大功率轮式拖拉机造型设计

本科生毕业论文（设计）题 目: 大功率轮式拖拉机造型设计 组 长: 学 院: 工 学 院 专 业: 工 业 设 计 团队成员: 陈猛、刘金玲、李政霖 指导老师: 杨飞、钱筱琳、宋仕凤 2015年06月05日南京农业大学教务处制目录摘要1关键词1Abstract1Key words11绪论11.1研究背景及意义11.2研究内容21.3拖拉机造型设计的国内外研究概况31.3.1拖拉机造型设计的国外研究概况31.3.2拖拉机造型设计的国内研究概况31.3.3小结32拖拉机车身设计32.1拖拉机车身设计的造型研究32.1.1拖拉机的造型点分析32.1.1.1拖拉机的主要结构32.1.1.2拖拉机的造型设计分解42.1.2拖拉机的造型视觉识别机制42.1.2.1拖拉机产品特征42.1.2.2产品特征的识别机制与过程52.2语意学在拖拉机车身形态设计中的运用62.2.1产品语意学概念简介62.2.2设计流程62.2.2.1使用者分析62.2.2.2感性词分析62.2.2.3特征分析72.2.2.4感性分析92.3设计实践 112.3.1设计任务确定112.3.2前期准备122.3.3方案草图绘制122.3.4最终方案的确定132.3.5初步建模阶段142.3.6拖拉机车身的流体动力学分析152.3.7拖拉机整车的效果图及示意图173 拖拉机驾驶室形态与结构设计研究183.1 拖拉机驾驶室的形态设计研究183.1.1驾驶室形态的演变分析与研究183.1.2 现有驾驶室形态分析与研究193.1.2.1 国外品牌拖拉机驾驶室典型分析193.1.2.2 国内品牌拖拉机驾驶室典型分析213.1.3 驾驶室形态初步方案设计与分析 223.2 拖拉机驾驶室空间设计分析与研究 223.2.1 驾驶室整体空间尺寸设计分析 223.2.2 驾驶员驾驶行为分析与研究 233.2.2.1 拖拉机基本操作 233.2.2.2 用户任务模型和思维模型的建立与分析 233.2.3 驾驶室视野分析与研究 253.2.4 驾驶室车灯设计分析与研究 263.2.5 驾驶室空间初步方案设计与分析 273.3 拖拉机驾驶室的方案设计与分析 283.3.1 草图方案与筛选 283.3.2 方案确定与设计分析 313.3.2.1 驾驶室形态设计与分析 313.3.2.2 驾驶室空间设计与分析 313.3.2.3 驾驶室结构设计与分析 323.3.3 驾驶室建模与渲染364 拖拉机驾驶室人机工程研究与设计 364.1拖拉机驾驶室空间布局设计的人机工程研究364.1.1驾驶室功能定义及操作装置的确定364.1.2驾驶室H点位置的确定374.1.3驾驶室空间布局设计的人机工程学原则394.1.4驾驶室各装置的空间布置404.2拖拉机各装置的人机工程研究与设计404.2.1操作装置的分析与设计404.2.1.1操纵装置的分析414.2.1.2操纵装置的设计424.2.2操作装置的色彩分析与设计424.2.3侧控台的造型分析与设计434.2.3.1侧控台的分析434.2.3.2侧控台的设计444.2.4前控台的造型分析与设计434.2.4.1前控台的分析454.2.4.2前控台的设计464.2.5 3D效果图表现475拖拉机整车设计486 总结51致谢51附录54大功率轮式拖拉机造型设计工业设计专业学生 陈猛，刘金玲，李政霖指导教师 杨飞，宋仕凤，钱筱琳摘要：国内外拖拉机市场的不断扩大、竞争的加剧和技术的饱和等现状使设计成为企业制胜的重要手段。基于形态语意理论对拖拉机车身特征元进行分析与研究，找出适合造型特征元与感性词汇的对应关系，完成拖拉机车身造型设计及流体力学分析；在总结与分析各品牌拖拉机驾驶室形态的基础上，对拖拉机驾驶室形态演变、驾驶室空间、车灯及结构进行分析与研究，结合驾驶员作业情况、驾驶室视野分析，完成了驾驶室形态设计及方案的结构强度分析；基于人机关系对驾驶室内室各装置进行布置，完成各操纵装置的造型与色彩规划与再设计，使驾驶室更符合人的操作习惯，提升拖拉机驾驶室作业的效率及舒适性，减少误操作。为农机装备及相关行业进行产品开发设计提供借鉴与参考。