车身设计分析.docx

1、车身设计分析1 绪论1.1 课题背景 汽车的出现在世界历史中有着伟大的意义。汽车的出现彻底改变了人们的生活方式，世界也以此变得很小。与此同时，人类生产效率也得到了极大的提升。时至今日，汽车已经不再仅仅是一种工业产品，更代表着一种文化，对人类生产生活都有着深远的影像。 随着人类社会的进步，汽车已经“走进寻常百姓家”，人们对于汽车的要求也不仅仅限于代步运输工具，而对汽车造型方面有了更高的要求。然而，汽车造型的改变往往会影响汽车的空气动力性能。因而，汽车设计师正不断努力协调着汽车外形与汽车相关性能，以生产出满足人们对于汽车外观与功能的双重要求。 汽车的设计是一个协调统一的过程，结构、比例、色彩、尺寸

2、等因素对设计师提出了众多设计要求。设计师围绕设计主题，完成整车车身的设计。 我国的汽车工业从建国以来发生了空前的发展，但是长期以来都局限于货车的设计生产，汽车车身设计一直未能得到长足的发展。因此，为了提高自主开发能力，抢占市场，我国必须重视汽车车身的发展。1.2汽车车身设计发展历程十九世纪末到二十世纪初，汽车在机械工程方面发生巨大的发展而在二十世纪中期以后，工业美学、空气动力学、流体力学、人体工程学才逐渐引入汽车设计学中去。汽车才越来越成为科学技术与艺术造型的统一整体。车身的作用才更好体现了除保护驾驶员之外的个性表达作用。汽车车身结构主要包括：车身壳体、车门、车窗、车前钣制件、车身内外装饰件和

3、车身附件、座椅以及通风、暖气、冷气、空气调节装置等等。汽车车身设计是基于机械工程学、人机工程学、空气动力学这三门学科。三门学科分别对车身提出了自己的以下要求。表1.1 三门学科应满足的要求机械工程学动力性、操纵稳定性人机工程学提供合适空间、舒适性空气动力学阻力小经过几代汽车工作者的不懈努力，汽车车身形式也经历了马车型汽车、箱型汽车、甲壳虫型汽车、船型汽车、鱼型汽车、楔形汽车这几代车身设计形式。1.1.1 马车型汽车 十九世纪末之前，汽车一直使用马车的车身、车轮、钢板弹簧、制动器等部件。当时的发动机则被安置在座位以下，马车型汽车因外形酷似马车而得名。18世纪马车型汽车传到美国后，仅有少数富人才有

4、资格享用。1908年由福特公司退出的T型车，车身由原来的敞开式改为封闭式，舒适性、安全性都有很大提高。图1.1奔驰一号车图1.2戴姆勒一号车图1.3 1984年奔驰微洛牌图1.4 1894年标致小客车1.1.2 箱型汽车 福特公司在1915年生产出一种新型的汽车，这种汽车画马车型汽车有一些不同，它的外形很像一只装有门和窗大箱子，因此被称为“箱型汽车”。在此种车型上，发动机被安置在汽车头部。汽车车身也分为了车头和驾驶舱的造型，箱型汽车也因此得名。图1.5 1915年产福特T型车图1.6通用1928年生产的雪佛莱图1.7 1925年产阿尔法罗密欧1.1.3 甲壳虫型汽车 流体力学教授雷依在1934

5、年通过采用模型汽车在风洞中试验的方法测量了各种车身的空气阻力这个实验具有划时代的意义。克莱斯勒公司在1934年首先采用了流线型的车身设计。1937年，德国设计天才费尔南德保时捷开始进行类似甲壳虫外形的汽车的研究。因为甲壳虫的形体阻力很小。保时捷博士则最大限度地发挥了甲壳虫外形的长处，使“大众”汽车成为了当时流线型汽车的代表作。从20世纪30年代流线型汽车开始普及直至40年代末的20年间，甲壳虫汽车可谓如日中天。图1.8 1934年产克莱斯勒气流牌图1.9 1936年林肯汽车 图1.10大众1200甲壳虫汽车1.1.4 船型汽车 1949年福特推出了具有划时代意义的V8汽车，该车型于1915年便

