第12章 汽车设计
12.1 Automotive Design Process 汽车设计过程
什么是汽车设计？简单地说，它是客户可见到的汽车每个元素的美学修养。由于历史的原因，汽车设计的外号是“造型”。
全世界的汽车制造者的汽车设计过程大致相同。一般说来，汽车设计过程的各个阶段如下，这里对它们进行详细描述。 第1阶段：早期技术规格的确定
很少有汽车设计仅仅从设计室开始。实际上，汽车的开发始于一系列的战略会议，参会者是一个来自包括设计、销售和工程部门的多学科专家团队。这些专家全部来确定设计开发过程进程的参数（实际的和概念的）和时间表。在这期间，会形成一个设计概要，从而使设计过程正式开始。汽车类型、动力系统、材料、用户群、生产条件和最后的汽车定价全部予以考虑。
第2步：产生早期的概念草图
通常，一位设计老板将会激励他的某些或全部设计人员，通过蕴含生活方式与汽车产品领域规范的主题情绪板来激发创新思维，产生概念设计。
这些主题情绪板通常在早期的规划会议上产生。主题情绪板重点可以涉及这样的一些元素：汽车设计应该唤起的情感；该车的生活方式背景；暗示车型演变的主题。它们还可以参考一个或几个现有的车型或有历史影响的车型，用基准问题测试对手的车型以便采取对策，甚至还可以要审视整个未来背景。
一旦主题获得同意之后，早期绘制草图的紧张阶段就会开始。草图绘制是实现大量概念可视化的一种快速而有效的方式。虽然这个阶段竞争激烈，但是设计人员一般都要对相互的设计加以鼓励和强化，以获得更大的效益。常常发生这样的情况，进入初步候选名单的设计方案会由许多设计师合作完成。 第3阶段：产生初步设计候选名单
一旦设计团队定出受人欢迎的设计草图，然后便会根据这些可能的初步候选设计创造出更多的草图。设计没有被选中的设计师们将会被重新安排在这些初步候选设计上，并帮助绘制更多的草图，来展示汽车的不同的外部视角有时还包含内部视角或细节。
在这一点上，管理层常常还要进行一次进一步的复审，当然，这将取决于在这个最早的候选方案列表中有多少设计正在进行中。也许是管理层将决定进一步列出候选名单，也许是管理层决定使用像Alias Autodesk这样的软件来产生计算机辅助设计（CAD）模型。 第4阶段：确定最后候选名单和制作油泥模型和数字模型
一旦选定最后几个设计，制作三维虚拟模型或油泥模型的过程便可开始。使用CAD 的数字造型提供了利用不同的虚拟环境来对设计进行评价的能力和探索快速变动的可能性，以及在不同环境（尽管是虚拟的）中的可视化的可能性。
另一方面，在评价现实世界的实际尺寸和外形方面，比较传统的油泥模型具有不能再好的实体形状。在模型比例为1:1的情况下，可以在实际尺寸下对模型进行观察和理解。油泥模型常常可以搬到室外阳光下，以便于对表面、线条和折缝在自然光线下进行更好的了解。油泥模型还具有这样的优点：能让设计师绕模型走走来观察它们，以便更好地从不同的角度进行鉴赏和理解。
设计经理可以更喜欢两种方法之一，或者两种方法结合使用（尽管这不是唯一的情况，但是却是经常的情况）。在这里，全尺寸油泥模型不用CAD数据来产生是极为平常的。 第5步：内饰设计
汽车外部设计开始之后，通常为3个月后，车辆内饰设计要尽快开始。轿车内饰设计比较复杂，表面数和用材限制考虑的因素远远大于车身外部，并且还涉及到设计师的工作感觉与色彩和装饰专业人员相协调的问题。
在考虑客户生活方式和要求以及成本、重量和安全限制的情况下，色彩与装饰团队研究和创造内饰设计的情绪板和色彩、材料，甚至织物的主色调。
当最终的内饰设计选定后，3D数字造型开始，以便产生最终造型/样车制造所需的数学数据。
第6/7步：最终造型/样车制造
一旦定下最终的数学数据，样车零件便可在样车制造之前首先生产出来。这时制造的常常是一台工作样车，这台工作样车可以在设计室装配，或者有别的专业供应商制造。 第8步：现实化
一旦管理层批准了一个最终设计，就会对全尺寸油泥模型进行扫描，产生一个新的3D数学模型，并产生工程和制造作业所用的最终数据，以便产生最终的零件和刀具零件。 第9步：最终定型
管理层最终批准设计并给该车辆设计的生产开放绿灯。
12.2 Computer Aided Design （CAD）and Virtual Reality（VR）
计算机辅助设计与虚拟现实技术
计算机辅助设计（CAD）
尽管高超的草图绘制技术仍然是任何汽车设计的基础，但是，最近，原始的草图绘制向数字绘图的成功转变已经变成现代汽车设计过程的关键。
