国外商用卡车驾驶室设计技术综述

国外商用卡车驾驶室设计技术综述国外商用卡车驾驶室设计技术综述 摘要 本文对世界汽车工业发达国家的驾驶室设计技术进行了跟踪研究 围绕驾驶室产品 特征 造型设计技术 工程设计技术 以及先进的设计理念等几个方面 对当今先进的驾 驶室设计技术进行了综合介绍 其中包括计算机辅助造型技术 虚拟现实技术 空气动力 学模拟 人机工程技术 电子样车技术 CAE 验证技术 模块设计技术 性能设计技术 和并行工程 同时对国内驾驶室设计领域的现状作了简单回顾和总结 全文旨在对国外先 进的设计技术和设计理念以及未来的发展趋势进行研究和分析 以促进和提高中国汽车工 业设计领域的发展 1 前言前言 从 2000 年法兰克福国际商用车展到 2002 年第 59 届汉诺威国际商用车展 商用卡车 尤其是重型车 在国际主流车市上凸显出强劲的增长势头和市场占有率 随着国内高速 公路的发展 远距离大批量的物流运输特点 同样给商用卡车提供了巨大的舞台 轿车化 人性化 信息化是当今商用卡车体现高技术含量的主要发展趋势 驾驶室作为车辆的一个 主要产品总成 尤其是造型和结构功能的有机结合体 同时也是驾驶员和乘员工作和休息 的空间 体现出共性的技术应用和独有的发展特征 纵观国内外商用卡车驾驶室 主流市场和制造商分布在三大地域 欧洲 BENZ VOLVO RENAULT SCANIA MAN IVECO DAF 北美 Freightliner Kenworth Peterbilt International Mack Sterling 和亚洲 ISUZU MITSUBISHI HINO FAW DFMC 由于地域环境和文化背景的差异 不同地区的驾驶室具有独特的地域烙印和鲜明的技术特征 欧洲驾驶室代表了当今世界最 先进的技术 追求舒适性和安全性 模块化和系列化设计程度高 以平头驾驶室为主 外 部造型高大威猛 内部空间宽敞 配置齐全 北美驾驶室多以长头车为主 造型和设计风 格自由流畅 先定制后装配的模式 使得驾驶室具有很强的个性和自我色彩 亚洲驾驶室 更多地侧重于经济性 配置和装备简单实用 对安全性 舒适性和使用寿命要求不高 目前顶级的欧洲驾驶室代表了当今世界最高的设计水平 如戴姆勒 克莱斯勒公司 20 世 纪 90 年代中期开发的全新重型卡车 ACTROS 系列 VOLVO 的 FM FH 系列 其中 VOLVO FMl2 获得 2000 年度最佳卡车 其豪华型驾驶室 GLOBETROTTER 被称为 21 世纪卡车贵族的典范 SCANIA 的第 5 代 4 系列 G 级 代表着技术变革的前沿 MAN 的重型卡车 TG A 五十铃 F 系列等都代表着目前世界最高水平的商用卡车驾驶 室的设计水平 2 世界汽车工业发达国家的驾驶室设计技术世界汽车工业发达国家的驾驶室设计技术 2 1 先进的驾驶室产品特征 除了驾驶室的内外造型永远具有时代气息和流行元素之外 安全性和舒适性是驾驶室设计 的主旋律 在产品结构和配置装备上具有如下特点 1 驾驶室结构为全钢整体设计 安全性能满足和超过欧洲法规对驾驶室的安全要求 ECE R29 2 驾驶室防腐处理工序复杂 防腐耐久性可持续车辆的整个使用寿命周期 3 外形设计充分考虑了空气动力学原理 每一个表面部件都单独经过空气动力学模拟和 风洞试验 以求得到最完美的空气动力学外形 4 驾驶室的内部布置充分考虑人体工程学原理 最大限度地降低驾驶员的疲劳程度 从 而使驾驶员的工作效率和安全性得到很大程度的提高 灵活空间概念 设计思想 使其在 有限的内部空间内 提供个性化的功能配置 满足用户多样化的需求 5 内部装备安全舒适豪华 室内居住性得到了极大的提高 配置空气悬挂座椅 宽大的 卧铺 半自动 全自动空调 电控门锁 车窗 环绕式仪表板 安全气囊 碰撞吸能转向柱 电动天窗 高级音响娱乐系统 6 驾驶室悬置系统完全采用空气弹簧 有效地隔绝了振动和噪声 提高了整车的舒适性 和平顺性 