关键词：工业设计；拖拉机；造型设计；语意学；外部流场分析；人机Modeling Design of High Power Wheeled TractorStudent majoring in Industrial Design Chen Meng，Liu Jinling，Li ZhenglinTutor Yang Fei，Song Shifeng，Qian XiaolinAbstract：The status quo of domestic and foreign tractor market expansion, intensified competition and the technology saturation makes design an important means for enterprise to win. The characteristic element of the tractor body is analyzed and studied. based on the theory of semantic form. The correspondence relationship between the suitable modeling feature element and the perceptual vocabulary is found. The design of the tractor body and the analysis of the fluid mechanics are finished. On the basis of summarizing and analyzing the cab morphology of the tractor, the evolution of the cab, the cab space, the car light and the structure of the tractor cab are analyzed and studied. Each device of cab is arranged is arranged based on ergonomics, and the control device of the shape and color is redesigned, to make the cab is more in line with the operation habit of people, to enhance the efficiency of tractor cab operating and comfort, reduce disoperation, which provides reference for the agricultural machinery equipment and related industry for product development and design.Key words：industrial design；tractor；modeling design；semantics；external flow analysis；ergonomics1 绪论11 研究背景及意义在我国农业机械化快速发展的环境下，课题研究背景主要有国内需求量增大、发展空间大、用户要求高等特点。（1）国内需求量增大：近几年来，中国对“三农问题”越来越重视，而且对农业的投入量也不断增加，尤其是在颁布了农业机械化促进法之后，购买农用机械的农民越来越多1。 （2）国内发展空间大：目前，中国的农用机械设计制造水平相比于发达国家而言，还存在着很大差距，而且在拖拉机的品牌形象、外观造型、产品质量以及操作的安全性、舒适性和价格的经济性等方面与一些发达国家相比，任然需要改进。（3）用户要求提高：如今，人们已不再满足于形态单一的拖拉机。所以，拖拉机的形态设计也应不断增加其造型的多变性，才能满足客户需求。在日益竞争激烈的市场环境下，造型美观的拖拉机和符合人机关系的驾驶室设计将会成为提升拖拉机市场竞争力的有力手段。12 研究内容课题是以大马力轮式拖拉机（125马力以上，本论文为200马力左右的拖拉机）为主要研究对象，从拖拉机车身、驾驶室形态及驾驶室人机关系三部分进行设计与研究，如图1所示。图1 拖拉机整车示意图主要研究内容有：（1）拖拉机车身设计与形态语意研究：以形态语意理论为基础对拖拉机车身造型特征元进行分析与研究，得到合适的设计语言来匹配特征元与形容词汇；并且运用计算流体力学的方法对车身进行分析和完善，为运用准确的造型语言进行拖拉机车身设计奠定基础。 （2）驾驶室形态与结构设计研究：在总结各品牌拖拉机驾驶室形态研究的基础上，对拖拉机驾驶室形态演变、驾驶室空间、车灯及结构进行分析与研究，结合驾驶室人机关系、视野分析，完成了驾驶室形态及空间设计，并利用ANSYS软件进行了驾驶室方案的结构强度分析。（3）驾驶室人机工程研究与设计：将人机工程理论应用到拖拉机内室设计中，根据拖拉机作业过程对驾驶室内室各装置进行布置，完成各操纵装置的造型与色彩规划与再设计，使驾驶室更符合人的操作习惯，提升拖拉机驾驶室作业的效率及舒适性，减少误操作。13 拖拉机造型设计的国内外研究概况131 拖拉机造型设计的国外研究概况 自1856年法国人阿拉巴尔特发明了最早的蒸汽拖拉机以来，科技的发展使拖拉机车身在设计和制造时的材料和工艺选择越来越多。拖拉机从早期简单的“圆柱体”造型风格、“长方体”风格，到“流线型”风格、“梯形”风格，直至90年代至今的“曲梯形”造型风格，拖拉机车身造型正向着大型号、曲面化、整体化的方向不断发展着。在人体工学方面更是成果累累，其中就有美国工业设计大师Henry Dreyfuss提出的关于如何归类操纵手柄的原则；日本学者Nishiyama根据大量的实验数据总结出了驾驶员乘坐舒适度与椅面形状及其内部缓冲结构之间的联系2；Toyonori Nishimatsu等人给出的坐塾与舒适性之间的正负关系3；Xuguang Wang、Blandine Le、Breton-Gadegbeku等人研究出的踏板行程和踏板阻力设计的定性规定4以及Dimitrios Drakopoulos和Danny D Mann研究的现有拖拉机驾驶室中的各种操纵装置的间距都偏小，其中有89%的手操纵装置是安排在在驾驶员的右侧，然而在这89%的手操纵装置中只有75%是处于驾驶员右手伸及界面范围之内5等。132 拖拉机造型设计的国内研究概况 在建国初期，由于政治和技术原因我国的拖拉机造型设计还是追随模仿前苏联的风格；又因为受当时国内计划经济的影响，拖拉机的生产销售长期缺乏市场竞争，从而导致厂家对造型设计的忽视。直到改革开放初期，市场竞争活力加大，国内厂家才开始重视对拖拉机形态的研究。现在，国内厂商正通过不同形式的合作来学习国外优秀拖拉机企业的生产管理技术和方法。同时国内企业也开始注重拖拉机产品的自主研发，参与国际拖拉机市场的竞争7。133 小结 通过分析国内外的发展概况，由于历史和经济等原因，我国的拖拉机车身造型设计的水平和国外同行仍然存在一定的差距。因此，找出一个合理高效的设计研究方法对我国的拖拉机造型水平将会有一定的帮助。该设计研究正是将产品语意学、人机工程学等研究方法运用于拖拉机造型设计，为大马力轮式拖拉机造型设计提供参考。2 拖拉机车身设计21 拖拉机车身设计的造型研究211 拖拉机的造型点分析2111 拖拉机的主要结构 拖拉机的主要结构可分为拖拉机车身和车身外的结构两部分。拖拉机车身部分是指除发动机和底盘外拖拉机所有零部件的总称。如图2所示，拖拉机的车身部分主要有引擎盖、驾驶室、挡泥板、车梯、前大灯、前后轮、配重铁、反光镜、聚光灯、信号灯、通气管等。车身外部分主要功能部件如图3所示，包括发动机、变速箱、油箱、前桥、后桥、传动轴、底盘、驾驶室与底盘的四点悬浮连接结构等。图2 拖拉机车身主要部件图3 拖拉机车身外部分主要功能部件2112 拖拉机的造型设计分解 从造型设计的角度来讲，拖拉机的车身外部件大多为标准件，尤其底盘等部件都有相对固定的空间和结构尺寸，可以作为拖拉机车身设计的尺寸参考依据。从上图中对拖拉机基本结构功能部件的了解，可以看出其造型点集中在车身部分，主要有：引擎盖的整体造型设计、驾驶室的形态设计和人机研究、拖拉机前大灯的造型和结构设计、挡泥板的造型以及其与驾驶室连接关系的设计、车梯的人机和形态尺寸设计、前后轮的轮毂造型设计以及轮胎具体尺寸的选定等。212 拖拉机的造型视觉识别机制2121 拖拉机产品特征 产品特征是一个集合概念，如图4所示，它是以产品整体为出发点，依次以树杈型方式分散为产品整体、产品局部、产品特征、产品特征元8。特征元理论上仍可以继续划分为更小单位的产品子特征，但由于人眼的生理局限性，产品特征是不可能有意义地无限划分下去的，最终这个集合将会被限制在一定的区间范围之内9。如图5以轮式拖拉机为例，正常的拖拉机产品整体是一个复杂的组合形体。其产品局部可理解为组成拖拉机整体形态的各个功能与造型部件，如引擎盖、驾驶室、前后轮等。再将局部形态细分就为各个部件上的特征排布，主要的表现形式为形成部件造型的各衔接曲面，即产品特征，如引擎盖的前脸、顶面、侧面和过渡面等。