（光学工程专业论文）汽车车身表面造型设计及数据技术评价.pdf

摘要 这篇论文从车身表面造型的发展演变历史入手，阐述了车身表面造型的发展 趋势和对车身表面造型数据的评价技术在现代汽车工业中的地位和意义。从工程 应用的角度对车身曲面模型的构造与评价方法进行了详细研究。 论文首先回顾了在车身表面造型设计中占主导地位的曲线、曲面理论和生成 方法，总结了常用的几种曲面拟合方法，同时提出了车身表面造型数字模型的评 价标准，对曲面模型的准则和构造方法作了详细的描述。然后总结了用于曲面质 量评价的方法和原理，结合c a t i a 软件的评价工具，使得用它们来评价车身曲面 质量更加具有可操作性。 文章最后用作者自行设计的一个工程实例对车身表面造型没计及数据评价 的方法作了具体应用，从车身整体，以及车身分块后的一些极具代表性的几个车 身覆盖件作了详细描述和曲面质量评价，验证上述评价方法的可行性和在车身研 发过程中的重要意义。 关键词：车身外表面造型，c l a s sa ，汽车空气动力学，数字模型，连续 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c r e p tt h eh i s t o r yo fa u t o m o b i l ed e s i g nf r o mt h ed e v e l o p m e n to ft h e 0 u t e fs u r f a c eo ft h eb o d ys h a p e ，t h eo u t e rs u r f a c eo ft h eb o d yo nt h ed e v e l o p m e n t t r e n da n ds h a p eo ft h eo u t e rs u r f a c eo ft h eb o d yo fd a t ae v a l u a t i o nt e c h n i q u e si nt h e m o d e r na u t o m o b i l ei n d u s t r y sp o s i t i o na n ds i g n i f i c a n c eo fi t ，f r o mt h ep o i n to fa n e n g i n e e r i n go ft h ea p p l i c a t i o n ，w ec a r r i e d o u tad e t a i l e dr e s e a r c ho nt h em o d e lo ft h e s t r u c t u r eo ft h eb o d ys u r f a c ee v a l u a t i o nm e t h o d p a p e rf i r s tr e v i e w e dt h a tt h eo u t e rs u r f a c eo ft h eb o d yo ft h ev e h i c l ed e s i g n i s d o m i n a t e db yc u r v ea n ds u r f a c et h e o r ya n dt h em e t h o d st og e n e r a t ei t s u m m a r i z e s s e v e r a lm e t h o d so fs u r f a c ef i t t i n gc o m m o n l yu s e d ，w h i l ep u tf o r w a r dan u m b e ro f m o d e l so nt h ee v a l u a t i o n ，w i t hp l e n t yo fs e n t e n c e so nt h es u r f a c em o d e l i n g a n dt h e n s u m i l l e du pf o rs u r f a c eq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d sa n dp r i n c i p l e s ，c o m b i n e dw i t h c a t i as o f t w a r ee v a l u a t i o nt o o l s ，u s et h e mt o e v a l u a t et h eq u a l i t yo ft h eb o d y s h r f a c e as e l f - d e s i g n e de x a m p l eo ft h eo u t e rs u r f a c eo ft h eb o d yd e s i g nb yt h ea u t h o r w a su s e dt ot h ed a t ae v a l u a t i o n ，f r o mt h ew h o l eb o d y ，a n ds o m eo ft h em o s t r e p r e s e n t a t i v eb o d yp a n