驾驶室正成为各种系统的中心控制室 更是司机驾车 办公或者休息的空间 制造厂商都 对驾驶室给予了极大的关注 各种新技术 新工艺 新材料得到了大量的应用 豪华型驾 驶室更是成为各制造厂商展示自身开发能力和核心技术的舞台 2 2 先进的造型设计技术 驾驶室造型的风格和水平直接反映出整个产品的特质和档次 既能体现产品推陈出新的 新貌 又能秉承产品传统血统的 遗传基因 在产品参与市场竞争中占有很重要的权重 造型阶段的评审需要有高层领导进行决策也正说明了这一点 2 2 1 计算机辅助造型技术 CAS Computer Aided Styling 计算机辅助造型设计是随着扫描技术和矢量化技术的发展 在现代车身设计中得到应用的 一门新兴的造型技术 CAS 设计区别于传统的仿形法设计 将表达完整的造型胶带图 1 1 由三维扫描仪直接输入工作站中 经过矢量处理后得到原始的数据点 再运用 CAS 系统进行实体造型 最后得到三维可加工的数学模型 根据内外表面数据状况的不同 可 以采用不同的 CAS 软件进行制作 一般情况下 由于外形表面相对简单 可利用 ICEM SURF 软件进行制作 相反 ALIAS 软件更适合表达复杂表面的内饰数据 但精度较差 只适合模型加工 相对于传统的仿形法造型设计而言 CAS 技术具有如下特征和优点 1 可省略比例模型的制作环节 减小劳动强度 缩短造型周期 对于一个完整的驾驶室 利用 CAS 技术可以在 20 30 个工作日的时间内完成所有内外饰表面和大部分细节的三维 可加工数据模型的制作任务 2 摆脱了手工模型制作和三坐标测量造成的误差链的影响 提高了数据精度 为最终模 型的制作精度奠定了良好的基础 3 CAS 阶段生成的内外表面三维数据 可以为后序工程和工艺分析提供共享的数学模型 为并行工程的开展和深入提供了前期技术条件 2 2 2 虚拟现实技术 VR Virtual Reality 虚拟现实技术目前是国际上各大汽车厂商及设计公司展示自身实力及进行辅助造型设计的 一种手段 同时为方案评审提供了准确的依据 虚拟现实技术除应用在造型设计中 还在 汽车设计及其他领域中有广泛应用 虚拟现实技术是一种先进的计算机用户接口 它强 调将用户和计算机视为一体 通过多媒体的方法将信息进行可视化 展现在用户面前 用 户通过专用的设备进入虚拟的环境中 以各种习惯的方式与计算机进行人机交互 采用虚拟现实技术 设计师不再局限于固定的油泥模型 突破了传统的功能决定形式的束 缚 而能充分发挥人的创造性 使得设计中渗入了更多实用性 更多艺术性和更多综合的 因素 将车身的形式和功能在更高层次上实现有机结合和统一 2 2 3 空气动力学模拟 过去空气动力学模拟在轿车造型中应用较多 强调轿车的流线形和完美的空气动力性 尽 量减少空气阻力和空气升力 从而提高整车的经济性和操纵稳定性 目前 商用卡车的动 力性得到了极大的提高 500 马力以上的超大吨位的重型牵引车在欧洲已经相当普遍 如 何改进驾驶室的流线型设计 降低车辆的风阻和油耗 提高车辆运行的经济性 已经列入 到了驾驶室的常规设计过程中 在车顶前部加装导流罩 在前保险杠上装设导风板 在侧 围后部选装侧导流板 这些措施都能大大降低汽车行驶阻力 奔驰公司的 Actros 驾驶室 其外形的每一个部件都单独经过空气动力学模拟 驾驶室整体装配完成后 又经过多次风 洞试验和设计修改 以求得到最完美的空气动力学外形 SCANIA 的顶盖导流罩的高度 是可调的 调节高度也是经过空气动力学计算的 调节高度 H 与后部车厢或挂车集装 厢的高度 B 以及驾驶室与车厢或集装厢的前后间隙 A 有关 图 1 顶盖导流罩的空气动力学分析示意图 2 3 先进的工程设计技术 2 3 1 人机工程技术 人机工程学是从 20 世纪 50 年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘学科 