗的倾角，降低车身地板高度等应用到车身外形的总布置中。

对车身进行内部布置时，需要充分考虑到人机工程，所以需要使用参数化的人体模型，本次毕业设计主要利用标准GB11559-89《汽车室内尺寸测量用三维H点模型》规定的95%百分位的SAE-3DM模型，并参考同档次的车身总布置数据，对设计车身进行内部总布置设计。

1.3课题研究方法

本设计为C级轿车总体参数、总布置设计。

一直以来我国高档轿车领域都被国外的几大品牌牢牢的占据，高档轿车都以奥迪、宝马等国外品牌定义，高档轿车既要有华丽的外表来体现驾驶者的尊贵身份，又要有足够的内涵为驾驶者提供操纵和乘坐的舒适性，所以其总布置设计要综合考虑其外形特点和内部空间。

1.3.1总体参数设计方法

一般情况下汽车的总体参数需要底盘总布置给出，但是本课题组缺少底盘总布置环节，所以总体参数只能根据同等级车型来标定。

经过小组探讨最后选择C级轿车的经典车型-奥迪A6作为目标车型，提用其各项参数作参考，在满足相关法规的条件下确定设计车身的总体参数。

1.3.2总布置设计方法

车身总布置设计是根据车身总体参数、整车形式、造型特点等约束条件，对各个部件进行布置优化的过程。

一般采用“以人为本”的设计思想，确保乘员的舒适性和安全性，驾驶员的视野性和操纵稳定性，并尽量减小整车质量和外形尺寸，获得最大的室内空间。

车身总布置设计时用到的布置工具：

人体尺寸和人体模型

人体尺寸是布置车身内饰和车身室内有效空间的重要依据，车身内部布置设计应“以人为本”，采用“百分位分布值”作为设计的尺寸依据。

“百分位”是指人体身高分布值的百分位，例如95%百分位的SAE-3DM模型人体标准身高为186.8mm，95%百分位表示身高低于186.8mm的人数所占的百分率。

5%、50%、和95%三种百分位的人体尺寸，分别代表身材矮小、中等和高大的人体尺寸。

人体模型是严格按照人体尺寸制作的，包括二维人体设计样板（HPD）和三维H点人体模型（HPM）。

二维人体设计样板是车身布置时使用的最基本的工具，用于辅助绘制车身室内布置设计图和乘员乘坐空间布置。

二维人体设计样板（HPD）是三维Ｈ点人体模型（HPM）的CAD模型简化形式，它使用人体的各关节点把人体躯干、背靠角基准杆、大腿、小腿等部件连接起来，可以用来布置乘员和驾驶员的关键点和尺寸。

与车身设计相关的人体特征点：

胯点（人体躯干与大腿之间的关节点，俗称H点）、脚心点（PRP）、踵点（人体的脚跟着地点AHP，车身布置的初始基准），这些点是进行车身室内布置的重要基准。

眼椭圆

眼椭圆是指不同身材的乘员以正常姿势坐在车内时，其眼睛位置的分布统计图形。

左右各一分别代表左右眼的分布图形，形状如椭圆，所以称作眼椭圆。

眼椭圆在车身总布置设计中，主要用于仪表盘的布置和驾驶员视野的校核。

眼椭圆是通过对驾驶员眼睛所在位置的测量、统计分析得到的数据绘制的。

眼椭圆的定位主要包括确定椭圆中心位置和倾角，其影响因素主要包括：

转向盘中心与脚心点的前后方向距离（L6）、座椅高度（H30）、座椅行程（TL23）等。

头廓包络

头廓包络是指不同百分位身材的驾驶员和乘员以正常姿势坐在适宜的位置时，其头部位置轮廓线的包络。

在车身设计中主要用头廓包络线来布置最小头部间隙，头部间隙是指车身室内顶部内饰表面的突起点到头部位置包络线的最小距离。

头廓包络与眼椭圆都是通过统计分析得到，二者有直接关系，可以同时定位。

SAE定义了两个关键尺寸：

前排座椅有效头部空间H61、后排座椅有效头部空间H63。

根据其经验值范围：

有效头部空间H61=940-980mm、H63比H61略小20mm、顶盖内饰板厚度（15-25mm），然后进行由内到外的顶盖设计。

此次车身内部总布置设计使用的主要工具是集二维人体模型样板、眼椭圆、头廓包络为一体的H点设计工具，它的创建满足SAEJ4002（2004年2月）的标准，其主视图如图1-1所示。