数字设计技术的应用已经为汽车工业带来变革。数字设计能使设计师创造未来概念的数字原型和批量生产的汽车，能使它们在不同的环境中可视化，甚至在不必经历一个花费高昂、用时很多的模型制造过程的情况下，可以与它们进行互动。另外，这些数字模型还可用来产生工程数据，而最终用于创造生产工具。这就是说，汽车制造者可以在真正的制造之前便可在一个虚拟世界中开发一个完整的产品。
在从概念设计阶段到制造过程，计算机辅助设计软件可用于设计开发过程的多个关键阶段（创造、确认、优化和设计管理）。通过使用数字原型，汽车制造者能够在不依赖于花费高昂却仍有缺点的实体原型的情况下，对设计的现实世界的表现实现可视化和进行仿真。
在这样的技术存在之前，造型师会依据3D草图来制造模型。这种方法在今天的汽车工业中仍在使用，但是数字造型技术的应用已经不再需要像以前那样制造多个模型。以前的造型为满足后来的设计变更而常常需要极为费时的修改操作，然而采用了数字造型后，某些设计修改已经减少。
数字技术的应用是将设计的创造技艺与数学计算机工程数据的无情的僵硬的效能相结合。这就提供了许多优点：设计过程加快，研制周期缩短，使汽车尽快投放市场，从而减少了工时和费用；其次，设计变更（以及因此导致的数据变动）可以快速地完成。同样，在一项成功设计“播报”之前，可以对更大数目的可能设计方案进行“虚拟”开发，从而为创造
性开发留有更大的自由发挥空间，并还会增加设计的产出率。
就工作流程而言，这些工具也是极为有用的。今天的汽车设计过程极为复杂且为多方面合作完成。例如，对于同一辆汽车，外部设计在加利福尼亚完成，而内饰设计在法兰克福完成，这种情况并不少见。数字设计可让各团队间共享设计，以便于他们在开发过程中加以评论。
最流行的CAD软件包是Adobe Photoshop和Autodesk's Alias Automotive，全世界大多数汽车制造厂家都在使用它们。它们可用于全尺寸汽车项目从初始的概念草图到A级（客户可见到的）曲面的设计和可视化。
手绘草图可以输入Autodesk Alias Automotive，在这里，从初始的概念草图一直到A级曲面，对设计和外形进行定义。还可以利用像Autodesk Sketchbook Pro这样的软件和数字笔图形输入板（如Wacom 图形输入板）在计算机上通过数字方式创建草图。使用这样的软件，如果设计师门希望的话就可以全部用数字方式绘制草图，不必在笔和个人计算机之间进行切换。Alias Surface软件允许使用如来自全尺寸油泥模型的扫描数据进行概念模型的3D建模，从而创建高质量的A级表面。虚拟造型师可选取一个设计并利用Alias Surface软件为其建立模型。
虚拟现实技术
一辆新开发的汽车及其零件的外形是什么样？是如何装配在一起的？是怎样制造和维修的？弄懂这些问题的最好方法是要有一个全尺寸原型。然而，制作一个原型常常太慢，太昂贵，并且在开发过程的初期（许多决策处在变动中）也完全不现实。这就是作为极为有用的开发工具的虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术正在出现的一个原因。
这些技术的使用有助于决策过程。你将能够以数字和3D的形式快速地仿制出2年后的实际产品是什么样子。创建一个VR原型需要几个小时或许是几天，而制作一个实体原型需要几周甚至是几个月。
尽管CAD透视图很好，但是这些图在与人互动方面上存在不足：绕着走的能力，坐进去的能力，领会如何进入一个零件的能力等。虚拟现实和增强现实技术能给人提供一种一个产品怎样与人（使用者和制造者）互动和它怎样存在于三位世界中的感觉。
虚拟现实技术对于经理和项目管理人员特别有用，这些人负责整车和车系。但是不要搞错，这项技术对于汽车行业的每个部分都有用，包括装配厂的培训师、试图弄清装配和可维修性的研发工程师和制作小册子的销售人员。
演示福特关键VR技术的VR室装备有“能量墙”和多个全拟真头戴式耳机。戴上这种耳机后，一个人就会身处3D环境中，同时能力墙将头戴耳机者所看到东西显示给参加会议的许多其他的人。福特继续使用用3D打印机制造的实际零件和装置，以便混入到他们的拟真环境中。
12.3传动比的选择——变速器与车辆的匹配
变速器传动比的选择常常受到传动比是否可得到和是否已经在生产中使用的制约，知道这一点是很重要的。出现这种情况的原因是在设计新的齿轮传动装置、为制造新部件而安装和调试设备方面都需要很大的资金投入。然而，在某些情况下，必须对传动比做出改动。这些情况包括更换发动机，如从汽油机改换为柴油机，或者是准备安装变速器的车辆其重量出现大幅度变化。显然，车辆制造商内部可用资金与相关生产批量将在这个决策中会起着决