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 以优化人 机 环境系统 的一门学科 人机工程技术在驾驶室产品开发过程中的应用 主要体现在驾驶员和乘员在驾驶和乘坐状 态下的舒适性 视野性 手伸及性 操纵方便性等方面 在美国 过去长途卡车司机一般 都是人高马大 但是近年来 由于身材较矮小的妇女和拉美人当司机的越来越多 汽车制 造商必须让驾驶室能适应不同身材的司机 为此美国的卡车工程师将人体工程技术应用到 卡车设计与制造当中 他们利用逼真的虚拟 现实仿真系统 研究出能够让不同身高的 司机均能获得操作方便 视野开阔的设计 这些根据人体工程技术开发的创新设计 例如 能够适应身材矮小 腿短或肚子大的司机的转向盘 可调式刹车 离合器和油门踏板等 最近已经用于正在生产的牵引车上 目前三维人体模型在车身设计中的应用已经日趋成熟 并有一些商业应用软件进行辅助设 计 如 EAI 公司的 JACK 软件 根据 1988 年美国军方人体测量调查结果 ANSUR 88 创建了精确的三维人体模型 能进行姿势预测 舒适评价 Porter Krist Grandjean Rebitte Dreyfuss 2D 3D 等评 判标准 手伸及性 空间适应性分析 Test fit and accommodation 以及基于最新的 人体解剖学和生理学数据的生物力学 静态受力和疲劳强度 分析 福特公司已将 JACK 软件应用于其 C3P CAD CAM CAE PDM 项目中 进行人体工效分析 包括舒适性 可达范围 疲劳状态 视野范围 使其生产出的汽车更加符合人体的生理状况 更具竞争 力 RAMSIS 软件是由德国汽车技术研究集团 FAT Forschungs gruppe Automobil Technik 及多家汽车公司 AUDI BMW FORD MERCEDES BENZ OPEL PORSCHE VW 以及几个座椅生产厂家 KEIPER RECARO NAUE JOHNSON CONTROLS 联合研制的 RAMSIS 除了提供详尽的人 体尺寸外 还特别注重于应用环境的建立 它可以测量 分析人体坐姿和运动情形 并能 进行视野模拟 运动模拟等交互操作 自 1995 年开始成为商业应用软件后 目前有 50 多的汽车公司都在使用 RAMSIS 进行设计和布置 此外 用于人机功效分析的虚拟 人软件还有 ANTHROPOS BodyBuilder ERGO SAMMIE 等 2 3 2 电子样车技术 DMU Digital Mock Up DMU 电子样车技术作为目前世界汽车行业产品开发的主流技术 在提高汽车产品开发的 速度与质量方面起着越来越重要的作用 DMU 技术从宏观上来说 是一套基于协同作业 机制与理念的并行工程开发技术 在产品的设计阶段 就充分考虑产品的装配环节及其相 关的各种因素的影响 在满足产品性能与功能的条件下 改变零部件装配结构来降低装配 时的复杂性 从微观上来说 它是一套结合一系列专用模块 如浏览 Navigator 运动 干涉分析 Kinematics 空间漫游 Space Analysis 及拆装模拟 Fitting Simulation 结构优化 Structural Optimization 等分析工具的实用高新技术 采用 DMU 技术后 能 在设计阶段 发现机构运动干涉等潜在的设计质量问题 从而为机构运动路线优化 确保 机构的可制造性 可装配性和可维修性提供强有力的技术手段 这样就能大大地提高汽车 产品的开发速度与质量 DMU 技术在车身产品开发中的应用主要体现在以下几个方面 1 白车身焊接过程模拟 包括焊接顺序 焊枪运动空间 焊点分布等 车门玻璃装配过 程的模拟也采用了 DMU 技术 2 车门玻璃装配模拟 车门玻璃和车门焊接总成都属于空间曲面 验证玻璃的装配可行 性只靠几个断面进行分析是非常困难的 此外可信度也不高 而 DMU 提供的动态模拟功 