e l m a d et h ee v a l u a t i o nm e t h o d o fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h e p r o c e s so fd e s i g n k e y w o r d s ：t h eo u t e rs u r f a c eo ft h eb o d ys t y l e ，c l a s sa ，v e h i c l ea e r o d y n a m i c s ， d i g i t a lm o d e l ，c o n t i n u o u s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签叫狃4 导师繇墓垒巯：如- i 妒 武汉理l ：人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 。1 汽车车身表面造型设计在汽车研发过程中地位和意义 汽车造型设计是汽车车身设计的开始。一般情况下，在进行汽车总布置设计 时，就已经把汽车的基本型式确定下来了。其后的外形设计是初步构思外形，它 是整个汽车设计的开始，也可以说它是整车设计最初阶段的构思。1 2 】汽车工业的 初级阶段并没有造型设计。它是在性能逐渐完善、有一定的生产技术水平和规模、 而且产品与人民生活密切相关时，才形成的汽车设计必不可少的过程。【8 】它属于 工业产品造型的一个重要分支。 汽车造型还是一个涵盖多个学科和领域的复杂创作过程。具体表现在以下几 个方面： 第一，科学与艺术结合( 双重性) 汽车造型设计的任务在于将它的实用要求的物质功能与审美要求的精神功 能完美地结合起来。因此，以基础理论科学研究的成果为其后盾，恰当地利用新 技术、新工艺、新材料，使产品能具有先进的、合理的物质功能，即动力性、经 济性、舒适性等。同时，准确地把握具有实用性审美形式的创造，创造出符合时 代审美要求的外形，它构成了本学科科学与艺术结合的双重性的特征。科学与艺 术的结合，设计优美的汽车外形，美化生活环境，创造出新的生活方式，同时改 变和引导着人们的审美意识，将新的科学技术应用于汽车产品造型设计上，同时 把艺术“熔化”于汽车产品造型中，这是时代赋予汽车造型设计师的任务。1 4 j 第二，人机系统协调( 舒适性) 任何一件产品都是以人的接受程度来衡量其优劣的，汽车产品也不例外。它 是供人操纵驾驶和乘坐的。因此，在操纵控制装置设计及其布置上更要适应人的 生理特征，显示装置设计及其布置也要适合人的感知特性，还要考虑乘员上下的 方便性，乘坐的舒适性等。3 所以造型设计人员应运用人机工程学的研究成果， 合理地运用人机系统设计的基准参数，特别是在目前的人性化、智能化的设计中， 显得尤为重要。 第三，启迪形象思维( 创造性) 创造都是从形象思维开始的，最后落实为逻辑思维而形成计划。汽车外形设 计贵在创新，创新是汽车产品造型漫计的灵魂，要求设计者善于从生活中去捕捉 艺术形象，激发灵感，通过概括、抽象、提炼而创造新的形式，这星“想象比知 识更重要 。 1 武汉理t ：人学硕十学位论文 第四，适应发展的需要( 时尚性) 汽车产品的外形要有科学性，在完成其功能的前提下，还应具有强烈的时代 感。一方面要体现时代的审美要求，另一方面要尽量采用新科技、新材料、新工 艺使汽车外形有较强烈的时代感，其影响因素如下。 ( 1 ) 科学技术的发展 科学技术的发展，产品功能的完善是汽车造型的实际的先导。纵观汽车外形 发展，只有在科学技术为其提供新理论、新技术、新材料、新工艺的基础上，才 能产生多方面的变化。汽车造型设计是完全依附于科学技术的发展的。纵观汽车 的发展历史和不同的发展时期，其都是与当时的科学技术的发展分不开的。 ( 2 ) 产品功能的完善和转化 由于汽车产品功能的特殊化，有着它自身的发展趋势。例如轿车在一定的前 提下，尽量做到小型化和轻量化。且其性能也随着产品的发展、科学的进步而逐 渐完善的。 ( 3 ) 人们审美观念的变化 人们的审美观念是随着牛理、心理、社会环境，以及旁系学科的影响而变化 的。从心理因素讲，在人们的心理特征中，好奇、好胜、求新、求美的心理作用 是促进汽车产品造型演变的心理冈素。当人们的物质生活比较富裕时，追求精神 上的满足和快慰则更为强烈，也同样会进一步激发人们好奇、好胜、求新、求美 的心理。 1 2 汽车车身表面造型数据的质量评价的意义 车身外形的变化，经历了由简单到复杂的演化过程，箱式，船形，楔形，光 滑曲面过渡的外凸形，这一过程也得益于各种先进技术的大量应用，如三维图形 技术、空气动力学仿真技术等等。 现代车身设计，尤其足外观零件的设计，已经完全摈弃了由二维转三维的阶 段，直接由三维到三维，只不过是从虚拟三维数字模型到实际三维零件。正是借 助于先进的设计方法和工具，车身丌发周期才能由历史上的4 至5 年缩短至目自可 的1 至2 年，甚至更短。