定性的作用。在允许变动的情况下，也只限于一两个传动比，中间传动比不再改动，因而不用进行优化。最后，在考察怎样选择“理想”传动比之前，还有一个传动比选择的限制因素就是齿轮设计本身。以一挡齿轮组为例，主动齿轮的最小极限尺寸为多大，才能经受齿轮箱内可能出现的冲击载荷。
当确定一台特定的齿轮箱应该匹配什么样的传动比时，需要做出许多决策。对于手动变速器、自动变速器和机械式无级变速器而言，具有一个类似的过程。由于变矩器和（或）换挡程序图的作用，自动变速器和CVT具有更大的灵活性。除了变速器各传动比之外，这些都将影响到工作区内的任何工作点处的实际总传动比。这些必须考虑的因素有：
·车辆性能要求；
·车辆重量、滚动阻力和其他参数； ·变速器设计中的其他限制因素。
·在车辆内的和对发动机附件的封装限制（如果必须改变箱体的话）； ·可用性——如上面所讨论的。
车辆的性能只不过就是最高车速和加速度。 1.最低挡（1挡）传动比的选择
这个传动比将决定着车辆的起步性能，其大小取决于： ·要求的爬坡度——最坏情况； ·车辆的总重量（满载）； ·需要的任何挂车的重量；
·发动机低速特性——即，对于增压发动机而言，有效进气“增压”所需的的最低发动机转速。
2.最高挡（乘用车一般为五挡）传动比的选择 ·发动机特性；
·巡航车速的经济性要求；
·挡位性能——在超车中驾驶员期望换挡吗？
·最高挡或次高挡（通常为4挡）能够获得的最高车速——最高挡为超速挡吗？
通常，将几个中间挡间隔开，以便在两个极端传动比中间提供均匀舒适的分布。从理论上讲，传动比的选择常常在各挡之间提供一个恒定的车速增量或者是变化的车速增量（见图12-1）。通过利用恒定的速度增量，在驾驶员升挡时，通过不变的转速变化量使发动机转速降低。例如，如果每当发动机达到譬如说3000r/min时，驾驶员就升挡并加速，那么，在每次升挡之后，发动机转速相同。在可变转速增量的情况下，情况就不是这样，通常情况下，随着换入更高的挡位，每次换挡时的发动机转速的变动会逐渐变小。下面的图就说明这一点。图中升挡点不变，当然，实际上显然不必如此。
图12-1 逐渐改变传动比时的发动机转速与车速的关系
特定车辆对所选择的变速器的要求或限制可能会改变这种传动比间隔状况，其中的主要原因是：
·复杂性要求——现有的传动比组合会限制在新车上的传动比选择机会，特别是对于较小生产批量的汽车；
·挡位加速性要求——在某些车速下具有特别的性能要求，例如，不用过多的换挡便可获得0~60mph(英里/小时)/100kph(千米/小时)的加速时间；
·变速器壳体对齿轮尺寸的限制；
·排放和燃油经济性要求，即在法定的驾驶循环期间的发动机状况。 ·在特定的发动机转速或传动轴转速时的品质问题。
实际上，所有的这些因素都将影响到传动比的选择，并可能导致对某一给定的车辆，在计算的“理想”传动比组合与现有车辆可以使用的传动比组合之间进行折衷。
3.变速器与车辆匹配中应考虑的问题（举例）
在这个例子中，我们将探讨为一辆道路车辆（本例中为一辆4×4车辆）设计一台变速器时需要考虑的某些因素。
首先来考虑一下图12-2中该4×4车辆的滚动阻力。设轮胎的滚动半径为0.375m,因此可以计算出一定范围内的任何车速下在车轮处所需要的转矩。再考虑一下图12-3（这是一台大型汽油机的油耗图。为了反映最大转矩，可以经过等燃油流量曲线顶部绘出一条线）。
假设该汽车变速器的某些参数为：主减速器传动比为4.2，五挡传动比为0.75，四挡为1.0，三挡为1.4。
绘制120km/h（高速公路）的发动机工况，并假设变速器系统损失为5%，从而将不同挡位下的发动机工况展示在图上。这个车速所要求的牵引力是1100N，这就等同于在车轮处需要413Nm（总）的转矩。从理论上讲，在我们的4×4例子中每个车轮处的名义转矩为103Nm。
我们还可以计算出在这个车速下，车轮、变速器和发动机的转速。前面的滚动半径就意味着车轮每滚动424转，汽车就会行驶1km。这就意味着车速为120km/h时的车轮转速为848r/min。
根据这些数字，就可以计算出给出对应于各个挡位在120km/h时的发动机转矩和转速。在各个挡位时的发动机工作点表明，随着车辆换入4挡和5挡，发动机转速下降，转矩增加，而指示燃油质量流量减小。正如我们所期望的，在高挡比在低挡时更省油。
如果我们加一个传动比为0.6，甚至为0.5的“超速挡”6挡，会发生什么呢？图中曲线还表明，如果将一个超速挡传动比加给变速箱，曲线的走势将会继续下去。结果表明，如果这样做太过了，所用的燃料就不一定继续下降。随着转速降低和要求的转矩增加，发动机的工作条件会导致发动机反应迟缓，需要加大节气门开度，并且由于发动机高负荷，排放甚至会增加。
汽车专业英语2版参考译文- 第12章 汽车设计