而组成这些形式各异的产品特征的子特征，即曲面上的特征线就为次一级的特征元，如引擎盖顶部曲线。如果将特征元再进一步划分的话，则是构成特征线的点特征，而这一特征对于人眼的观察效果来说是毫无意义的，所以特征元是划分拖拉机形态特征的最小单位。图4 产品特征树状图图5 轮式拖拉机产品特征树状图2122 产品特征的识别机制与过程 用户识别产品造型特征的过程加工机制主要有两种。当用户在观察一个产品时，如果其先注意到的是整个产品的所有特征，即产品的整体特征，那么这一行为过程称为视觉识别的整体加工机制。相反如果用户在观察产品时注意到的是产品的次一级造型特征，即产品局部、产品特征、特征元，则这一行为过程称为视觉识别的局部加工机制。格式塔心理学的理论指出：整体大于部分之和，整体决定其部分的知觉12。从这一理论的观点可以看出，整体加工机制的过程是优先于局部加工机制的，即用户在观察评价某个产品造型特征感觉的时候往往先观察到产品的整体特征并在大脑里形成对对应的印象，其次才是产品的局部特征。反过来，局部特征的感知印象也会影响用户对于产品整体形态特征的二次评价，好的产品往往能够做到整体形态特征和局部特征的高度一致。产品的造型特征元的视觉识别过程，首先是用户通过眼睛、皮肤等的感知器官对产品特征进行扫描，在外部环境的物理、人为、生理等因素的影响下，扫描到的某个特征会有进行第一次的筛选，如果这一特征被注意到的话，则其可进入到下一次的信息筛选过程中。在第二次筛选过程中用户会有意识地屏蔽不感兴趣的信息，而未被屏蔽的特征信息会通过大脑的“捆绑”机制被传输到相应的大脑区域进行处理，在用户心里产生对产品特征的不同程度的印象，随着时间地推移，部分特征信息最终会形成个人记忆。在这一过程中也存在着用户个人记忆和经历背景对产品特征感知的反作用13。22 语意学在拖拉机车身形态设计中的运用221 产品语意学概念简介 语意即语言的意义，是研究产品语言意义的理论。产品语意这一概念最早是由美国设计理论家克里彭多夫和德国设计理论家布特在1983年提出，并与次年得以定义14。产品语意学是从产品符号学中派生出来的研究领域，在特定的使用情境中产品语意学的方法和原则是也可以表达特定符号含义15。语意差异法，又称SD法，是进行产品语意分析时常用的一种方法，这种方法最先由美国著名的心理学家CE奥斯古特于1958年提出，起初SD法只是一种心理测试的方法，现已被广泛运用于产品设计领域。在设计SD法的调查问卷时，首先列出数对词义相反的形容词，将词义相反的形容词作为两极，再于两极间设置数个（一般为七个）评价等级。如图6所示，每条连续的曲线代表某一研究对象的受测平均值。通过结果统计图，测试者可以非常方便直观地了解到受测者对于设计对象的评价结果，便于后续设计工作的展开。图6 SD量表222 设计流程 将语意学应用于拖拉机车身设计中的主要流程如下。 （1）使用者的确定，即确定产品的目标用户、使用目的及方式、操作环境、文化风俗等16； （2）产品的定位，即通过描述性的词汇确定产品的造型风格； （3）搜集同类和相关典型产品的照片，分析其产品造型特征以及特征元； （4）对产品用户进行问卷调查，将调查结果进行定性分析； （5）运用SD法对调查结果数据进行定量分析，从而得出定位词与产品特征之间的对应关系； （6）依据最终的分析结论指导产品设计。2221 使用者分析 该拖拉机车身设计主要针对新生代的年轻农民，这类人群既对生活充满热爱，对新鲜事物无限向往，又拥有农民勤劳本分的特质，设计方案以基于现有形态的适度创新为主。2222 感性词分析 在产品设计中，描述性的词语简短且明了，所以可通过运用描述性的词语对拖拉机进行概念定位。该设计利用感性词对产品进行初步分析的过程如下所示： （1）通过网络、拍摄等途径搜集当今市场上拖拉机产品图片，然后再进行一次筛选，将优选的拖拉机产品图片进行黑白、去品牌图标、缩放成等大图片等处理，以消除色彩、品牌、图像大小等因素的影响，从而可以单纯从产品造型方面对拖拉机图片进行分析与评价，最终制成调查问卷。（见附录A） （2）运用头脑风暴法在图版中尽可能多的列出与所设计产品相关的形容词汇,并对词汇进行筛选整理，从而方便受访者能够轻松自然的表达出他们对调查问卷中拖拉机产品形态的整体感知。与此同时便形成了该感性词分析过程的一级词汇库。（见附录A） （3）设计问卷并进行问卷调查。设计问卷时需要注意的要点包括：需记录受访者的基本信息（包括年龄、性别、文化水平等）、问卷应该尽量简单易懂、选项原则上尽量要少。