口1 随着逆向设计( r e v e r s ed e s i g n ) 、稳健设计( r o b u s t d e s i g n ) 、 基于分析的设计( b a s e do nt h ea n a l y s i so f d e s i g n ) 以及面向制造的设计( d e s i g nf o r m a n u f a c t u r i n g ，简称为d f m ) 等新方法涌入车身设计过程，基于三维的车身曲面 模型设计越来越重要，其在整个产品链中所占据的地位也日益增强。 一款高质量外表面造型的汽车在同等性能的品牌中，具有很强的视觉和审美 竞争力，而在车身设计中，外表面造型的设计直接决定了研发的质量或者说市场 竞争力，这就确定了对于外表面造型数据的评价在研发中的重要地位了。 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 第2 章汽车车身表面造型的发展史 2 1 汽车车身造型风格的演变 2 1 1 汽车车身表面造型发展史 2 1 1 1 汽车车身表面造型发展的影响因素 汽车车身表面造型的确定取决于如下几个因素：机械工程学、人机工程学、 空气动力学以及电子学等，各个学科的发展和完善促进了汽车外形的发展。 汽车主要要求动力性、舒适性、安全性和经济性。在此前提下，首要的问题 是机械工程学要求，其中发动机和底盘的设计、各部件的布置和安装一直是汽车 发展的一个重要方面。【7 j 完成总布置设计之后，可根据发动机、变速器的大小和 驱动形式确定大致的车身形式，然后涉及车身的设计与制造，这些都属于机械工 程学的范畴。 其次是人机工程学要求。汽车是由人来驾驶和乘坐的，必须保证安全性和舒 适性。首先要确保乘员的空间，保证乘坐的舒适性、驾驶的方便性，并尽最确保 驾驶员的视野性，另外还包括上下车的方便性。从广义上讲，人机工程学还包括 对步行者安全性的保证，它涉及到车身外部的尺寸和形状问题。【5 j 机械工程学和人机工程学起着决定汽车基本骨架的作用，应该说是来自于汽 车内部对车身设计及造型设计的制约。 随着车速的提高，空气动力学尤为重要，主要还是侧重在空气动力学的应用。 分析表明，汽车所受到的空气阻力与汽车行驶速度的平方成正比，因此必须在车 身外形上下工夫，尽量减少空气阻力。空气阻力分为汽车横截面面积所决定的迎 面阻力，以及由车身外形所决定的形状阻力，这些都是与汽车造型密切相关的。 从空气动力学的角度出发，还有升力的问题和受横向风时的不稳定问题，它们都 是影响汽车外形发展和设计的重要因素。1 6 l 此外，一个国家、一个民族、一个厂家乃至一个设计者都有各自的特色，这 也同样影响了汽车造型。只是在具体表现形式上有微妙的变化。 总之，协调以上诸要素，是汽车造型设计者的首要任务，也是促进汽车发展 的重要因素。 上述各要素，在汽车工业发展的不同时期都有所侧重。比如，在汽车制造技 术尚未成熟的初期，机械工程学要素是其重点，使汽车能行驶即可。随着科学技 3 武汉理人学碘十学位论文 术的不断进步，就逐步开始尝试把诸要素统一于汽车上。 研究汽车造型的演变历史，就会发现，同一时代的汽车造型，总是有共同之 处，一般可大致分为五个阶段，即箱型汽车、甲虫型汽车、船型汽车、鱼型汽车 和楔型汽车川。现以轿车为例予以叙述。 2 12 汽车外形的发展过程 ( 1 ) 箱型汽车 1 8 8 6 年德国工程师戈特利柿蛾姆勒( g o t t l i e b d a i m l e r ) 制造的戴姆勒一号 车被认为是世界第辆汽车，如图2 - 1 所示。 图2 1 该车是发动机后置、后轮驱动的旧轮车，后轮比前轮约人倍，利用转向拉 卡t 转向，速度为1 0 k m h 左右。曾经有人把当时的汽车称为“没有马的马车”，这 就是箱型汽车的原始型。原始的箱型汽车，发动机功率仅有i 一2 h p 能乘坐2 - 3 人，当时的汽车只是绅士贵族的娱乐j 具。 由于车速的提高，迎面风使乘员难以忍受，因此需要考虑改变汽车的外形。 1 9 0 3 年美国福特公司制造的a 型车，在浚乍啦席前设一块挡风板迎面来的风 遇到挡风板，便向上方吹去，吹不着车上的乘员。 后来，又在汽车e 设置风挡玻璃，没有车j ，发动机前置，发动机为双缸。 速度t 达5 0 6 0 k m h ，但这时仍没有脱离马牟造型，是技术和设汁均未成熟的产 物。 汽车基本造型的确立是1 9 1 5 年福特t 型汽车。在此之前，马车造型的汽车， 从整体上看可以称为箱型，只是没有车门和车篷。 1 9 0 0 年德阿”始制造双缸发动机。1 9 0 5 年”始生产四缸发动机，这时才出 现了木结构的箱型汽车。但此时的箱型车重量大、成本尚，所以仍以马车造型为 主。 真正的箱型汽车是以1 9 1 5 年福特公司生产的t 型汽车开始的。如图2 2 ， 4 武汉理l 。人学顶e 学位论文 圈2 2 它确立了以后汽车的基奉造型。 特别是1 9 1 3 年福特汽车公司创建了最早的流水作业汽车生产装配线，并开 始装配t _ 型( m o d e l - t ) 车，这种车型由十开始采用当时最先进的大批量生产 的组彭 形式，加之其结构设计的简化，因而造价低廉，这样就有可能把汽车的使 川范推广到更多方面。汽车不再是l ：层礼会的奢侈品而是一般中产阶级和富 裕农民的运输工具。因此，汽车很快进入家庭。 福特公司不但创立了大批量生产汽车的方式。弗儿丌始考虑到发动机、变速 器及车轮系统等，结构不变，而仅仅改变车身外形，即现在所谓的“变型”车。 