图1-1：

人体模型主视图

1-PRP2-AHP3-小腿线4-大腿线5-H6-躯干线7-眼椭圆8-头廓包络

1.3.3总布置设计流程

根据车身总体参数确定的最小离地间隙和轮胎规格，确定地板离地高度、绘制车轮转向跳动图得到轮罩轮廓，布置车身底板；然后根据德国DIN73001标准推荐的踏板布置间隙尺寸布置踏板；根据加速踏板踵点坐标定位人体模型，确定座椅参考点；在满足驾驶员视野性、操纵稳定性和乘员乘坐舒适性、安全性的前提下，布置车身的前后风窗、车身顶盖、车门开口形状、仪表盘和后视镜；油箱和备胎的布置需要满足安全性、方便性和空间性的要求。

1.4论文构成及研究内容

本设计论文主要包括四部分:

绪论、车身总参数设计、车身总布置设计和结论。

绪论篇概括叙述了毕业设计的开题背景和目的、国内外的车身总布置现状、车身总布置设计需要用到的辅助工具等。

车身总体参数设计主要介绍了C级轿车的质量参数、性能参数以及车身外形尺寸的设计过程。

车内总布置设计主要介绍了根据相关法规，应用人机工程学的原理，对车身内部构件和空间进行布置的过程。

结论部分主要对整个论文做最后综述，并列出了整个毕业设计的缺点。

设计轿车的总体参数主要参照目标车型-奥迪A6的参数来确定，然后“以人为本”对车身进行总布置设计，最后再根据QC/T490-1999《汽车车身制图》标准绘制车身总布置图。

2汽车总体参数设计

本设计车型为一辆外表尊贵大气，内部宽阔舒适的C级高档轿车，所以在车身总体参数设计时，选择目标车型为高档轿车领域的不朽神话-奥迪A6。

参照奥迪A6的各项性能参数，车身总参数的设计过程如下所示。

2.1汽车形式的选择

汽车形式的差别主要体现在轴数、驱动形式和布置形式上。

汽车的轴数是根据汽车的总质量、道路法规规定的轴载质量、汽车结构和轮胎的负荷能力来确定的，二轴、三轴和四轴是比较常见的轴数。

本次C-级轿车的轴数与大多数轿车一样，选择为二轴。

汽车的驱动形式主要有4×2、4×4、6×2、6×4，在轿车中主要选用的是4×2和4×4，即四轮两驱和四轮四驱。

影响汽车驱动形式的主要因素有：

汽车用途、总质量和汽车通过性。

四轮四驱的轿车通过能力较好，但是结构复杂、整备质量和制造成本较高，所以本次C-级轿车选用结构简单成本低廉的四轮两驱的驱动形式。

汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身的空间位置关系，主要形式有前置前驱（FF）、后置后驱（RR）、前置后驱（FR）。

前置前驱的轿车：

车内地板的凸包比较低，室内布置设计比较简单；散热器在车身前部，发动机冷却效果较好；但是其前轴负荷较大，轴荷分配不合理，前轮寿命短；在路况差的道路行驶时，前驱动轮易打滑，操纵稳定性差。

前置后驱的轿车：

地板下有传动轴通过，所以地板高度很难降低；但是轴荷分配合理，车轮使用寿命长；上坡时后驱动轮的附着力加大，爬坡能力强；车身的总长和轴距较大，乘坐空间宽敞，行驶平稳。

经过比较本C-级高档轿车选用前置后驱的布置形式。

轿车形式的选择为两轴、四轮两驱、前置后驱。

2.2汽车主要尺寸的确定

汽车的主要尺寸包括:

外廓尺寸、轮距、轴距、前悬、后悬等。

2.2.1汽车轴距

汽车轴距L影响整车质量、车身总长、传动轴长度、转弯半径、轴荷分配和传动轴夹角等。

轴距短时上述指标都较小，如果轴距过短车身乘坐空间会不足；汽车制动、上坡或加速时轴荷偏移过大，制动性和操纵稳定性变差；车身的纵向角振动增大，影响平顺性；万向节传动轴的夹角增大。