在进行问卷调查时，采访者应在轻松愉悦的氛围下对受访者进行问卷调查，同时受访者应该包括专家用户、一般用户和新手用户，同时要保证其他条件的均匀性。运用专家法筛选出15对词汇形成调查问卷。（见附录B，问卷1） （4）分析结果数据。统计上述调查问卷的结果，从中筛选出勾选量排名前五的描述性词组对。该设计通过上述的操作流程，最终筛选出来的表达问卷中拖拉机图片的描述性词组对分别是：圆润的硬朗的；保守的前卫的；稳重的轻便的；古拙的睿智的；粗犷的精细的。2223 特征分析 （1）线-型分析法简介在汽车造型设计中，想要得到既定特征的曲面往往需要优先分析影响曲面造型走势的轮廓线、结构线以及控制曲面整体特征的几条重要曲线。纵观宝马的腰线、奔驰的引擎盖截面线，这些厂商对于这些重要的曲线无不是拿捏的恰到好处17。在汽车造型中运用线-型分析法需要着重把握一些关键点。首先，在分析汽车造型特征时需要简练地提取出控制曲面整体特征的关键曲线。而要做到精确提炼，则可以从前述分析产品特征中借鉴方法，即确定汽车造型整体特征，在将其分解成局部组件，然后分析部件子特征，最终提炼出特征元，即关键曲线。如何做出好的关键曲线，实现这一步的方法亦有很多，如产品造型的美学法则、设计仿生学等。综上，运用好线-型分析法可以快速、准确、高效地实现汽车造型设计中特定特征的造型设计任务。加以类比，该设计将把这种研究方法运用于拖拉机车身造型的设计当中。 （2）线-型法在拖拉机车身造型设计中的运用之所以可以将汽车的线-型分析法运用于拖拉机的车身设计中，是因为这两种产品本身的构造原理十分相似。在车辆的设计中，在车身造型往往依赖于其各部件结构组成。从该点容易理解拖拉机和汽车在设计上的天然关联性。同时，构造的相似不代表完全相同，所以在细节的处理上，对于拖拉机的车身设计而言还是需要具体问题具体分析的。通常情况下，在汽车造型设计中提取的关键曲线如图7所示，分别有：前脸、引擎盖线、挡风玻璃线、车顶线、腰线、车窗线、轴距线、后背线、后围等。类比这些特征元，可以总结出拖拉机的关键曲线，如图8所示，主要有前脸、引擎盖顶线、引擎盖侧面线、驾驶室趋势线、挡泥板边线、后背线、车顶线、轴距线等。考虑到关键曲线的影响程度、设计的复杂程度以及标准件要求，该设计优选出了五个拖拉机车身造型设计中的关键曲线，即前脸、引擎盖顶线、引擎盖侧面线、驾驶室趋势线、挡泥板边线。图7 汽车车身造型设计中的关键曲线图8 拖拉机车身造型设计中的关键曲线前脸主要指拖拉机车头前部，其中包括了进气栅格、前大灯、品牌标志，有时也包括转向灯等。虽然拖拉机的前脸较汽车的前脸简化了许多，但其前脸在整个拖拉机车身造型中仍占有很大的权重。前脸的进气栅格在功能上对机器的散热有很大的作用，造型上也可增加设计的美观度。前大灯的作用主要是进行照明，同时也兼做远近灯、转向灯、雾灯。通过对前脸整体趋势和前大灯的不同组合，就可以形成不同整体特征的车身前部。如图9所示，科乐收（CLAAS）拖拉机圆润的前脸和正圆的车灯结合，给人十分优雅的感觉，而凯斯的梯形直角和矩形车灯，能给人以稳重强健的感觉。图9 科乐收和凯斯拖拉机前脸引擎盖侧面线对于拖拉机的机头，甚至整个拖拉机造型特征的影响都非常的巨大，这是由于拖拉机引擎盖的纵深较长的缘故。同时，侧面线也是决定整个引擎盖侧面走势、过渡形式、总特征等的关键所在。引擎盖顶线和侧面线相似，由于引擎盖纵深的关系，引擎盖顶线扮演着非常重要的角色，同时因为它是与前脸之间的重要衔接，所以其和前脸的过渡形式深刻影响着整个车身的总特征，现有拖拉机的引擎盖顶线大体有曲线和直线两种形式。驾驶室趋势线的好坏虽不能影响机头的造型，但其会直接影响拖拉机的整体性。正因为整体性的缘故，在进行拖拉机车身造型的设计时，一旦确定了引擎盖的特征，则拖拉机驾驶室的特征也便要与其保持一致。挡泥板的边线主要指从挡泥板外侧接近车轮的弧线。在拖拉机造型设计中，挡泥板是与驾驶室连接的。同时，拖拉机两侧的挡泥板抑或连接，抑或分离。有时挡泥板也和车梯直接相连，构成一个回形的包裹线。通过观察研究，本文将上述总结的五大类造型元素分别分成两类特征相反的设计要素，从而形成了5个分类标准，10个设计要素，如表1所示。表1 造型分类关键造型特征造型分类标准前脸分割、整体挡泥板边线曲线、折线引擎盖顶线弧线、直线驾驶室趋势线收缩、均匀引擎盖侧面线简洁流畅、弯曲柔和对前述得到的10个造型分类标准进行产品实例的特征对比（见附录），进而制成了如图10所示的拖拉机特征结构图。