随着人们q 嘲 水平的提高，人t f , q 汽牟辑方面的要求也越来越高。为调动用 户9 1 l i 买汽车的秘极性，制造者已经注意到了用户对汽车外j | ! | 5 的审美要求，意识到 汽车造型对销售的促进作用。同时用户也产生了多样化的要求但在当时并未形 成汽车造型的整体手段，仅能局部地改善某些零件的外观如在前部散热器罩、 翼干板等的形状和轮罩卜进行装饰惟的改进。 人们使用交通”i 具是为了更快地到达曰的地。汽牟的速度是衡量汽车性能的 主要标志之一。提高车速，就要有相应的大功率发动机，1 l i 这还不够。分析表明。 在汽牟高速行驶时空气阻力是一个主要问题。当车速为5 0 k m h 左有时，柏对风 速1 5 m s 空气阻力还不大成问题。而在设计时速1 0 0 k m h 以上的汽车时，则耍 考虑空气阻力的问逝，赛乍是从1 9 0 0 年，实用车足从1 9 1 0 年丌始考虑了空气 阻力问题。 减小空气阻力的方法之一是减小迎风面的面积，1 9 0 0 年的汽车车体几乎与 马车同高为2 7 m 1 9 1 0 年降到2 4 m ，1 9 2 0 年为1 9 m 。历史表明汽车的高度 足逐渐降低的。由于车身内要坐人，所以车身高度降到i 3 1 4 m ，基本上就达到 了域低限度。现代汽车为降低高度，离地自j 隙已达到1 3 0 r a m 以下，再降潜力就 已经不大了。 车身宽度越窄，空气阻力越小。按理说，应该迓渐变窄，但是实际上，却是 冒 武汉理l ：人学硕十学位论文 逐渐加宽，开始只有1 3 m 左右，不久就扩大到1 4 m ，横坐两个人的汽车车宽应 达到1 6 m 左右，横坐三人的大型车达到1 8 2 0 m ，加宽车身能增加汽车行驶的 横向稳定性，但是车身截面积增加，导致空气阻力增大。因此将车身横截面从初 期的四方形逐渐变成椭圆形，在保证所需空i 、日j 的同时，减小了截面积，从而降低 了空气阻力。 降低车高不仅可以给人以快速的感觉，更重要的是可以减小空气阻力，提高 车速。随着车顶高度的降低，前窗玻璃不断变窄，影响前方视野，乘员也感到十 分憋f c j 。因此靠提高发动机功率来克服空气阻力的传统方法，再一次受到重视， 发动机罩很长。但由于前方视野差，驾驶困难，舒适性差，历时1 0 年到1 9 3 0 年 前后，就很快消失了。箱型汽车与以前相比，棱角部分都变成为圆滑过渡了。 ( 2 ) 甲虫型汽车 为减小空气阻力，需减小迎风面面积，但是空气阻力还包括形状阻力。它是 由汽车外形形状引起的空气涡流所造成的阻力。形状阻力占有很大比重，前窗玻 璃、车顶，特别是汽车后部，产生空气涡流，这些涡流起着阻碍汽车i j 进的作用。 人们经常看到行进中的汽车从排气管排出的白烟在汽车尾部缭绕，这就是尾部产 生的涡流现象。这种空气涡流如果很强，就足龙卷j x l ，具有极人的能量。汽车产 生涡流，需要消耗汽车的发动机的能量。 1 9 1 1 年，卡门在以一定速度范围流动的水中立起一根柱子，发现柱子后部 产生涡流。1 9 2 0 年，德国人保尔亚莱用j x l 洞对有名的卓别林号飞艇进行了空 气阻力研究，证明正面形状和侧面形状对空气阻力的影响很大。物体所受的空气 阻力与迎面面积成正比，并与速度的平方成反比。而哑莱更进一步引进了物体形 状决定的空气阻力系数的概念。空气阻力的计算如下： r = c j a v 2 式中，r 为空气阻力( n ) ；a 为迎面面积( m2 ) ：v 为物体的速度( k m h ) ； c r 为空气阻力系数。 亚莱发现，前端方形的物体比| j i 圆后尖的物体的窄气阻力系数要大得多，从 而找到了减小形状阻力的途径。 1 9 3 4 年，美国密执安大学的雷依教授采用风洞和模型汽车，测出各种车身 的空气阻力系数。不久，有更多的航空流体力学学者从事汽车车身空气阻力的研 究，其成果被大量地应用到汽车设计上。 汽车车身制造技术的进步也起到了很大的作用，以往的车身是在木制骨架上 蒙盖铁板或布，但自从有了汽车钢板冲压技术以后，就开始生产具有许多柔和曲 线的流线型车身。甲虫型汽车就是在这样的情况下出现的。 1 9 3 4 年，大量生产的克莱斯勒气流牌小客车首先采用流线型。该车侧面 6 武汉理，i ：人学硕十学位论文 形状与雷依教授风洞试验的第三种模型相似，如图2 - 3 。 图2 3 该车使以往分散的发动机罩、前翼子板、头灯等成为一体，消除i 1 1 u l 部分， 但仍保留前翼了板并没有上下车脚踏板，保险杠向d 口突出这就是甲虫型汽车 的初型。 流线型车身的“甲虫型”的车人量生产是1 9 3 7 年从伏克斯瓦根 ( v o l k s w a g o n ) 4 1 始的，如图2 - 4 。 图2 - 4 改车车身重视机能与合理性，凼此i 川福特的t 型年一样有较强的生命力，t 型午曾持续了整2 0 年；伏克斯瓦根从1 9 3 7 年起连续生产了3 0 年。德国的波尔 舍( p o s c h e ) 博 采用轻便的扭轧弹簧，后置小型_ | 】叱冷水甲埘簧四缸发动机从 而使甲虫的自然美被如实地运刚到车身造型j ：。 甲虫型汽牟也有明显的缺点。尽管它具有流线型，空气阻力较小，但是与箱 型汽车相比，乘英的活动空f b j 明显变得狭小，特别是后排乘员，头顶l - j g 乎没有 空自】。