汽车工程手册：影响因素和组装设计的范围

主要目标冲突和汽车组装的设计范围是：

1）考虑法规要求。

2）汽车安全性要求：碰撞长度（深度）、行人保护、侧向碰撞、翻滚保护（特别是敞式汽车）。

3）人—机工程和乘员结构空间要求。

4）发动机和传动系的结构空间要求和热管理。

5）考虑车轮包络线和对车轮罩的法规要求。

6）装载空间的容积、可变性和可接近性。

7）照明设备的布置。

8）对汽车的空气动力学要求：基本的车身和附加措施，针对导流板或挡板。

9）对汽车基本形状的设计要求。

10）系统、模块和部件的结构空间要求。

此外，组装可降低维修成本。如避免将零部件布置在保险业等级试验和低速交通事故（停车场阻挡器）承受的范围。

1.法规和规范

2.2节中给出了详细的、重要的法规和规范一览表。它们中的大多数针对组装的主要要求。

问题在于一些法规、标准和规则不是国际统一的。设计的主要目标应避免各国特有的组装方案。

与组装有重要关系的法规有两类。一类是直接给出明确的尺寸；另一类是要间接的（功能性规范）考虑，参见6.5节。

这里要特别提出一些具体的法规要求：

1）保险杠（防撞杠）位置、照明灯的安装与位置。

2）刮水器刮水范围、视野。

3）车内尺寸，如踏板、安全带范围与R点的相关性。

4）车牌位置。

大部分与安全性有关的法规要求会间接影响组装。

2.车内尺寸方案

设计新车通常从内向外进行，例外的情况是对现有汽车重新调整或重新开发。

乘员的“结构空间要求”是对汽车的最重要要求。汽车方案有很大差别，但同样的人们（以5%的妇女、95%的男人作为“结构空间要求”的最低要求）都认可这个要求，见6.4.1小节。所以在分析车内重要尺寸时要十分明确这个要求。

可用实例清晰说明与R点相关的车内重要尺寸的作用。下面所有结论的基本数据取自在4.2.2小节中定义汽车等级的、有代表性的34辆汽车。

如果将前头部空间尺寸（H61）与作为汽车等级的轴距参考尺寸（L101）数据在图上一一对应地标出，可发现它们间的趋势很少有差别（图4.2-7）。

图4.2-7 前头部空间尺寸与汽车等级的相关性

根据与R点相关的数据，可以确定轴距与头部空间没有相关性。头部空间尺寸散布带宽约50mm。散布带宽最小的是微型车。高档汽车头部空间尺寸散布带宽处于平均值。

用“后下座位位置”的前头部空间尺寸（H61hu）代替前头部空间尺寸（H61）与作为汽车等级的轴距参考尺寸（L101）数据在图上一一对应标出，可得到图4.2-8。

这样来规范实际可测的点后，可清晰地得到期待的头部空间尺寸与汽车等级的相关性。

这个简单的例子清楚表明，只在少数例外的情况下，已经给出了原来追求的R点位置。

为进行结构上的尺寸比较验证，前头部空间尺寸要与“后下（hu-hinten unten）”参考点联系起来才能看出前头部空间尺寸（H61）与汽车等级的轴距参考尺寸（L101）间的趋势。为与图4.2-7上的H61区别，在图4.2-8上的H61后加上hu。

图4.2-8 后下座位位置的前头部空间尺寸与汽车等级的相关性

设计驾驶人座位主要是改变下列参数：

1）L53∶R点至脚后跟点。

2）H30∶R点至脚后跟平面。

由图4.2-9可见，座位位置增高10mm，可减少驾驶人结构空间需要约40mm，并可直接转换成汽车长度的缩短^[8]。

图4.2-9 尺寸L53与H30间的相关性

各种微型车、紧凑型车和厢式车都利用这种相关性，以利用高的座位位置和与此相联系的高的汽车高度换取较短的汽车长度。反之，这样的相关性意味着低的座位位置是用长的车内空间长度得来的。

尺寸L53与尺寸L34（脚部空间）间的相关性显示，缩短L53尺寸10mm，就可在相同车高情况下减小脚部空间，如图4.2-10所示。

这样，高的座位位置就会减小脚部空间和座位处于使腿部更弯曲的位置。

后排座位尺寸H63、L50、L51的相关性和相应的车高尺寸（H31）与上面的分析相似。

3.影响汽车基本方案的尺寸链

在选择汽车基本方案的相关性中和在制订汽车尺寸方案时，会看到各种尺寸链的重要性。本章不对各种基本方案（驱动装置布置、车身形状、汽车基本形状）指出影响汽车基本方案的各个尺寸链，详见参考文献[7]。在选出的汽车实例中，将指出汽车在长度方向（x方向）、高度方向（z方向）和宽度方向（y方向）的重要尺寸链。