图10 拖拉机特征结构图2224 感性分析 该设计所建立的评价尺度模式是依据前述中得出的5对形容词，然后分别对每组形容词建立-3至3的七级语义差分量表，如图11所示。图11 七级语义差分量表该7级语义差分量表（图12）共对10个典型的拖拉机样本进行的5对意象形容词的评价，运用Excel对调查结果进行统计分析，其结果如图13所示。图12 对样本1建立的语义差分量表图13 Excel分析结果图14中的分析结果的横坐标代表的相应的形容词，横坐标的1代表圆润的和硬朗的，2代表保守的和前卫的，3代表稳重的和轻便的，4代表古拙的和睿智的，5代表粗犷的和精细的。纵坐标代表的是相应的分值，每条折线指代一个拖拉机样本的得分情况。从上图中可以看出样本1睿智的风格比较突出，样本2圆润的风格特征较明显，样本3较为硬朗且粗犷，样本4具有古拙感，样本5和9显得较为前卫，样本6是既硬朗又给人保守感，样本7和10较为粗犷，样本8和样本9给人最显著的特点是前者较为古拙而后者却很睿智。通过对感性语汇和本文选取的样本特征进对比分析，会发现两者之间的一些联系，如图14所示。图14针对感性词汇对的造型特征和设计要素组合从图14可以看出前脸为整体形式，挡泥板为曲线，引擎盖顶线采用弧线，驾驶室趋于收缩，挡泥板边线采用曲线引擎盖侧面弯曲柔和的形式可以在一定程度上做到圆润的效果；前卫的拖拉机造型主要为分割的前脸、弧形粗犷的引擎盖和收缩趋势的驾驶室；而稳重感则主要取决于整体性强的前脸和均匀趋势的驾驶室；分割的前脸、弧线粗犷流畅的引擎盖加上收缩趋势的驾驶室可以增强拖拉机车身的睿智感；最后一般粗犷的拖拉机车身造型的引擎盖都是整体流畅的。对于前述得出的结果，该设计将采用正交实验法来验证。最终正交实验的计算结果如图15所示。图中因子代表产品特征，包括提取的5个造型特征，指标代表5对感性词汇，T1、T2对应着图10中造型特征的两个造型分类标准，相应分值为感性形容词的SD得分，极差R表示相应指标的差异程度，其数值等于|T1-T2|。图15中可以直观看出A、C、D、E的极差R值在每对形容词都远大于B的极差值，这与前述中的折线图所反映的结果大体一致。以圆润硬朗，睿智古拙为例，对这些特征影响最大的便是前脸的形式、引擎盖的顶线、侧面线形式和驾驶室的趋势。图15 检验结果23 设计实践231 设计任务确定 通过前述的SD法分析，圆润硬朗、保守的前卫的、睿智古拙3对形容词对在人们的视觉识别过程中相当敏感。根据使用者分析，该拖拉机车身造型设计的形容词语汇定为睿智的。结合图14中列出的感性词汇对的造型特征和设计要素组合，该设计的重点将放在引擎盖的设计和驾驶室总体趋势的拟定上，即分割式前脸、简洁流畅的引擎盖侧面线、弧形顶线以及收缩趋势的驾驶室。232 前期准备 考虑到拖拉机和交通工具在一些方面的相似性，在草图绘制前笔者参考了一些汽车草图绘制的书籍，总结了一些拖拉机草图绘制的一些方法。如图16所示，现以科乐收CLAAS AXION 850拖拉机为例进行简单的说明。在汽车设计中轮胎的规格是相对固定的，所以一般在草图绘制过程中会以轮胎的直径为一个模数，然后分别估算出车身长宽高的模数比。根据这个技巧，笔者结合拖拉机前后轮不一致的情况，设定了两个模数，即m1，m2（分别为前后轮的直径）。CLAAS AXION 850采用的轮胎参数分别为540/65 R34和800/70 R38，换算成毫米单位前后轮直径分别为1200mm和1500mm，大概的模数比为4:5。通过软件处理可以看出AXION 850的轴距为15m1+05m2，车顶高度不超过m1+m2，轮距约为m2。为了加快草图的绘制速度，笔者运用底图法即在印有参照图片的草稿纸上进行创作。通过以上两种方法的结合可以极大地提高效率。图16 科乐收CLAAS AXION 850拖拉机形态尺寸233 方案草图绘制 方案一如图17所示，本方案的创作灵感来自于雪铁龙的一款概念越野车。单纯从形态角度来讲的话，本方案力图将引擎盖和驾驶室连接起来，从而加强车身的整体感。从图中可以看出，简洁的引擎盖侧边线起到了整车过渡面的作用。为了呼应该设计的任务，本方案对引擎盖的前脸两做了上下的分割处理，即上部的圆弧过渡面和下部的进气格栅。在驾驶室的趋势设计上做了略微倾斜的处理。图17 灵感来源（左）与方案一（右）方案二如图18所示，其创作灵感来自于兰博基尼的概念跑车。最初的想法是着重对拖拉机引擎罩的前脸做一个极致的分割。