6、开始着手研制。船型汽车因外形酷似船只而得名。这款车最先将人体工程学引入了汽车设计领域。这款车不仅在性能上比甲壳虫汽车更加强大，甲壳虫类型汽车横风不稳定的毛病在此款车型中得以完美解决。图1.11 1949年福特V8图1.12 1959年通用庞蒂克小客车1.1.5 鱼型汽车 通用汽车公司在1952年生产的别克轿车，开创了鱼型汽车的先河。这种车型更好地解决了船型汽车高速行驶时会产生强大涡流的缺陷。鱼型汽车的背部和地面所成的角度比较小，尾部则是较长，造成围绕车身的气流平顺，涡流阻力小。鱼型汽车才得以迅速地发展。但也同时存在着一些致命的弱点：一是由于鱼型车的后窗玻璃倾斜得过于厉害，致使玻璃的表面积增大了

7、一至二倍，强度有所下降，产生了结构上的缺陷；二是当汽车高速行驶时汽车的升力较大。图1.13 1952产别克汽车1.1.6 楔形汽车1963年，司蒂倍克-阿本提第一次提出了楔形汽车的概念。这种车型从根本上解决了鱼型的结构带来的升力问题。他、它的车身前部呈尖状并向下倾斜，车身后部平直。这种车型很好的解决了升力问题。图1.14 通用奥兹莫比尔汽车1.3当代汽车开发流程 车身的设计开发需要大量人力、物力、财力。我国汽车开发行业属于薄弱环节，归结起来：一是完全自主开发，一切从零开始，工作盲目性大；二是简单地拿来主义，购买技术，这样永远掌握不了核心技术。汽车设计行业经历了近百年的历史。在初期，建立实体、绘

8、制图纸、制作模型、采集样板、油泥模型、试验的样车、三次风洞试验是汽车开发的流程。随着科技的进步，当今人们已经利用计算机技术探索出了一条新的设计方法，在设计中我们使用CATIA、UG、ANSYS等强大的设计分析软件来进行汽车设计，极大地降低车身设计的成本，有效的缩短了产品设计周期。 汽车发开分为正向工程和逆向工程。1.2.1 正向工程图1.15正向开发流程图 新车型的开发是一个非常复杂的系统工程，它需要数百人花费上四年左右的时间才能完成。不同的汽车企业其汽车的研发流程略有不同，但都主要以下五个阶段。一、方案策划阶段 市场调研和项目可行性分析是新项目至关重要的部分。通过对采集到的市场信息进行了收集

9、、整理、分析，对消费者市场得出判断，再通过市场数据分析，做出可靠的市场调研报告，使得企业新项目有依据可循。二、概念设计阶段 这个阶段，开发者需要指定研发计划，安排时间，预算成本，分配任务。概念车设计包括总体布置草图设计和造型设计这两个部分。制作油泥模型可以通过油泥模型师直接完全人工雕刻模型，也可以由数字模型师先根据设计效果图在ALIAS等软件里建立三维模型然后由铣削机铣削出油泥模型，然后经油泥模型师进修改即可。 三、工程设计阶段工程设计阶段主要工作内容包括整车总成以及零部件的设计、调试各个总成之间以及总成与整车之间工作协调状况，使之符合大纲要求。工程设计阶段主要包括以下内容:a）总布置设计 参

10、照总布置草图进行的相关说明，对其总布置进行了细化设计，确定各部件的尺寸和位置，为各总成和部件分配准确的布置空间，确定各个部件的详细结构形式、特征参数、质量要求等一些其他条件。主要的工作包括发动机舱详细布置图、内饰布置图、外饰布置图、底盘详细布置图以及电器布置图的绘制。b）生成车身造型数据 使用专有三维测量仪器对油泥模实施测量，外形和内饰是其工作对象。测量生成的数据被称为点云，技术人员根据点云使用汽车A面制作软件IceM-surface、Catia等来构建汽车的内外构造。建模完成以后，要铣削出一个此数据建立的模型，目的是验证其准确性。c）发动机工程设计 发动机部门针对新车型的特点利用现有发动机总