能非常直观地仿真整个装配过程 避免了在设计阶段制作实物模型进行实体验证的高成本 也消除了设计阶段的隐患在后期装配过程中造成的反复设计 3 运动干涉分析 包括驾驶室的翻转校核 2 3 3 CAE 验证技术 在产品设计阶段的 CAE 验证技术已经得到了全面深入的应用 大至白车身的结构分析 小至密封条结构与材料的优化 主要涉及到白车身和部件的静态 动态 安全 疲劳分析 空间和管路的 CFD 分析 钣金件的冲压成形可行性分析 塑料件注塑过程的模拟分析和 优化设计等方面 并且随着设计的深入 数据的完善 CAE 验证工作按多轮次 层层展 开 有力地支持了结构设计的可行性 保证了设计方案的优化 全面的 CAE 验证工作也充实了性能设计方面的评价标准和目标值的积累 典型的 CAE 验证项目和商用支撑软件 2 3 4 模块化设计技术 模块化设计技术是在系列化设计和平台设计的技术概念背景下提出的 随着零部件供应商 的自主开发能力的不断提高 总成开发的技术革新和产品开发的职责向供应商转移 模块 化的程度和趋势日益明显 模块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品 并 在满足要求的基础上使产品精度高 性能稳定 结构简单 成本低廉 且模块结构应尽量 简单 规范 模块间的联系尽可能简单 模块化设计分为两个不同层次 第一个层次为系 列模块化产品研制过程 需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计 本质上是系 列产品研制过程 第二个层次为单个产品的模块化设计 需要根据用户的具体要求对模块 进行选择和组合 并加以必要的设计计算和校核计算 本质上是选择及组合过程 目前驾驶室设计的模块化程度已经达到车门模块化 仪表板 加副仪表板 模块化 顶后 侧内饰 加地毯 模块化 白车身模块化 未来的发展趋势将形成两个主要的模块 即白 车身模块 B I W 和座舱模块 COCKPIT 实现模块的高度集成和简化 2 3 5 产品性能设计技术 传统的产品设计是以经验设计为主的结构设计 以满足功能要求为第一位 现在随着对驾 驶室性能要求的提高 传统的设计方法已经不能适应产品性能和对市场快速反应的要求 以 CAE 技术为支撑的性能设计方法应运而生 欧洲的商用卡车制造商 其设计部门已经全面应用性能设计技术 从产品的概念设计开始 贯穿于整个产品技术设计阶段 直到后序的产品试验验证也是以性能设计中的目标性能为 指导纲要 对驾驶室而言 控制的产品性能主要包括以下几个方面 1 安全性 主动 被动安全性 包括车体结构碰撞安全性 内外部凸出物要求 乘员约束 系统安全性等 2 舒适性 静态 动态舒适性 包括居住性 驾乘操作舒适方便性 视野性等 3 综合 NVH 性能 振动匹配设计 噪声品质控制 车身固有频率主动控制技术等 性能设计由三大要素支撑 一是产品设计前期的对标技术 BenchMarking 准确的对 标分析 科学的项目规划 周详的产品描述为项目的后期开发提供了参考蓝本和指导纲要 同时也是性能设计的前提条件和基准依据 二是产品设计过程中的 CAE 验证工程 CAE 的验证分析随着工程设计的数据状态进行动态更新 全程保证工程设计的质量 为性能设 计提供了技术保障 三是实行闭环控制模式 在项目的运作过程中 产品验证环节捆绑于 各个阶段 既是各个阶段的评审节点 又是性能设计的主线 从而保证各个阶段的输出均 在控制目标内 整个项目的运作始终处于闭环控制中 2 4 先进的设计理念 并行工程 CE Concurrent Engineering 并行工程是一种系统工程的方法 动态优化地处理问题 它在产品开发的设计阶段就考虑 产品生命周期中工艺 制造 装配 测试 维护等其它环节的影响 通过各环节的并行集 成 以缩短产品的开发时间 提高产品的设计质量 降低产品成本 并行工程的核心是并 行设计 并行设计的特点是 集成 与 并行 所谓 