它的另个缺点是对横向m 的不稳定性。所嘴横向风稳定性，就是j 扎力怎 样作用十车身侧面的问题当横向风作用在午身侧面时，汽牟纵截面的形状决定 风的作用中，t l , ，即风压中心，横向稳定性问题就是山风压中心与车身重心的相互 位置而产生的。 箱型汽车的纵断面，明显是后部大，风压中心在车身重心之后。但甲虫型汽 车，因追求流线型，风压中心向前移，位于车身重心之前。受到横向风的影响时， 7 武汉理l 大学硕士学f 十论文 箱型车丌始是随风偏离行使路线，但接着是车尾继续随m 偏移，而车头则转向迎 风，最后使车子回到原来的路线。甲虫型车受到横向风作用后，车身前部随风偏 离原来的行使路线，因此是不稳定的。特别是车速超过l o o k m h 后容易失去 行使的稳定性。同时，甲虫型汽车忽略了人机工程学。 ( 3 ) 船型汽车 在第二次世界大战中发展起来的人机t 程学被应用于汽车上，福特公司于 1 9 4 9 年丌发出了福特v 8 如图2 5 。 图2 5 它与甲虫型车有很大的区别。第次驾驶该车的驾驶员，被其轻便的操纵性 所倾倒，后排的乘员则对其舒适性惊叹不止。应该说在汽车设计上，以人为主体 的设计思想，是从这时开始的。即让设计师置身十驾驶员及乘员的位置，来设计 使十操纵、乘牮舒适的汽车，并从理论上解释了两轮之间的乘坐位置的颠簸最小， 采用了将整个牟室甬! 于两轮之间的设汁疗法，l j i 矗为发动机室后部为行李舱， 这样非常接近r 船的造型，故称之为船型汽车。 船型汽车的视野性也比甲虫型车好得多，除了删角t 的窗框影响视线外，四 卣都可以看到外面，因此福特v 8 受到了顾客的欢迎。该车既考虑了人机工程学， 义考虑了空气动力学的影响，埘以后的车身外形影响很大。 船型车如果采用普通发动机前置风压中心大体上与汽车重心一致。与甲虫 型车比较，增加了车身的纵向面积，从而使风压中心后移，增加了高速行驶的稳 定性。 其次进行的就是改善驾驶员的视野性。| = i 虫型车争盛时期大约为1 5 年，而 船型汽车从1 9 4 9 年r 始，已历经5 0 多年，仍在沿用。证明了这种平直外形确 实足十分优秀的，没有什么可改的。以后，又在视野性上进行了些改进，即i j i 后窗的倾斜度逐渐加大，以减小空气阻力。1 9 3 0 年以前，日口后窗没有倾斜，基 本上是垂直的。注重了空气动力学之后，其倾斜角逐渐加大。甲虫型汽车的背部 形状傲称为“滑背”( p l a i nb a c k ) ，船型的称为“阶梯背”( h c t c k b a c k ) ，比其 目 武汉理l ：人学硕士学位论文 倾斜度更大的称为“半斜背”( s e m i f 雏tb a c k ) 或斜背( f a s t b a c k ) 。斜背式汽车 已接近后面将要介绍的鱼型车。 另外是采用大圆弧风挡玻璃，将风挡玻璃由驾驶员的前方扩展到侧面，视野 性大大改善。 后来又将这种玻璃应用于后窗，取得了良好的效果。但是这种玻璃流行了8 年，后柬由于立柱强度不够，撞车或倾翻事故时，容易发生车身弯曲和车顶分离 的危险。 后来还出现过后窗玻璃的反倾斜的造型，但不久也被淘汰了。 ( 4 ) 鱼型汽车 船型汽车有人机工程学方面的优越性，因此具有强大的生命力，成为世界汽 车的基本车型。但是船型车尾部过分向后伸出，并形成阶梯状，也会产生空气涡 流，尽管它没有箱型车严重。因此由阶梯状的标准型。逐渐将后车窗倾斜，倾斜 的极限，即成为苗条的鱼型。斜背式车身就是鱼型车身的典型。 鱼掣车亦属于流线型，它与甲虫型车相比，有两方面要注意：一是鱼型是山 船型演变而柬的，它考虑了人机工程学的应用；= 是这期间汽车风洞试验的疗法 发生了相当大的变化。因此，斜背式是以更深入的科学研究为基础的新式流线型。 甲虫型汽车没有考虑到路而的影响，随着汽车风洞试验方法的进步，逐步制造出 经过锤炼的流线型。在充分考虑汽车特有的诸条件的基础上，建立了新的汽车流 线型理论体系，斜背式就是这样的研究成果。 最早问世的斜背式汽车是1 9 5 2 年通用汽车公司制造的别克小轿车，1 9 5 8 年 英国阿斯顿马丁公司生产的斜背式轿车，图2 - 6 ，累计生产了1 1 1 0 辆。 1 9 5 2 别克1 9 5 8 阿斯顿马丁 图2 6 鱼型车与甲虫型车相比，两者的区别在于；首先，二者都属于流线型，但甲 虫型车是出箱型车进化而来的，车身高。从空气动力学观点看，前后翼子板和两 侧踏板等发生悟门涡流的因素很多。鱼型车是从船型车进化来的，车身低，没有 阶梯，前后翼子板与车体几乎成一体，并且鱼型车倾斜比较平缓，尾部较长，围 绕车身的气流也比较平顺，不会产生涡流。鱼型车身比甲虫型车低、长、美观， 邑 武汉理i ：人学硕 ：学位论文 具有鲤鱼的造型。它的横截面积小，所以迎风阻力小，形状阻力也小。 其次，鱼型车的后排座椅处于后桥的前方，因此后排摆动小。由于重心低， 乘客在汽车急转弯时也不致倾倒。从驾驶员的角度看，由于后席低，后窗下缘也 低，因此后下方视野性好。而甲虫型车的滑背式，一般后席都比较挤，位置正处 于后桥上方，摇摆大，位置也高，影响后方视野。 此外，如果两种车的宽度一样，那么鱼型车室要宽敞得多，这是因为甲虫型 滑背式车的前后翼子板及两侧踏板占据了一定的空间，而鱼型的车身两侧平坦， 车身宽度几乎等于车室宽度。 