从图中可以看出，前脸已被引擎盖顶线形成的曲面、侧边面及中部直角片面完全分割。同时，为了呼应进气格栅的形状，在挡泥板上部和侧面的连接处做了多边形的车灯孔。在引擎盖的顶面线的处理上也不是单调的弧线，而是增加了一点折线的层次感。在拟定驾驶室的趋势线是并没有像方案一那样做太多的收缩。图18 灵感来源（左）与方案二（右）方案三如图19所示，本方案着重是对引擎盖的侧边线和侧边面进行设计。考虑到材料的特性和钣金加工的难易程度，图中的侧边完全采用弯曲直边的处理手法。同时为了丰富形态，侧边做了一些呼应细节的处理。图19 方案三方案四如下图20所示，本方案的设计亮点是综合了前三个方案的设计成果，探讨著名建筑设计师扎哈哈迪德对于造型元处理手法的意境。在前脸的处理上坚持了分割处理，但在比例上相比于方案一是做了很大的调整，进气格栅由原来的占比一半扩大到整个前脸，这样增强了整体的同时，又有利于内部的通风散热。在顶部曲线的处理上，整体上保持大圆弧趋势的同时在顶部正上方做了一些切割。侧边线和侧边面的采用了大众帕萨特式的简洁腰线处理。图20 扎哈哈迪德及其作品（左）与方案四（右）234 最终方案的确定 通过前期方案的草图的绘制，最终选定了方案四进行方案的深入。如下图21所示，最终的方案保留了原来草图阶段方案四的面的处理手法，同时考虑到工艺和材料，面的处理主要以大面为主，在侧面做了回旋处理。同时驾驶室依旧保持略微收缩的趋势。图21 最终方案图因该设计为团队合作项目，经过与小组其他成员的讨论和协商，选择了她们方案中较匹配的风格的方案并与本设计进行融合，绘制了如图22的最终拖拉机整车方案图。图22 最终拖拉机整车方案图235 初步建模阶段 拖拉机车身初步建模过程如下。 （1）基于现有拖拉机造型设计的部分标准化，在建模初期的尺寸与结构拟定上，笔者和同组成员经过查阅相关资料和参考设计定位，确定了如图2324所示的底盘和车轮，即底盘的为轴距2720mm的东方红LX2204型底盘，前后轮尺寸分别为149-28、184-38。 图23 底盘 图24 车轮（2）根据确定的最终方案图，建成了如图25所示的拖拉机引擎盖初步模型。图26中的拖拉机采用全封闭的的前脸设计，车头后端依据底盘的构造呈斜向上的趋势。 图25 引擎盖图26 拖拉机引擎盖与底盘形状与结构关系 236 拖拉机车身的流体动力学分析拖拉机在非工作状态的快速行进过程中，引擎罩会受到一定强度的风阻。而在车身造型阶段，可通过设计一些特殊结构，从而有效地降低风阻18。本文将利用CFD（计算流体动力学）的方法对所建拖拉机车头模型进行分析及相应的优化处理。由于本设计的局限性，在运用ANSYS CFX软件进行拖拉机车头的流体分析仿真中，本文只对三组分析数据进行浅显的解读，即拖拉机车身的表面压力云图、中位面流线图和阻力系数。在进行分析前需要利用前处理软件ICEM-CFD对整车进行网格划分，如图27。图27 拖拉机整车网格划分图 （1）本文首先对初步模型进行了CFD分析，设定相关的边界条件，如速度进口20m/s，选取模型，设定分析迭代步数为700步，分析完成后车身的外部压强分布，结果如图3032所示。从图28可以看出，在特定流场中拖拉机车头所受正压的高峰值集中在前脸的中心处（红色部分为正压的最高值），而负压的高峰值集中在侧面的过渡处（图中深蓝色为负压的最高值）。通过图29可以看出气流在经过车头表面时产生了分流，在车头的前脸和正下方产生了高压区域，尾部出现了不稳定的湍流，形成了负压高峰区域。通过这一次分析，在接下来的优化阶段，该设计将对高压明显的前脸区域进行改进19。由图30，设定分析迭代步数为500步，基本稳定，可测得空气阻力系数为0.925。分析后得知整车在相对空气速度为20m/s的情况下的阻力为974N。 图28 拖拉机车头表面压力云图图29 拖拉机车头中位面流线图图30 拖拉机车头阻力系数图 （2）通过查阅相关文献资料和结合设计美学的原则，笔者将原先封闭的前脸区域设计成进气格栅，然后进行第二次CFD仿真分析19。从图31中可以看出，改进后的拖拉机车头的前脸部分所受正压区域明显减少，同时正压最高值也略有减小，侧面的负压区域也得到了明显地改善。图32的流线图分析中，气流经过车头时产生了较好的层流效果，原先的尾部负压和车头正下方的正压得到较大改善，前脸部分的正压高峰区域亦随之缩小。同时车身在层流中所受阻力会相对湍流中减小许多，车速相等的情况下，燃油耗能会相对减少，从而达到节能环保的效果19。