集成 是指在信息集成的基础上 更强调过程的集成 过程集成需要优化和重组产品 的开发过程 组织多学科专家队伍 在协同工作环境下 齐心协力 共同完成设计任务 所谓 并行 是指一个以上的事件在同一时刻或同一时段内发生 以此来减少整个设计过程 的时间 面向制造的设计 DFM Design For Manufacturing 面向装配的设计 DFA Design For Assembly 是并行工程思想的重要体现 设计阶段的并行工程主要在以下三个方面得到具体贯彻 开发流程的并行 设计方案的并 行 项目团队的协同工作 2 4 1 开发流程的并行 传统的产品开发流程通常是递阶串行结构 各阶段的工作按顺序进行 一个阶段的工作完 成后 下一步阶段的工作才开始 某一阶段的输入是其上一阶段的输出 因此 传统的开 发流程是一个串行设计过程 它以产品规划为第一步 以此顺序展开 直到最终开发产品 的输出 产品的开发生命周期总时间可用下式表达 T 串行 T 产品规划十 T 产品设计十 T 产品制造 u 式中 T 代表完成各个阶段所用的时间 u 为返工系数 由于在传统的设计过程存在大 量的设计修改 返工系数的值通常超过 2 越是在产品生命周期后期发现的缺陷 如工艺 规划 制造装配和检测试验时发现的缺陷 其修改周期比概念设计时发现的缺陷的修改周 期要长 因为其反馈的修改结果依然是依原来的执行路线顺序执行下来 所以最终造成的 修改成本及总设计成本升高 重要的是直接影响产品开发周期 推迟产品上市时间 为了更大程度地缩短产品开发周期 必须在产品开发的第一步流程上采用并行工程哲理对 开发流程进行重组 运用并行工程原理 产品的开发过程可建立并行流程模型 图 2 图 2 车身产品开发并行流程模型 在这种模型中 设计知识库包含结构分析组件 CAE Analysis 工艺分析组件 Process Analysis 制造分析组件 Manufacturing Analysis 以及装配分析组件 Assembly Analysis 其中 结构分析组件对产品的结构断面 接头形式 材料选择 料厚确定 加强方式等方 面进行静态 模态 安全 疲劳等诸多因素的综合分析和评价 为设计方案提供技术支持 工艺分析组件用来为设计者提供冲压 焊装 涂装 夹具 检具等方面的工艺可行性技术 支持 制造分析组件可以辅助设计人员在方案阶段就能考虑到制造工序的繁简 设备的投 入以及成本的预估 装配分析组件可以帮助设计人员在装配可行性 装配成本和零部件优 化设计中做出平衡决策 因此 概念设计 详细设计和方案评价都是在面向装配 制造的 设计知识库的支持下进行的 实现了全局优化 克服了传统设计中对设计以外的其它过程 因素考虑较少而造成反复设计的缺点 2 4 2 设计方案的并行 并行工程的核心是使产品开发人员在设计过程中尽早地考虑产品生命周期中的所有因素 解决好产品的 T Q C 难题 即以最快的上市速度 T Time to Market 最好的质量 Q Quality 最低的成本 C Cost 来满足市场的不同需求和社会可持续发展的需求 而总 体方案的设计与论证作为以后详细设计的依据 必须从总体上保证最优的性价比 优化设 计 降低成本 缩短研制周期 设计方案的并行意味着在时间概念上按照并行运作模式进行模块化 系列化方案设计 在 关键的节点上完成阶段性控制 尽早发现问题 尽早解决问题 从而保证整个项目和产品 的高效率 低成本 2 4 3 项目团队的协同工作 开发流程是设计理念的体现 设计方案是技术经验的表达 而管理模式是对资源的优化和 重组 项目的开发完全按照项目负责制的管理模式进行组织管理 运用并行工程原理 采 用有效的 矩阵式 的集成团队组织形式 各职能部门协同地工作 Team Work 车身开发 项目组一般由技术管理人员 造型人员 工程设计人员 工程分析人员 电气人员 整车 人员 工艺人员 产品数据管理人员 二次开发供应商等跨专业多学科成员组成 协同工作过程中 