还有，甲虫型汽车后排座后面的空间只能容纳一个备用轮胎，而鱼型斜背式 车是一条平滑的曲线把车顶后缘与行李舱盖连接起来，因此行李箱容积很大。 1 9 6 4 年的顺风牌则完全脱离了过去的流线型，外形优美，此后，鱼型斜背 式车基本上限于两门及运动车，因为它产生了新的缺点。首先，鱼型斜背式车的 后窗玻璃倾斜太大，与船型阶梯式车相比，后窗玻璃的上下宽度若不扩大两倍， 就无法保证后方视野。玻璃面积增大，使得车身重量增加，强度下降，产生结构 上的缺陷。另外，由于同光大面积射入车内，在夏季，即使采用大功率冷j x l 装置， 车内温度也很高。 鱼型车还有一个潜在的重人缺点，那就是同甲虫型车一样，对横向风的不稳 定性。在时速l o o k m h 以上行使时，受到横向风的影响，因而车身摆动，转向 不易于控制。不仅如此，作为汽车空气动力学的新课题升力也在起作用。即 在高速行使时，鱼型车产生升力，从而减小了车轮与地面的附着力，遇到横向风 时，车体就摆动。 众所周知，飞机是靠作用在机翼上的升力浮在空中的，如果把鱼型车加上翼， 与飞机很相似，所以汽车车身上产生升力是不足为奇的。 为了解决横向风稳定性问题，人们可能会想到，只要不把汽车车身做成翼状 就可以了，从这一点出发，产生了短尾式。短尾式就是把鱼型车的后部砍掉一段， 使之不成为翼状，即使高速行使，也不会产生直背式那样大的升力，因此对横向 风也就比较稳定。这种短尾式多少会产生卡门涡流。但是这种型式主要缺点是车 室空问狭窄，因此它并不是解决横向稳定性的最佳方案。 后来，经过反复研究，终于找到了不产生升力的车型，即楔型车。 ( 5 ) 楔型汽车 汽车外形发展到鱼型，获得了空问阻力最小的型式，这已为世人所公认。但 同时又产生了更为严重的问题，即升力问题。高速行使时，升力会带来很多问题， 特别是方向盘过轻，操纵起来使人感到不安全。同时驱动力( 前轮驱动时) 下降， 会影响到汽车的其他性能。如果是后轮驱动，附着力减小，即后轮腾空会导致驱 1 0 武汉理l 大学硕十学位论文 动力大幅度下降。因此升力问题已不容忽视。 研究表明：甲虫型车的升力系数最大，鱼型车次之，船型车壤小。升力的计 算公式与阻力的计算公式大致相同，即 f = c 2 s v 2 式中，f 为升力( ) - s 为汽车的平面面积m2 ；v 为行驶速度( 拥， ) ；c ： 为升力系数，它随车身的纵截面的形状不同而变化。 根据风洞实验的结果，和汽车静止时相比，时速1 0 0 k i n h 时，其附着力减小 1 8 时，1 5 0 k m h 减小1 4 一；2 0 0 k m h 时 是阿轮驰动车，则驱动力要人幅度f 降， 定的旧境。 减小1 2 。这样不仅方向盘发飘，如果 又陷入了不能充分发挥驱动力和行使稳 人们首先是在赛车上装一个翼，这个翼与飞机的翼形相同，只是翻过来安装， 这样在行驶中会得到和升力同样性质的力，只是作用方向向下，以此柬克服车身 上的5 1 力，以保证行车安全。因为翼要架空，所以其安装装簧设计很困难，制作 得峰i 对，则自取大窄气阻力也大。如果川窄气i 【 i 山小的细柱做支撑，会mj ：振 动和空气阻山而破坏，成为事故的隐忠。 为了解决井力问题，想了种种办法，但都没能从根本i 解决问题。如果将车 身褴体向前f 方倾斜，能有效地克服升力，为摸索这种造型，通过多次风制试验， 查明了车身各部分 ? 驶中所受风雁的情况，试验表明，鱼型车和船型车的负难都 很犬，特别是发动机罩和车顶前郝旦! 为严重。 为了不产生升力，最好使之产生向f 哳不是水平的一压通过各种模型的风 洞试验，终于找到了楔型。也就是年身前部呈尖形且向f 。车身后部像川切样 平直。 在高速安全性的基础上殴计出柬的楔型车是1 9 6 3 午的司蒂倍克阿t 水提， 陵车问世不久，司蒂倍克公司就倒闭了。w 为“阿本提”诞生在船型车兴盛的时 代，在当时还是不被人多数人所接受。 合理的东西，终为人们所接受。1 9 6 7 年凯迪拉克的最高级车埃尔德拉多 ( e l d o r a d o ) 就采用了司蒂倍克阿奉提小轿车的设汁型式。图2 - 7 。 图2 7 1 1 武汉理1 。大学硕+ 学位论文 楔型车是目前所考虑的高速汽车，已接近于理想的造型，但是它的后方视野 性不好。既要发挥楔型车的长处，又不损坏作为实用车的舒适性和视野性，1 9 6 9 年设计的培早那气动力学小轿车，其前部呈尖形，后部如刀切一样齐，是真正 的楔型。 1 9 7 9 年在日内瓦国际汽车展览会上，乔治雅罗设计的楔型运动车名为 黑桃皇牌( a c eo f c l u b s ) 引起了公众的注目，如图2 - 8 。 图2 - 8 设车车窗阔大，外形清爽利落，脱俗，令人赞赏。足2 0 世纪8 0 年代的典 型作品之一。这时已进入了楔型汽车的全盛时期，其特点是把散热器罩做成横 宽形，上f 很窄，发动机罩向前倾斜，加高行李舱的岛度。 同时，在参赛的汽车中，有的汽车后部采用鸭尾式，如图2 - 9 。 同 隧 一i l 二兰一 如图2 9 原因是车速达到1 2 0 k m h 以上时，车身后部也会产生若干升力。因为是小客 车，尾部可能“砍”得太过分，所以才会有升力，如果车速再高，这个问题就会 更加严重。