一般情况下，发动机排量大的货车和客车，轴距宜长，机动性较强的轿车，轴距宜短。

2.2.2前后轮距B1和B2

汽车前后轮距B1、B2影响着车身总宽、总质量、侧倾刚度、最小转弯半径，轮距增加上述参数随之增加。

车宽和侧倾刚度增加，汽车横向稳定型变好；总质量和转弯半径的增加使得汽车的比功率、比转矩下降，机动性变坏。

轮距的布置会受到车身总宽、发动机、前悬架和前轮转向间隙的影响。

乘用车

发动机排量V/L

轴距L/mm

轮距B/mm

V＜1.0

2000~2200

1100~1380

1.0＜V≤1.6

2100~2540

1150~1500

1.6＜V≤2.5

2500~2860

1300~1580

2.5＜V≤4.0

2850~3400

1400~1580

V≥4.0

2900~3900

1560~1620

奥迪A6

2.4T

2796

1540/1569

奥迪A6L

2.4T

2945

1612/1622

奥迪A8

3.0

3074

1620/1607

表2-1：

乘用车的轮距与轴距

本次设计C级轿车发动机排量（2.4T）及其布置形式与上述车型相似，结合乘用车的轮距和轴距范围，轴距L定为：

3000mm，前后轮距B1/B2：

1560mm/1566mm。

2.2.3汽车外廓尺寸

汽车的长、宽、高又称为汽车的外廓尺寸，在市内行驶的轿车其外廓尺寸要根据相关的法规来确定。

GB1589-1989汽车外廓尺寸规定如下：

除去后视镜车宽小于等于2.5m；空载、车顶窗关闭，车高不超过4m；后视镜等单侧外伸量不得超出车宽250mm；顶窗、换气装置开启时不得超出车高300mm。

车型

总长（mm）

总宽（不包括后视镜mm）

总高（mm）

前/后悬（mm）

奥迪A6

4886

1810

1475

1001/1089

奥迪A6L

5035

1855

1485

1001/1089

奥迪A8

5192

1894

1455

1020/1100

表2-2：

市场上C级轿车主打车型的外廓尺寸

轿车总长La包括轴距L、前悬Lf和后悬Lr，即La=L+Lf+Lr。

轿车总长与轴距的关系：

La=L/C，C是比例系数，其值为0.52~0.66,前置前驱的汽车C值为0.62~0.66，后置后驱的汽车C值为0.52~0.56，前置后驱的汽车C值为0.56~0.62，设计C级轿车的轴距L=3000mm，则轿车总长La=3000/（0.56~0.62）mm,La=4838~5357mm。

结合上述车型的长度尺寸，设计车身的车长为La=5046mm。

轿车车宽Ba与车长La的近似关系为：

Ba=（La/3）+195±60mm。

车身总长La=5056mm,则Ba=1820~1940mm，结合上述车型的宽度尺寸，设计车身的车宽Ba=1880mm。

轿车车高Ha的主要影响因素：

轴间底部离地高hm、地板及下部零件高hp、室内高hb和车顶造型高ht,车顶造型高ht值为20~40mm,室内高hb由座位高、乘员上身长及头部空间构成，hb值为1120~1380mm。