图4.2-10 尺寸L53与L34间的相关性

（1）定义的汽车长度尺寸链 图4.2-11给出了发动机前置、横向安装、两排座位的汽车长度方向的各个重要尺寸。

图4.2-11 汽车在x方向的尺寸链(www.xing528.com)

尺寸L₁由弯曲部分、车架横梁（必要时还有防撞罩）组成。其作用是在车速很小（6km/h以下）的交通事故中产生可恢复的变形。在车速达15km/h时产生局部变形，但该变形以不能损伤尺寸L₂的车架横梁和安装件为度。在尺寸L₂有如散热器、前照灯、前照灯清洁设备。尺寸L₃为自由碰撞长度。根据汽车前部方案和汽车生产厂家标准预留了500～700mm的一段距离。自由碰撞长度实际上可位于动力装置前或后。但尺寸L₃不是作为可见的自由碰撞长度，正如在发动机室看到的密密麻麻的布置。更多的是在x方向的所有三维部件以整体方式移动时得到相应于“自由碰撞”的移动行程。这样可以定义第2个重要概念，即“方框结构”。发动机前置、横向安装的实例就是动力装置与附件驱动和所有的安装件（长度尺寸L₄）组成一个主要的方框尺寸。

主要的设计空间是前车轮中心和脚后跟点的距离（L114-L53）。

尺寸（L114-L53）一方面由车轮罩延伸和为实现在车门槛和汽车地板中的力传递将车门槛和车架纵梁连接确定；另一方面，要考虑尺寸L_4-2（方框结构）、乘用车前围板前面的尺寸L₅（安装件的组合，如制动力放大器和自由碰撞长度）和踏板机构所需的尺寸L₆的尺寸链。这样设计汽车前部的目标要求是没有任何零部件侵入脚部空间，即在碰撞时避免缩短尺寸L₆。

尺寸（L114-L53）的表达可以解释在x方向和z方向延伸之间存在一个主要的设计空间，如图4.2-12所示。

图4.2-12 脚后跟到前车轮中心（R点）距离与地板厚度间的相关性

显然，在z方向加厚10mm地板，脚后跟点就会继续向前布置30mm。抬高地板，就会以同样的尺寸影响纵向方向（x方向）的两个关键尺寸链。

汽车后部、后车轮罩、燃油箱和后桥设计主要影响尺寸R7。

尺寸L₈由后桥、备用轮以及后碰撞时的自由碰撞长度决定。

尾部尺寸L₉由汽车前部的尺寸L₁所含的几部分尺寸决定。

（2）定义汽车高度尺寸链 在x和z方向的尺寸方案间的主要相关性表示在图4.2-11和图4.2-12上。汽车高度为汽车地板离地高度（H156）、地板结构尺寸（H5-H30-H156）、脚后跟点尺寸上的R点高度尺寸（H30）、前头部空间尺寸（H61）和车顶结构尺寸之和。要将这个汽车总高度尺寸减去102mm。102mm是从尺寸H61的定义中得到的（根据R点到臀部最低点的平均距离测定规范）。尺寸H61是根据测定规范，在座位倾角为8°时得到的，并相应换算到z方向上的尺寸分量。

框架方案对z方向的车身具有决定性意义。汽车地板厚度可能超过80mm，在这种情况下，乘员就“坐在”纵梁上和坐在门槛上（汽车前部为平地板）。这种方案在后排座位上会造成乘员双腿向内的很大弯角。

在薄的汽车地板结构时，力通过车门门槛，必要时通过通道和地板传递。在该方案中乘员座位在两车门门槛之间的框架上。

（3）定义汽车宽度尺寸链 在4个重要的yz平面定义汽车宽度：

1）前桥中心面：由车轮包络线、车轮罩、纵梁宽度、动力装置宽度和安装条件定义前桥中心面汽车宽度。在前驱动时常以万向轴的弯角决定汽车宽度。

2）前脚后跟点平面：由带承载结构的车轮罩、支撑脚部的离合器踏板、宽踏板和通道宽度（在发动机纵向安装在汽车上时）确定该平面的汽车宽度。

3）前R点平面：由车门宽度（侧向防撞结构和安全气囊）、乘员肩宽、乘员到车门间距离（舒适性目标、变速器宽度和仪表板宽度）定义y方向前R点平面的汽车宽度。

4）后R点平面：由后车轮罩位置、车门结构和用于2个或3个座位的舒适性要求确定该平面汽车宽度。

4.选择组装的外观

（1）车身结构　在车内范围可能安装的部件以及汽车的整体尺寸主要受车身承载结构空间需要的影响。

由于汽车组装（Package）的重要作用，由车身结构强度（扭转、弯曲强度）和碰撞性能计算得到的车身承载面、载荷分布和振动模态节点是一个重要的“三角支架（组装的三要素）”。