在这种情况下，产生了“鸭尾”造型，沿车顶流动的空气，遇到“鸭 尾”j 一生向下的作用力，使后轮附着力增大，这对后轮驱动的汽车是堆有效的。 但是这种设计形式影响后方视野性。为此，在整体卜接近楔型的车体上，升高后 翼子板的型式是一种折中的方案它同样适用于高速行驶的轿车。 这种型式一直延续到2 0 世纪9 0 年代，包括2 0 世纪末和2 l 世纪初，依然 以这种型式为基础，折中于船型汽车，仍有明显的行李箱盖，只是尺寸变小，以 1 2 武汉理i 人学硕+ 学位论文 保证楔型的明显特征。图2 一1 0 所示为2 l 世纪初的楔型轿车。 图2 - 1 0 另一种趋势是把汽车设计成真正的楔型，只是尾部不是“砍”得很平，仍以 曲线形式过渡，减小了涡流的形成。前部发动机罩与风挡玻璃的过渡愈来愈平滑， 没有太明显的折转。图2 1 1 所示为奥德赛商务车的外形它更接近流线型，侧 面更接近楔型，是进入2 1 世纪以束最为流行的造型之。 图2 1 1 与奥德赛外形相似，更具流线型和运动感的足丰时大霸王，它的造型代表了 2 1 世纪楔型的发展趋势，如图2 1 2 。 图2 1 2 1 3 武汉理i ：人学硕 ：学何论文 2 2 现代汽车车身造型的特点 汽车作为社会的一种特殊的消费品，从奢侈品和地位的象征渐渐成人们生活 的一部分，特别是人们对于美无止尽的追求过程中，汽车的车身造型形成了以下 的特点： 首先，要满足汽车产品的实用功能要求，并充分体现产品功能的科学性和先 进性。它是以理论研究、汽车主要零部件的发展水平为基础的。 第二，要充分反映社会、科学、技术和物质文化生活的面貌，表现人们文化 修养和心理素质，反映民族精神和审美要求，具有强烈的时尚性。 第三，汽车产品的造型应具有物质功能与精神功能的双重特性。它不同于一 般的工艺品，应有使用价值，表现物质功能的特征，又具有艺术感染力，满足人 们的审美要求，表现精神功能的特征，是技术与艺术的统一。 第四，要充分反映力学、材料学、机构学的新成就，体现最新物质材料、先 进结构、先进工艺的特征。 第五，需要研究和协调汽车产品与环境，保证产品对人的生理、心理、功效、 安全等因素的适应性。 第六，汽车产品造型是多专业、多学科的配合，也是产品j f ：发、生产、销售 等多个环节的密切协调。 2 3 现代汽车车身造型及发展趋势 轿车车身表面，其外形、加工工艺等较其他类型车都是最复杂的一种。1 1 0 j 轿车车身表面由下列主要零件构成：前脸( 散热罩) 、发动机罩、顶盖、行李箱 盖、前翼子板、后翼子板、f 7 5 1 - 板、前风窗、后风窗、侧窗及支柱、后围外板表 面及l j i 后保险杠的外表面等。这些零件组成一个完整的轿车外形，即车身曲面是 由若干个不同覆盖件组成的，但其表面仍是连续和光滑的，而且各零件的形状亦 是相瓦联系、协调和呼应的。特别是近些年问世的轿车多以大曲面构成，转角过 渡圆滑，动感极强。 轿车车身设计及工艺性最为复杂，所用生产设备及工装也要求较高。因此其 外形设计除应满足美观要求外，还要考虑下列问题： 1 形状合理、结构简单。 形状合理主要是指适合人的乘坐，一般要求轿车中部宽敞，有较好的乘坐舒 适性和视野性等。结构简单，看起来简洁明快，主要是覆盖件的形状，便于生产 和装配等。 1 4 武汉理l ：人学碗十学位论文 2 具有良好的空气动力性。 轿车的外形受空气动力性的影响较大。在2 0 世纪二三十年代曾提出阻力较 小的“水滴状”外形方案，但由于整车布簧困难等原因，当时没有被大批量生产 的轿车采用。现代轿车的流线型设计已达到相当高的水平，特别是借鉴了飞行 器和现代跑车的瑷计以及仿生学的应用，其风阻系数可达到0 3 左右。 3 简化制造工艺和便于装配。 从汽车外形上看主要是覆盖件的冲压工序和拉伸的深度。要求冲压工艺简 单组装焊接方便等。这里主要是汽乍车身表面各部件的分块和车身结构件的设 计。 4 零件表面有足够的刚度。 表面刚度取决于表面的形状、冲压深度、边界的划分、加强筋及覆盖件旺而 的加强方式等。 5 保证汽车具有良好的视野性。 对发动机罩的形状、风窗的形状和支柱的位臀、翼予板拐角等部件的蹬计要 合研! 。 231 轿车头部的造型 轿车的头部造型其有重要意义，它不仪是轿车外形的重要组成部分，而且垃 能反映轿车的外形特征，并且对窑气动力性也有很大影响。汽车的头部一般部足 放置发动机的所以发动机的结构和形状直接影响 q 汽车头部的造型。 从造型卜可将汽车头部分成 个部分：前脸( 发动机散热罩) ，保险杠发 动机罩，前 ：、右翼子板。在汽车发展的不同时期，这几部分都是不同的。 1 9 0 0 年以前，发动机用一个单独的罩子罩上，车灯一般单独布置在汽车前 部。这时根本没有保险杠，有时为了增加敝热面积，而将两侧翼子板也做出通风 扎，但这时汽车头部较小，因为这时的发动机都以单缸或双缸为主，功率在6 h p 以f ，图2 - 1 3 所示足晟 期的汽_ 乍，还没有脱离马车的型式；圈2 1 4 ( 已经肇 木其蔷了汽车的雏型。 | 封2 一1 3 1 5 图2 1 4 武汉坪l ：人世碗十学何论文 在2 0 世纪初期，随着汽油机技术的改进，动力性不断提高，生产了以动力 性为主要特征的长途行驶车，发动机采用四缸、六缸、八缸，艟大功率可达1 4 0 h p 。 