11、成进行发动机的布置，此外，还要进行其匹配工作。d）白车身工程设计 白车身是指车身结构件以及覆盖件的焊接总成，它包括发动机罩、翼子板、侧围、车门以及行李箱盖在内的未经过涂装的车身本体。为了保证车身强度，白车身是封闭的结构。该阶段的主要工作任务就是确定车身结构方案，详细设计出各个车身的组成部分，通过使用三维软件进行建模，完成焊点图。 e）底盘工程设计底盘工程设计的内容包括：传动系统设计、行驶系统设计、转向系统设计和制动系统设计。通过对各个系统零部件进行包括尺寸、结构、工艺、功能以及参数等方面的定义。再根据定义进行结构设计以及计算，建立三维模型。然后进行零部件样件试验并完成完成设计图和装配图。f）内

12、外饰工程设计 汽车内外饰是指汽车外装件以及内饰件。外装件的主要包括前后保险杠、玻璃、车门防撞装饰条、进气格栅、行李架、天窗、后视镜、车门机构及附件以及密封条。内饰件主要包括仪表板、方向盘、座椅、安全带、安全气囊、地毯、侧壁内饰件、遮阳板、扶手、车内后视镜等等。g）电器工程设计电器工程负责设计包括各种仪表、雨刮系统、空调系统、前后灯光、整车开关以及车内照明系统。 四、样车试验阶段 样车试制部门负责的样车设计根据工程设计的数据，根据需要制作各种试验样车。样车需要进行性能试验：验证设计阶段各个总成以及零部件经过装配后能否达到设计要求，进行及时修改。汽车的强度、耐久性通过可靠性检测来实现。进行试验时需

13、要依照相关规定进行。分析总结、进行改进。 五、投产启动阶段 生产流程链，各种生产设备、生产线铺都在这个阶段定制。模具的开发和各种检具需要在之前准备好。投产启动阶段会耗费半年左右的时间，这个阶段必须完善冲压、焊装、涂装、总装的生产线，完成其性能测试，在能够保证小批量生产三个月产品无重大问题的情况下，正式启动量产。1.2.2 逆向工程图1.16逆向开发流程图 逆向工程（ReverseEngineering-RE）是对产品设计过程的一种描述。逆向工程是一个“无中生有”的过程。即根据已经存在的产品模型，反方向推出产品设计数据的过程。数字测量技术日趋成熟，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术核心内

14、容。在数字化测量设备（激光测量设备等、如坐标测量机）测得的物体模型空间数据下，建立三维模型，之后以CAM技术完成产品的制造。逆向工程是颠覆性的开发形式,极大地缩短了产品开发所用时长,提高了研发的效率。 逆向工程可以以很快的速度完成汽车外观设计。逆向工程是一系列的应用技术和分析方法结合方法，其大致流程就是运用能够测量曲面的工具对产品表面进行数据采集，测量曲面，再通过逆向软件进行处理从而得到合适的曲面，从而完成产品的设计开发。1.2.3 正向工程和逆向工程的相关比较 两个设计流程的主要区别在于正向工程从概念到产品，而逆向工程则由测量的数据来反向推得3D模型。正向开发程序是设计师依据产品设计理念进行

15、的规划与设计构想，绘制草图及模型图，并进行数字建模，最后进行NC或RP（RapidPrototype）的加工程序。但是在逆向工程设计程序中，设计师直接运用逆向工程对PU泡沫或油土模型进行点扫描资料，并通过CAD进行修改与整理，最后完成NC或RP的加工程序。1.2.4 仿生学在车身设计上的应用自汽车诞生之日起，人们就有意无意的在汽车车身的设计中运用仿生学知识。汽车运用仿生学的经典案例有很多，汽车设计通常是对生物的结构、形态、色彩、功能等方面进行仿生设计的。仿生手段大致可以分为以下几种形式进行仿生。遵循美学规律设计生物特征的产品设计转化确定仿生设计概念生物特征的记录建立生物特征的概念认知确定仿生目