轻型车身（见第6章）是汽车的一个重要“调整环节”，以降低整车的重量^[7，9]。趋于有较大断面的轻型车身同样影响汽车方案。

（2）发动机室　日益严格的降低汽车排放法规和提高内燃机热效率与减少内燃机维修，使整个发动机室越来越复杂^[4]。增加的一些新功能，如ABS系统、前照灯清洁系统等使发动机室的空间环境更趋紧张。

由于这种苛刻的组装环境和对柴油机还有一个为隔离噪声辐射采用的屏蔽罩（即闭式发动机）而提出的散热任务。需要注意发动机室热零部件的极限温度，并有针对性地对发动机室进行通风和冷却。

（3）汽车底部　传动系、排气管、管路和导线、燃油箱、车桥决定汽车底部的设计（图4.2-13）。

图4.2-13 保时捷911卡雷拉4-汽车底部组装

发动机排气后处理系统是排气系的一个重要部分（参见5.6节）。在发动机冷起动后为尽可能快地使排气后处理系统达到正常工作温度，排气后处理系统至少有部分零部件要尽量靠近热的发动机。减小节流损失的排气管（如V形发动机、对置式发动机通常有两排排气管^[17，18]）和足够大的消声器容积是达到低排气背压、提高发动机热效率与功率的必要条件。消声器要求在通道和汽车后部范围有最大的空间。

为降低汽车风阻，在高档、高速汽车上采用护板式底部，使底部较为光滑。护板式底部还能很好保护管路/线路，但热量不易散走。

（4）燃油箱、管路/线路和备用车轮　安装燃油箱需要采取必要的防撞措施。在发动机前置的汽车上，燃油箱防撞保护要安装在后桥前或后桥范围（参见7.6节）。

汽油管路、液压管路和电气线路的管路/线路组装关系到汽车安全性。利用可靠的、不易混淆的快速连接才能保证防撞、无交叉的布线，并达到高质量的装配。

为降低HC化合物排放，需减少燃油管路连接点和采用低燃油扩散的油管材料。基于同样的原因，还要使用活性炭罐（容积视燃油箱容积和加油排气系统，约为1.5～5.0L），以在使用汽车时（如燃油箱加热，在美国还包括加油过程）作为释放出的汽油蒸气的中间储存器。

备用车轮或应急车轮是大体积部件。在发动机前置的汽车上，它布置在汽车后部范围，所需的净空间约为50（窄的高压应急车轮）～80L（标准备用车轮）。备用车轮不断被节省空间的轮胎修理系统和充填系统或应急性能轮胎替代（参见7.3节）。

5.来自产品和用户服务部门的要求

（1）产品和模块化　由合理生产方案与最高产品质量和最少生产时间目标给定的汽车装配顺序影响汽车方案设计，因为要考虑如安装方向（实例：发动机从上面、从前面、从后面安装）等问题。安装模块是与动力装置一样的大体积部件，安装在汽车上的可能性只有装车时才能确定。

汽车日益模块化的趋势，即组成较大预装配结构组合件，有下列原因：

1）减轻汽车装配线的紧张工作程度。

2）简化总装配过程。

3）汽车装配线外的变型部件预装配和预先进行部件检测。

4）减少装配线节奏损失时间。

5）能较大程度利用外部供货件。

大的安装模块如：汽车前模块（参见6.1.5小节）、仪表板总成模块、前后车桥、传动系（部分的包括1个或2个车桥）和敞篷乘用车上的车篷模块。

（2）用户服务部门　影响汽车方案的要求首先是更换汽车部件允许的最大时间价值以及意外的修理费用。为保证组装，这些要求意味着要对部件或结构组合件进行安装和拆卸试验，以得到理论上所需的维修时间。

这样优化的目的是为用户降低维护、修理和保险费用，并可提高产品的竞争力（参见10.6节）。

6.平台和结构模块影响

定义平台和结构模块就可以追求用尽量少的专用变型部件开发各种汽车（如2门或4门高档轿车、客货两用车、敞篷轿车）。

什么是平台？平台就是由汽车地板组合件（包括前围板的支撑结构，在汽车地板组合件后部范围大多是纵向可变的组装）、包括散热器模块的传动系、带转向直拉杆的车桥、没有护板的仪表板总成、座椅位置等的大部分集合而成。

因为各车型是在共同的平台上组合而成，所以整个的“盖”和用户能看到的形状（车内或车外）没有包括在平台中。

什么是结构模块？在汽车制造业中结构模块就是用于各种汽车结构系列和车型的许多部件或结构组合件，如部分或整体车桥、散热器、辅助装置（发电机、空调压缩机）以及采暖和加热设备。

定义平台和结构模块的目的是利用最低的开发和投资费用获得最多的基本车型和变型车。另外可改善大批量生产平台和结构模块的采购条件，降低产品成本。

汽车联合企业（康采恩）通行的策略是将各种商标联合在一起。但对小的汽车生产厂家，产量不大的各车型可以组成一个经济共同体^[4，10]。