结合上述车型的高度尺寸，设计车身的车高为Ha=1480mm。

为了提高乘员的乘坐舒适性，体现C-级轿车的大气尊贵和高档，车身的外廓尺寸应尽可能增大。

但是过大的车身尺寸会影响车身的轻量化及制造成本，也会降低轿车的机动性、动力性和经济性。

综合各方面影响因素、结合上述车型的外廓尺寸，设计车身的外廓尺寸选定为：

5046mm×1880mm×1480mm。

2.2.4前悬Lf和后悬Lr

前悬尺寸影响汽车的通过性、碰撞安全性、驾驶视野、上下车的方便性及汽车造型等。

增加前悬，汽车的接近角减小，通过性变差，驾驶员的视野变坏。

前悬的尺寸范围内要布置保险杠、发动机、转向器等部件，故不能过短。

后悬尺寸影响汽车的通过性、追尾时的安全性、行李箱长度、汽车造型等。

后悬增加，汽车的离去角减小，通过性变差；后悬减小，行李箱的尺寸降低，追尾时吸能减小。

参照上述车型的前后悬尺寸，综合考虑各个影响因素，设计车型的前后悬尺寸选定为：

1000mm/1046mm。

2.3汽车质量参数的确定

汽车的质量参数包括整车整备质量m0、载客量和装载质量、质量系数η、汽车总质量ma、轴荷分配等。

2.3.1整车整备质量m0

汽车带上所有装备（包括随车工具、备胎等），加满燃料和水，但是没有装载乘员和货物是的整车质量称为整车整备质量。

整车整备质量会影响汽车的制造成本和燃油经济性。

减少整车整备质量的目的：

增加载客量或装载质量，抵消因满足安全标准、排气净化标准和噪声标准带来的整备质量的质量，节省燃料。

减少整车整备质量的主要措施：

设计车型的结构应尽量合理，采用高强度的轻质材料，如铝合金和塑料等。

轻质塑料代替金属材料应用在仪表板和油箱等大型结构件上，减重效果非常明显，目前已经得到非常广泛的应用。

减少整车整备质量是汽车设计工作中必须遵守的一项基本原则。

在设计阶段需要估算整车整备质量，乘用车的整备质量可以按照每位乘员所占汽车整备质量的统计平均值进行估计。

乘用车

人均整备质量/t·人-1

发动机排量V/L

V≤1.0

0.15~0.16

1.0＜V≤1.6

0.17~0.24

1.6＜V≤2.5

0.21~0.29

2.5＜V≤4.0

0.29~0.34

V＞4.0

0.29~0.34

车型

发动机排量V/L

整车整备质量（Kg）

奥迪A6

2.4T

1530

奥迪A6L

2.4T

1716

奥迪A8

2.8L

1740

表2-3：

乘用车人均整备质量值

轿车的设计乘员数为5位，发动机排量为2.4T，根据人均整备质量值（0.29~0.34）、参照上述车型的整备质量、综合考虑轿车的燃油经济性，现将轿车的整备质量设计为1560kg。

2.3.2载客量和装载质量（简称载质量）

M1类汽车即乘用车的载客量包括驾驶员在内不超过9座。

本设计车型的装载质量即载客量，最多乘坐人数以座位数表示，轿车的座位数通常为4+1。

2.3.3汽车总质量ma

汽车总质量指装备齐全，并按照规定装满乘客和货物时的整车质量。

乘用车总质量包括整备质量、乘员和驾驶员质量以及行李质量，其中乘员和驾驶员的质量按照每人65kg计算,则ma=m0+65n+αn（kg），式中n为包括驾驶员在内的载客数；α为行李系数，其数值由发动机排量V来决定：

V＞2.5L，α=5；V≤2.5L，α=10。

设计车型α=10，设计载客量n=5,整备质量m0=1560kg,代入上式可得设计车型的总质量为1935kg。

2.3.4汽车的轴荷分配

汽车的轴荷分配指汽车在空载和满载静止的情况下，各车轴对支撑平面的垂直负荷，也可以用各车轴上占整车总质量的百分比来表示。

轴荷分配影响轮胎的寿命和汽车的很多使用性能。

为保证轮胎的磨损均匀和相近的使用寿命，车轮的负荷应该相近；为保证汽车的通过性和动力性，驱动轴上的负荷应该足够大，从动轴上的负荷可以适当减小，从而减小从动轮的滚动阻力；为保证汽车的操纵稳定性，转向轴的负荷又不能过小。

各使用性能对轴荷分配的要求是相互矛盾的，在设计的时候要综合考虑整车的使用性能和使用条件，合理选择轴荷分配。

汽车的传动形式不同其轴荷分配也有很大的差别，其范围表2-4

传动形式

满载

空载

前轴

后轴

前轴

后轴

前置前驱

47%~60%

40%~53%

56%~66%

34%~44%

后置后驱

40%~46%

54%~60%

38%~50%

50%~62%

前置后驱

45%~50%

50%~55%

51%~56%

44%~49%

表2-4：

乘用车的轴荷分配

汽车在现实行驶过程中，经常遇到拐弯、加速等工况。

一般前后轴荷比在48:

52~40:

60之间，汽车拐弯、加速比较灵活，但是爬坡性能较差；如果前轴负荷大于后轴负荷，汽车拐弯、加速会比较迟钝，爬坡能力有所提高。

设计C级高档轿车主要在路况较好的公路上行驶，对其爬坡能力要求不高，再结合表2-4的轴荷分配数据，汽车的轴荷分配初定为，满载：

前轴48%，后轴52%；空载：

前轴52%，后轴48%。

2.4汽车性能参数的确定

汽车的主要性能包括汽车的动力性、燃油经济性、汽车的通过性、机动性以及操纵稳定性。

2.4.1动力性参数

汽车的动力性指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。

汽车动力性的评价指标：

汽车的最高车速，汽车的加速时间，汽车的最大爬坡度，比功率，比转矩等。

比功率越大，汽车的加速性能和速度性能越好，比转矩反应的是汽车的牵引能力。

汽车的动力性参数范围见表2-5

乘用车

最高车速Vamax

km·h-1

比功率Pb

kW·t-1

比转矩Tb

N·m·t-1

发动机排量V/L

V≤1.0

110~150

30~60

50~110

1.0＞V≤1.6

120~170

35~65

80~110

1.6＜V≤2.5

130~190

40~70

90~130

2.5＜V≤4.0

140~230

50~80

120~140

V＞4.0

160~280

60~110

100~180

奥迪A6

2.4T

220

65

130

奥迪A6L

2.4T

230

70

140

奥迪A8

2.8L

250

70

140

表2-5：

乘用车的动力性参数范围

随着道路条件的改善，大排量汽车的最高车速也得到了逐步提高。

为了体现C-级轿车的卓越动力性，最高车速定为250km/h，比功率为70kW/t,比转矩为140N·m/t。

轿车的设计