16、标 图1.17 仿生步骤 形态仿生：甲壳虫汽车的设计就来自甲壳虫圆润的外形，设计师模设计出了全身弧线形的汽车外形，彻底改变了之前人们对汽车菱角分明的外形认识，这款车不仅从车身功能上有所突破，更在外形上赢得了消费者的青睐，截止到2009年，大众汽车公司所生产的甲壳虫汽车已经累计销售2264.9万辆。而另外一款国产汽车吉利熊猫”也是目前运用仿生学最成功的一款车型，它的模仿了我国的国宝大熊猫，突出了大熊猫是憨厚、可爱、圆润的特点。进气口大的设计，模仿的是嘴巴，而两个前大灯更像是其眼睛，尾部的车灯也模仿了大熊猫的脚掌，车身前悬和后悬较短，轴距采用的是微型车的标准，这模仿了熊猫的身体比例，车声前后呼应，

17、将熊猫的形象反映到汽车外形设计上。图1.18甲壳虫汽车图1.19吉利熊猫汽车结构仿生：汽车结构的仿生指的是设将自然界生物的特有的结构方式通过设计运用到汽车造型上的一种手段，奔驰SL300就是一款名副其实结构仿生的汽车，设计师深入进行了对海鸥翅膀的研究，设计出了了独特结构的鸥翼门，迅速吸引了大量消费者，并且成为一款经典的车型。图1.20奔驰SL300色彩仿生：我们生活在一个五光十色的世界，而大自然的生活颜色也是不尽相同。每种生物都拥有属于自己的颜色。色彩又有着不同的含义，比如有些动物色彩暗淡以躲避天敌，又比如孔雀用色彩艳丽来求偶。通过色彩学的研究，运用到汽车设计上，比如雪弗兰的科迈罗系列汽车，黄

18、黑相间的车身，菱角分明的线条，模仿的则是动物界黄蜂，因此，这款车也得名“大黄蜂”。正是由于其抢眼的设计，获得了无数消费者的青睐。图1.21科迈罗汽车功能仿生：功能仿生注重的是外形到功用，比如奔驰SL级AMG汽车的特殊通风口设计就是设计参照鲨鱼鳃所进行的设计，这种设计就很好的解决了汽车在行驶过程中会遇到很多阻力的问题，这款汽车的侧身通风口设计是的汽车减小了空气阻力，拥有更好的通过性。图1.22奔驰AMG1.2.5 轻量化设计汽车轻量化指的是利用现代设计方法汽车产品进行优化设计或者使用新材料在确保汽车正常工作提下,尽可能降低汽车产品重量,以达到环保、低耗、安全的目的。实现汽车轻量化的主要通过合理的

19、结构设计以及使用新型材料。如今，大部分汽车车身大约占车身总重的五分之二到五分之三。因此，加快汽车的轻量化进程是非常有必要的。相关研究表明，汽车减重10%，油耗率也会相应的降低6%-8%。此外，汽车的轻量化能够显著提升汽车的操纵稳定性以及缓冲碰撞的优势。图1.23 轻量化全铝车身1.3车身总体布置 车身总布置参照的是整车总布置，主要得到汽车的基本尺寸，轴荷分布范围以及水箱、动力总成、前后桥、座椅布置、前后风窗位置和角度、内部空间控制尺寸、传动轴与车轮等的轮廓尺寸、后悬长度、发动机罩高度、地板平面高度、前围板位置、方向盘位置角度与操纵机构和踏板的相互位置等。因轿车车身的布置主要受底盘布置形式的制约

20、。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。在本次设计中采用前置后驱的方案。本车基本参数：表2.1 雪弗兰科迈罗汽车基本参数2015款科迈罗基本参数发动机3.6L直喷式发动机排量（cc）3564最大输出功率（kW/r/min）241/6800最大扭矩（Nm/r/min）377/4800压缩比11.5:1升功率67.6百米加速（s）6.2最高车速（km/h）250综合工况油耗（L/100km）11.3驱动形式前置后驱轮胎前245/45 R20 后275/40 R20轮毂前20”8”后20”9”悬挂FE2运动悬挂前悬架多连杆独立悬架后悬架4.5连杆独立悬架前后配重

21、52:45:00长*宽*高（mm）4837 1917 1360轴距（mm）2852前后轮距（mm）1618/1618最小转弯直径（m）11.6整备质量（kg）17482 现代汽车开发设计方法当今，汽车开发主要包括设计、试验和制造三个阶段。设计阶段则是汽车开发的根基。现在，汽车的设计主要包括概念设计、工程设计这两个阶段。汽车车身造型必须规划出产品的定位方向，再完成后续工作，才能的到效益的最大化。2.1 产品规划产品规划主要任务是制定产品生产过程中可能遇到的问题进行企划。产品规划完成以后，会得出后期的指导性文件，得出用户需求与市场前景的指导性意见。提升了产品研发的效率。除此之外材料应用、成本分析、

