正向开发过程中总布置设计经验

尚伟 金贤镇 陈鸿运

（北京现代汽车有限公司）

随着汽车行业发展的日益成熟，总布置设计已成为整车开发过程中不可或缺的一部分。汽车性能的优劣不仅取决于汽车各部件的性能，而且在很大程度上取决于各部件的协调和配合，即总体布置；总体设计水平的高低对汽车的设计质量、使用性能和产品的生命力有着决定性的影响。尤其在整车设计阶段，要根据总布置概念方案及设计输入，编制详细的总布置方案，总布置在工程设计和造型设计之间起协调作用，既要确保造型自由度，又要确保工程设计得以实现[1]。文章结合某电动车开发项目，分析了布置过程，得出经验数值，明确了今后的努力方向。

1 总布置概况

汽车总布置可以用布置和人机界面来定义。“布置”概念性地定义了汽车内外部的几何尺寸和所有大型零部件的位置；“人机界面”则是设计工作场所时使人与工作环境协调的一门科学，所以总布置开发的作用就是要保证几何协调（位置空间、造型比例）、功能有序（制造性、维护性）和性能平衡。

总布置作为汽车设计的主线，在汽车的开发过程中扮演着总设计师的角色，是新车型开发的第1道工序，而新车型总体方案的确定是总布置设计的第1步。首先通过充分准备和综合分析，选择一个合理的整车方案，并经过一定的程序将其确定下来。方案确定后，进行准确布置和计算，并为各总成下一步开展的工作打好基础、准备条件、提出要求并与各专业组协同完成全部的设计，共同实现整车的总目标。

2 总布置一般步骤和任务

汽车尤其是新车型的设计是根据社会对该车型的使用要求而提出的整车参数与性能指标进行计算的。需要从整车的总体设计开始，通过总体设计的分析与计算，将整车参数和性能指标分解为有关总成的参数和功能后，再进行总成和部件设计，进而进行局部设计与研究。

2.1 产品规划

产品规划阶段的任务是选定设计目标，并制定设计工作方针及设计原则。主要包含：竞争车型对比分析研究、整车参数性能目标定义，以及根据所确定的尺寸和性能参数绘制总布置草图。图1示出汽车总布置外形尺寸轮廓图。

图1 汽车总布置外形尺寸轮廓图

2.2 造型阶段

造型部门依据总布置输出的造型硬点（长、宽、高、轴距、轮距、前后悬、前后视野、前后挡倾角、通过性要求及内部空间等）进行造型概念草图和效果图设计，并经过总布置工程师及其他相关部门反复讨论与分析以及领导决策，形成最终造型面数据及总布置设计图（如图2所示）。

图2 某车型总布置设计图

2.3 可行性分析阶段

可行性分析阶段包含典型断面优化设计、主体方案性能分析与优化、工艺可行性分析以及法规可行性研究。对各部件进行合理布置和运动校核，整合汽车各系统和零部件，对整车性能进行控制，保证汽车主要性能指标的实现以及空间的集成和功能性。

2.4 详细工程设计阶段

根据工程可行性分析，进行三维结构设计，同步进行虚拟分析、虚拟试验和虚拟制造同步工程分析，优化车身结构，使之满足整车性能目标、国家法规和相关企业标准。协调好整车与总成之间的匹配关系，优化结构空间，满足功能需求，配合总成完成布置设计，使整车的性能与可靠性达到设计要求。

2.5 设计验证阶段

设计验证阶段通过样车制造、试验验证及小批量生产等过程对整车和各总成的功能性、装配性以及人机交互进行验证校核，如若发现问题及时向工程设计人员进行反馈，相关部门共同研讨进行优化。其中优化的内容包括整车造型控制及技术改进，同时需要协调各系统的设计冲突，使整车布置更为合理可靠。

3 机舱总布置设计要求

按照区域布置分解来看，总布置可以分为发动机舱布置、下车体布置、乘员舱布置及行李箱布置4类。按照开展工作的步骤，首先需要确定整车主要参数，进而进行底盘和机舱的布置，位置关系确定后校核驾驶室内人机工程，最后进行整车的受力分析和计算[2]。

3.1 机舱总布置的重要性

作为整车设计的重要组成部分，机舱布置的合理性不仅关系到动力总成及附件是否能够放入，同时还关系到整车性能的诸多方面，比如：整车的振动噪声、可靠性、行人保护、碰撞安全、行车安全、整车质量、整车轴荷分配、整车的工效、美观性及电气元器件的使用寿命等。

3.2 某款电动车发动机舱的总布置优化

某纯电动车在前期布置阶段欠缺考虑，根据总布置需要遵循的原则，对其机舱布置进行优化。

3.2.1 机舱和管线的布置原则

主要以地板的变动最小为目标，尽量保证离地间隙的要求，需遵循如下原则：

1）布局美观，保证机舱平整性，按照零部件的重要程度优先布置；

2）管线尽量布置在隐藏的空间，直接裸露部分尽量遵守横平竖直的原则；

3）满足工艺装配性、液体加注和下线调整及检测方便性要求；

4）管线应与固定件、运动件保持适当间隙；

5）满足基础保养和常规维修要求。

3.2.2 关键改善部件的布置方案

通过变更整车控制器（VCU）/DC-DC/高压控制盒等专用部件的式样及安装位置，规范管线走向（例如将线束在电机侧面相连变为线束在电机后部相连），调整快充接口以及真空泵的位置，增加集成支架等，避免了快充口与空调管干涉以及线束凌乱等问题，提升了装配工艺性，使机舱布局整齐美观，如图3所示。