由图33可知，阻力系数降为0.882，在同等速度下风阻降低了45N。 图31 改进拖拉机车头表面压力云图图32 改进拖拉机车头中位面流线图图33 改进拖拉机车头阻力系数图237 拖拉机车身效果图及示意图 经过设计优化，确定了最终的引擎盖方案并进行了渲染，如图3436。图3435为引擎盖的渲染图，图38为相应尺寸图。图34 拖拉机引擎盖渲染图图35 拖拉机引擎盖渲染图图36 拖拉机引擎盖尺寸图3 拖拉机驾驶室形态与结构设计研究31 拖拉机驾驶室的形态设计研究311 驾驶室形态的演变分析与研究历经百余年的发展，拖拉机整体形态及其内部结构已经发生了翻天覆地的变化，同时拖拉机的形态也发生了翻天覆地的变化。从图37可以看出，从早期的蒸汽拖拉机开始，拖拉机的形态依次经历了长方形形态、曲面长方形形态、直楞梯形形态和曲面梯形形态等阶段，最终形成了近十来年所流行的“曲面梯形体”造型风格。依据上文的演变历程，笔者总结了拖拉机抽象形态的发展过程，如图38所示，未来的拖拉机将向着大体量、大曲面发展。图37 拖拉机形态变化图图38 拖拉机形态变化过程图如图39所示，从整体造型的角度理解，拖拉机形态的不断发展变化势必会引起拖拉机驾驶室造型的改变。从早期的简易驾驶蓬到“无”再到“梯形体”型时期及后期的“有”，也经历了简易驾驶棚、无驾驶室、“长方体”型驾驶室、“梯形体”型驾驶室以及“曲梯形体”型驾驶室5个阶段。拖拉机驾驶室形态的演变模型示意图如图40所示，从中可以看出随着拖拉机整体造型的变化，驾驶室的设计也向着曲面、梯形的方向发展。图39 拖拉机驾驶室形态变化图 图40 拖拉机驾驶室形态变化图312 现有驾驶室形态分析与研究通过前期材料的收集可以了解到，目前国外有NEW HOLLAND、JOHN DEERE、VALTRA、CASE IH、DEUTZ FAHR和CLAAS等制造生产拖拉机的知名品牌；虽然国内的拖拉机品牌的知名度相对较小，但像东方红、常发、东风等拖拉机品牌还是具有一定竞争力的。本文分别选取了美国的约翰迪尔和中国的东方红两个品牌作为研究对象，分析其驾驶室造型特点。3121 国外品牌拖拉机驾驶室典型分析 本文选取了美国知名品牌约翰迪尔拖拉机作为典型案例，重点研究其驾驶室的形态特点以及其功能特点。如图41所示，本节比较了5E、6B、6J、7030和8R五个系列。从最初的结构紧凑型到安全型驾驶室，再到全视野的超静音驾驶室，以及最后的Command View Cab系列驾驶室变化过程看出驾驶室的设计越来越人性化，室内的设备也更加全面。图41 约翰迪尔拖拉机种类示意图根据图41所示的五款典型拖拉机形态，本文分别对其驾驶室的框架曲线走向和顶棚曲线轮廓及功能特点进行了分析与总结，如表2所示。从表2中可以发现，这5个系列拖拉机驾驶室的框架基本由略带弧度的直线组成，且有向上内收的趋势；车顶棚也由弧度较大的弧面慢慢向弧度较小的弧面发展，车门有占整个侧面和占2/3侧面两种形式，车灯的形式也在逐渐丰富，形态变化越来越多。表2 驾驶室形态分析表拖拉机案例驾驶室轮廓线型线型特点驾驶室特点前方为弧线，后方为斜线的线型框架；顶部为弧形顶棚；侧面车门有分割。结构紧密，视野良好。前方为弧线（弧度较上者减小），后方为斜线的线型框架；顶部为弧形顶棚；侧面车门有分割。大曲率框架，弧面玻璃，高度密封性，良好透明度，视野范围广。前方近乎为直线，后方为斜线的线型框架；顶部为平面顶棚，四周倒圆角；侧面车门有分割。视野更全面，控制系统更易操作。前方为上斜下直的折线，后方为斜线的线型框架；顶部为平面顶棚，四周倒圆角（角度较上者较小）；侧面车门无分割。采用前后组合式照明，提高夜间及弱光环境下作业安全性。前方近乎为直线（略带弧度），后方为斜线（略带弧度）的线型框架；顶部为平面顶棚，四周向内倒圆角；侧面车门无分割。视野更广阔全面，驾乘更轻松舒适，操控更方便灵活。3122 国内品牌拖拉机驾驶室典型分析 本节选取了中国知名品牌拖拉机东方红的5个系列拖拉机作为研究对象，重点研究其驾驶室的形态特点及功能特征。如图42所示，本节分别列出了东方红的-400/404/450/454、-MG600/650/700/750/800、-1604/1804、-LG1304/1404/1504和-LX2004/2204五个系列拖拉机，它们的驾驶室从一开始的框架式逐渐发展为流线型的全封闭驾驶室，具有视野开阔、造型美观等特点。图42 东方红拖拉机种类示意图 在图42的基础上，本文分别对东方红的这5个系列拖拉机的驾驶室进行了框架曲