22、市场调研等一系列的问题也属于产品规划的范围。2.2 概念设计2.2.1 市场调研市场调研是汽车车身设计至关重要的一部分，市场调研能够帮助我们确定新产品的市场定位，为后期的工作提供指导性意见。图2.1新车销量比例图 如今，轿车换代周期一般在五年到七年之间。一款新车从设计开始到正式量产一般需要两年左右的时间。因此，设计新车时，需要考虑到两年以后的一些因素。需要注意以下几方面的要求。a)开发的此款车能够成为一部分人的情感需求或物质追求；为此，需要研究目标人群的行为准则、消费方式和情感信仰等的问题。 b) 产品一定和制造商的制造能力相符合，产品太超前，相关技术不成熟，生产过程必定会出现问题，相反，产品

23、太落后，根本没有市场。c)产品必须符合满足当地市法规要求、场环境、文化、税务和保险政策等方面的规定，这样的产品才有资格在本地驾驶。 本次设计的车型雪佛兰科迈罗则是抓住了人们的情怀：科迈罗从1966的第一代到2009年的第五代，已经积累了全球几千万的用户的信赖。与此同时此款车与动画品变形金刚和电影变形金刚系列里面的大黄蜂形象已经融为一体，使人见到此车的第一眼就会联想到大黄蜂的形象，回头率非常高。而雪佛兰品牌所属的通用公司有强大的财力与技术支持，使得新产品的研发水到渠成。2.2.2 车型定位通过市场调研，我们明确了自己的设计目标，此时需要对产品进行定位。明确产品类型、级别、功能。科迈罗汽车定位中级

24、肌肉跑车，价格定位在40万人民币左右。2.2.3 造型概念草图任何产品的最初影响，都是出自设计师的手绘。在图纸上，设计师可以发散思维，大胆想象，进行草图绘制。一般通过10名左右的设计人员一起绘制草图，每个人需要完成四个左右的模型草图，这个阶段主要侧重汽车的造型。图2.2 汽车设计草图然后通过讨论层层筛选出优秀草图并加以修改得出定稿。草图是汽车设计灵魂之所在。2.2.4 外观造型效果图通过大量的筛选工作。草图得到定稿，这个定稿需要上交上级部门进行审查。通过审查之后需要由工作人员完成效果图。在完成效果图时，更加侧重细节的表现，使汽车造型变得更有立体感。效果图侧重外观，内饰及色彩这三个部分的设计，这

25、个工作过程可以手绘也可以通过三维建模软件进行绘制。需要注意的是汽车外观和内饰的风格要相呼应。效果图绘制好以后，设计师通过计算机建立该方案的CAD虚拟模型，更加直观地呈现出汽车车身的设计。图2.3 汽车设计效果图2.3 车身的设计2.3.1 车身参数的确定a) 车身的尺寸设计之初，设计师需要确定车身的大小和比例，确定好汽车的级别，然后进行后续的工作。图2.4 微型车标准图2.5小型车标准图2.6紧凑型车标准图2.7 中型车标准 图2.8中大型车标准 图2.9车型级别的划分b) 车身的平衡车身设计过程中，需要保证车身内外与造型的同时，保证设计元素的协调性。比如劳斯莱斯从外形到内饰都给人一种古朴、庄

26、重的感觉。图 2.10 劳斯莱斯汽车 图2.11 劳斯莱斯内饰设计c) 车身的比例车身比例一般受驾乘室空间，行李箱空间和发动机位置是确定车身比例的关键因素。1） 驾驶舱占据了车身一半以上的空间。 图2.12 比例协调的车身2) 行李箱的大小对汽车尾部造型具有很大的影响。图2.13 SUV后备箱3) 车身比例在一定程度上受到发动机布置形式的影响。所以，大部分汽车汽车都是采用发动机前置，但是一些跑车会采用中置和后置的形式。这会影响驾驶舱和后备箱的布置。图2.14 发动机后置后驱图2.15 发动机前置后驱图2.16 发动机中置后驱针对不同车型合理布置汽车车身比例。纵观汽车发展前景，新能源必将成为汽车