当时赛车最高车速可达2 2 0 k m h 左右。并从1 9 1 0 年开始采用闭式车身，外形也 有了很大的变化，如图2 1 5 。 图2 - 1 5 到了2 0 世纪2 0 年代，采用长鼻子车身与短顶车身形式，钢制车身结构。 这肘，土要足第一次世界大战时曾参与制造航夺发动机的汽车公卅，利用掌握的 高性能发动机技术小断制造高性能汽4 三，发动机功牢明屁提高。因此，这时的 汽车外形前部尺、j 比较人，而且j r 始有保险杠有完整的车轮罩目与踏板直接 相连，已经具备了现代汽车的雏型，如图2 1 6 0 圉2 - 1 6 图2 1 7 。为1 9 2 9 年英国劳斯莱斯幽灵型i i ( r o l l s - r o y c e “p h a n t o m i i ”) ， 采用直列六缸发动机，功率可达1 2 0 h p ，乍速可达1 4 5 k m h 。山于发动机尺寸人， 凶此前部是个大长“鼻子”，咖上l 高度一战很高，不仪影响视野性，而且整车的 高度尺_ 很人。看起来很笨重。 图2 1 7 1 6 武汉理1 人学碗十学位论文 到2 0 世纪3 0 年代以后，这时汽车技术h 臻成熟，由于车速的不断提高，空 气动力学在汽车上得到了重视，制造出了各种流线型风格的汽车，其中最典型的 是美国的克莱斯勒的流线型，发动机的散热器己由原来的垂直式，开始向_ | 舌倾斜 风挡窗玻璃也开始有倾角。 美国皮尔斯嗣洛银箭把脚踏板放到已加宽的车厢内，轮罩已经开始收缩， 与前面车灯等做成一体。整体感非常强，可减小彤状阻力，而且车身宽而扁平， 又减小了迎风面积。这时的发动机散热罩多采用窄而高的型式。第二次世界大战 咀后，欧美同汽车工业有了长足的发展。这一时期仍沿袭着流线型风格，其中以 德国大众甲虫型轿车为代表，如图2 1 8 。其外形酷似“甲壳虫”，具有迎风阻力 小的流线型车身，将发动机罩、前翼子板和前照灯融为一体，消除了凹凸的表面 部分，后部为滑7 ，式。 图2 - 1 8 男一方面，以1 9 4 9 年福特v 8 牟型为代表，采用腓型车身造型m 格，应用 第二次世界大战前发展起米的人机工程学技术，克服了空气阻力和人机t 程学在 甲虫型和箱型车之问表现出的对立之处，巧妙地发挥l 述两种车的长处，使之和 谐完美地结合起来。将汽车分为发动机舱、车室和行李箱三部分，成为当代轿牟 造型的基本形态，如图2 - 1 9 。 图2 - 1 9 这种车型+ 直延续到现在。后来，山丁二船型车后部的折背式产生较大涡流 1 7 武汉理1 人学硕十学恤论文 逐渐将后车窗j 句后倾斜，其极限情况就形成了鱼型。其典型型式就是斜背式。这 是一种以更深入的科学研究为基础的斜式流线型，如图2 2 0 。 图2 2 0 山于升力问题，后来找到了楔型，如图2 2 1 。楔型芈是目d u 晟为理想的型式 232 轿车前部的造型 图2 2 1 蛙初的汽车前部如图2 2 2 。由下车速较低，另外坯没有完伞脱离马车的造型， 控个| j 仃部以方形为主，车轮基奉 在车的前方，没有保险杠。后束，车速提商l 二 要足通过提高发动机的功率柬实现的，因此前部尺寸较大。乘坐舱尺寸相对较小， 而其棱角部分以方形为t 。再后来多将过渡变为圆滑过渡了，并且将车灯隐藏到 前脸内，而f i 这时牟灯的形状也非常单一，是以圆彤为主的。 i 鳘2 2 2 1 8 武汉理1 人学硕十学位论文 直到甲虫型车的出现，车灯隐藏到前轮罩上，翼子板和轮罩基本还是分开的， 散热罩呈竖长状，并开始向后倾斜，这时保险杠的装饰性还不突出，仍然是以防 碰撞为主，处在汽车前部的晟下方。直到船型汽车的出现，才将轮罩和翼子板合 为一体，保险杠开始有了一定的高度，既考虑到碰撞的重叠性，同时又考虑到美 观及与整体的协调性。从此，也就奠定了轿车的基本型式。 图2 2 3 所示为几种汽车的前部造型。( a ) 为方形且前面冷却罩呈垂直方向， 是豪华车造型的一种；( b ) 为前脸向前倾斜的一种型式，有独立的保险杠；( c ) 为跑车，| j 订部尺寸较大，车身较抵，多是圆形，且前部突出呈明显的楔型；( d ) 为目前流行的前部造型，保险杠与前部形成有机的结合，看起来浑然一体。 2 2 3 c 2 2 3 - d 图2 2 3 汽车的头部，前脸、发动机罩及左右翼子板等部分，在2 0 世纪柏年代是各 自独立的，其各部分的衔接和过渡也是十分明显的。 由于发动机多柿置在汽车的前部，因而发动机的结构和形状直接影响汽车的 前部造型。如采用直列六缸或八缸的发动机，前部较长，而采用v 型发动机的 轿车，则u t 使前部长度和高度减小。 现代轿车发动机罩两侧与翼子板平齐，它的优点是汽车头部平顺圆槽，空气 阻力小，糕体感强。但芨动机罩较平坦，刚度较小，它罩面常有大面积的加强板， 此外还有的在发动机罩外部表面冲压出棱线。棱线的深浅和方向要与整车外形相 协响，使其尽量美观，增加造型效果。 降低发动机罩的高度( 特别是其前端) 不仅对改善汽车的视野性和空气动力 性能有利，而且对汽车造型也十分有利。可采用v 型甚至把直列汽缸倾斜布置， 1 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 采用扁平的空气滤