由项目经理 负责人 负责总体规划 进度监督 信息管理和交换 以 确保不同部门间的顺利协调 项目文档和信息 包括流程进度 数学模型 参考资料 历 史记录 会议纪要等 按照并行工程思想在项目组内按级共享 确保对整个项目的历史进 行总体稳定的控制 3 我国汽车工业的驾驶室设计技术我国汽车工业的驾驶室设计技术 改革开放初期 中国汽车工业总体技术水平比国际水平落后大约 20 25 年 20 世纪 90 年代开始在不断加大 R D 投资 提高自身研发能力和技术水平的同时 中国汽车工业加 快了引进国外先进技术的步伐 到目前为止 中国汽车工业己基本具备除轿车外的多种重 要车型和零部件的自主开发能力 但与国际水平相比 中国汽车技术水平和开发能力仍然 很低 近年来 中国汽车工业的技术引进正在从单一全套产品引进向以引进开发技术为主 的方向转变 载货车开始实现自主开发 关键总成 包括驾驶室 开始同国外厂家实行联 合开发 以从中学习技术 积累经验 尽快向自主开发过渡 在中国汽车工业发展的大环境下 单就驾驶室产品设计技术而言 也走过了一条 技术引 进 自我开发 联合设计 的道路 并向自主开发的方向努力 近年来 随着西部大开发的实 施以及对基础设施的投入 给装载量大 远距离 高效益的重型卡车提供了巨大的舞台 驾驶室设计技术的应用也得到了高度重视 设计手段也变得更加丰富 国内驾驶室设计技术状况具有如下几个特征 1 目前国内几个主要设计单位的设计技术水平已经达到全面三维设计的程度 从三维造 型 线图设计 三维结构设计 到最后出二维文件图 全面应用三维造型和设计软件 ALIAS ICEM SURF CATIA UNI GRAPHICS PRO ENGINEER 保证了在产 品开发全过程中的数据的一致性和共享性 极大地提高了产品的开发质量 缩短了开发周 期 为快速反应市场需求提供了技术条件 2 部分设计单位初步具备了自主开发能力 尽管目前国内市场主流驾驶室产品都是通过 技术 技贸 引进的方式实现的国产化 但在此基础上的改型设计 改前脸 改侧围 改 内饰等 基本上都是自主开发 在这些改进项目中 初步具备和掌握了当前先进的设计方 法和设计手段 如计算机辅助造型技术 CAE 分析验证技术等 3 产品开发流程和设计规范得到了提高和完善 随着联合设计项目的增多 与国外先进 设计公司的技术交流也日益频繁 在技术培训和项目操作过程中 吸收了国外先进的开发 流程和设计规范 并充实和应用到具体的产品开发过程中 实现了流程的再造 科学的流 程对项目的管理运作 产品的开发和设计都起到了积极的指导性作用 因此 国内设计技术的发展趋势就是 技术水平和开发能力不断提高 正逐步缩短与世界 先进水平的差距 但是设计技术的综合实力受创新技术和方法 设计经验和数据的积累 软硬件环境这三大因素制约和影响 其中 软硬件环境可通过出资购买引进建立 创新技 术和方法也可通过与国外先进设计公司进行联合设计 走出去 请进来 等方式部分获取 和掌握 唯有设计经验和数据的积累是一个公司的核心技术和知识库 只有通过项目的开 发 不断摸索和积累 沉淀为企业自身的财富和资本 按照目前国内车身设计现状 软硬 件环境方面基本上与国外处于同一水平 创新技术和方法方面还处于浅层次的掌握 在汽 车工业全球性联合重组的趋势下 这方面的差距会快速缩小 由于我国完全自主开发的车 型不多 在设计经验和数据的积累方面基础还相当薄弱 这方面直接影响技术方案的优化 导致产品开发质量的低下 4 驾驶室产品开发发展趋势驾驶室产品开发发展趋势 4 1 对驾驶室安全性要求大大提高 目前欧洲经济委员会 ECER29 法规是欧洲驾驶室安全性的一个门槛 侧重于正面碰撞 顶盖静压 后面碰撞三大方面 正面碰撞时 碰撞的能量对于最大质量是 7000kg 的车辆 来说 应是 30000Nm 对于最大质量超过此值的车辆来说 应是 45000Nm 碰撞后对 于 50 百分位的假人具有足够的生存空间 并要求驾驶室