27、发展的前景。发动机将被电机和电池所代替，这个更需要设计师们去合理的布置车身比例，使产品得到更好的工作状态。本设计采用前置后驱的设计形式。图2.17特斯拉协调的车身比例4) 车轮尺寸以及轴距、轮距设计师需要根据汽车的规格确定驱动轮的位置车轮的参数。后轮轴距的确定则根据驾乘空间、驱动方式、前后重量的分配，再根据车的宽度决定轮距。图2.18 车身尺寸参数5）H点 H点指的是人体躯干和大腿的连接点这个点是车内布局的基准点，所以，当H点确定以后，车内其他的布局也随之确定。合理H点能够使车内的空间被合理的利用，乘坐舒适感也十分出色。2.3.2计算机效果图的制作 在这个设计阶段，我们需要整合前期工作资料，进

28、行整车的三维建模。计算机三维模型可以直接输入五轴铣销加工中心，这加工成实体，也就是俗称的油泥模型，与此同时，利用ANSYS可以模拟车身的碰撞试验。图2.19 电脑效果图2.3.3 油泥模型的制作在传统的汽车设计中油泥模型是至关重要的一部分，虽然三维软件技术已经相当成熟，但是油泥模型仍然是当代汽车设计不可缺少的一道工序。油泥可以呈现非常坚硬的状态，也可以在一定温度下融化，因此，我们能够为其添加骨架，进行表面粘合，这样有利于设计师在油泥模型表面进行自己的设计以及改进。传统油泥模型制作需要三到四个月。而如今，设计师们使用的是五轴铣销中心完成这些工作，极大地缩短了工作周期。随着3D打印技术的不断发展，

29、油泥模型的制作方法也会发生革命性的变化。图2.20 正在精磨的油泥模型 图2.21 三维坐标仪 图2.22 3D打印机2.3.4 胶带图 胶带图指的是胶带在墙上黏出来的1:1的汽车模型，胶带图一般是通过在1:5的模型上面进行取样。设计师可以在墙上直观地检测汽车线条是否完美。图2.23 胶带图的设计2.3.5 油泥模型风洞试验完成之后的油泥模型需要进行风洞试验。将比例为1：5的小型模型进行风洞试验，得出汽车的风阻系数和一些其他的数据，这在通过这些数据改进所设计的汽车模型直至达到设计要求。然后再制作一个完整的1:1模型。图2.24 小尺寸油泥模型的风洞试验2.3.6 车身模型的建立 这个阶段需要我

30、们将建好的油泥模型转换成计算机三维数据，工程师通过三维坐标仪对油泥模型进行测量，得出“点云”即测量后生成一系列由点组成的数据，再根据这些数据完成汽车曲面的建立。图2.25 点云数据的处理3 车身构造与分析 3.1 车身结构的基本知识 白车身、外部饰品、内部饰品、电器设备是车身的四大部分。a) 白车身:通常是指已经焊装好了，整车都是焊接件没喷一点漆的车身。图3.1 汽车白车身b) 车身外装件:通常是指在车身的外部，并且起一定的保护和装饰作用的部件，还有一部分是具有特定功能的部件，比如保险杆和后视镜。c) 车身内装件:通常是指在车内的起装饰作用或者是对乘客具有保护作用的部件，还有一部分具有特定功能的部件，比如仪表盘，音箱等。d) 车身电器附件:指除了底盘和发动机外的所有的电器及电子装置。3.2 车身布置3.2.1 车身的布置 车身的布置主要的受发动机位置的影响:a ) 由于发动机的前置或者后置或者中置的不同而不同。b) 在发动机前置的情况下，驱动轮是前轮还是后轮还有不同种类的悬架等，它们的转向系统也会有很大的差异。3.2.2 车身的组成a) 前围上盖板位于两个A柱之间保证车身刚度以及保证通风。车身发生碰撞的时候该部分发生形变吸收一部分能量，因此在风窗玻璃支撑部和刮水器的支撑部的设计中应该使用变形减能的形式。b)