图3 某纯电动车总布置优化示意图

4 人机工程布置设计

人机工程是从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律，以达到优化的目的。车辆人机布置以改善驾驶员的劳动条件和车内乘员的舒适性为核心，以人的安全、舒适、高效及健康为目标，使整个系统总体性能达到最优[3]。

人机工程设计的步骤为：

1）确定H点：选定设计用的百分位人体，根据加速踏板、地板及方向盘的位置选择合适的人体坐姿以初步确定前排H点。根据车身空间，通过选定设计用百分位人体，初步确定后排H点及坐姿，同时校核后排头部空间、腿部空间、膝部空间和脚背空间。

2）视野校核：根据H点及人体坐姿确定眼椭圆的尺寸位置及相关人机工程硬点，然后校核前方视野、后视野、风挡玻璃刮刷面积、遮阳板、内外后视镜及仪表板视野等。

3）操作舒适性校核：就是所有可操作部件都能被驾驶员方便舒适地操作，包括脚踏板、手伸及面、换挡、手刹、门内板操作键、发动机盖及行李箱盖校核。

4）汽车的安全性分析：主要包括车内外凸出物校核、汽车安全带布置校核、汽车安全气囊的布置及上下车的方便性校核等。

5 某改款车开发时代表性布置及校核

总布置是实现各种属性需求的最优方案解决者，文章结合某改款车开发时的人机总布置实例，介绍了人机总布置在整车开发中的一些应用。

5.1 驾驶姿态布置

驾驶姿态需要满足人体各关节舒适度的要求，应考虑的因素为：R点、H点、座椅滑轨行程、方向盘、踏板及换挡操作杆等。

将95%的假人放置于竞争车A的前排，50%的假人放置在后排。图4示出竞争车A后排腿部空间和前排膝部空间示意图。经测量，竞争车A的后排空间不足，假人与前排座椅的间距为-24 mm，如图4a所示。除了对于人体尺寸的要求外，仪表板至假人膝盖中心点之间的最小距离还必须满足碰撞的需求，最好控制在80 mm以上。为了增强驾驶员的舒适性，结合竞争车的对标分析数据，最终将后排膝部空间优化到15 mm。

图4 竞争车A后排腿部空间和前排膝部空间示意图

5.2 操作件布置

操作件的布置需满足的要求为：可视性（即相关部品要放在无视野障碍的区域，并不需要通过头部或者躯干的移动就可以看到）、可伸及性、常用操作装置要便于操作、同一系统的操纵装置应该布置在一起、不论白天还是黑夜，对所有指定的驾驶者来说，操纵装置必须清晰可见。

通过实车以及数模对比，竞争车B的手刹和杯托都存在问题。由于杯托高度不足，将500 mL的矿泉水瓶放置在杯托位置时很难取出，且换挡手柄与中央面板间隙不足，水瓶取出时会与换挡手柄发生干涉。其次是手刹拉至最高位置时与中央扶手存在干涉，如图5所示。

图5 竞争车B操作件的干涉问题

5.3 进出性

乘员上下车方便性的直接影响因素为车门的开口形状和位置，需要控制的关键点，如图6所示。图6a中H30（R点至地板的垂直高度）及地板与门槛高度差都是衡量进出性的重要参数；图6b中的脚部移动轨迹与门饰板前下方之间的间距也十分重要，若间距过小，进出时门饰板会与脚发生干涉，不仅影响进出性，还容易造成门饰板污染。

图6 影响乘员进出性的参数示意图

由于改款车开发时保持原地板不变，因此门饰板与腿部间距是进出性的重要考核因素。进行车型改款时，门饰板重新造型，地图袋的大小和位置均发生变化，通过对竞争车A和B进行测量，再反复检讨新造型的方案，以车内乘员的舒适性和便利性为核心，最终确定了门饰板方案。通过检讨竞争车A和B的门饰板最外侧与座椅的间隙，为了提升竞争力，满足人机要求，对间距进行了严格控制。

除了车门饰板的影响外，A柱、顶篷及门槛高度都是影响进出性的重要因素，所以需要在前期开发阶段，围绕上述重要因素，研讨其进出性。图7示出影响乘员进出性的各尺寸说明。A柱在横向和纵向的尺寸都与进出性有关，一般横向尺寸控制在300 mm左右，R点与顶篷的纵向距离一般在780 mm，门槛与地毯的间距一般为110 mm，并且要控制好门槛外边缘至H点的横向距离，如果横向距离过大，上下车时，会导致门槛和小腿部位干涉。

图7 影响乘员进出性的各尺寸说明

除此之外，人机总布置还应该考虑按键及旋钮等部件的操作，要求凸出量一般不大于9.2 mm，凹进去的旋钮一般与周边空间的尺寸保持在15 mm以上（例如点烟器）。行李箱也是布置时的一个重要方面，尤其是开口方向和宽度。

6 结论

文章并没有系统性地详细说明总布置的开发流程，而是结合项目，将发动机舱以及人机工程设计进行了简单的分析说明，旨在明确汽车总布置在整车开发中所起到的重要作用。总布置可能成本较高，所以必须提早考虑。在设计的最初阶段，整车尺寸校核、人机工程分析以及DMU等软件的使用都为总布置设计提供了必要的支持。而总布置工作又是一个系统工程，前期需要协调设计和造型等相关部门的关系。如何确保在整车性能的基础上，整合各个部门的建议使得方案最佳化，都是总布置工程师需要解决的问题。