1.2 设计步骤

现代汽车向清洁、节能、安全和智能方向发展，夹在质量和成本间的汽车设计数据空间越来越小。这就提出了精益设计等一系列课题，主要表现在以下几个方面：

①电子和电气产品的比重不断加大。新的电子产品，如电喷、ABS、安全气囊等控制系统核心都是汽车电子产品。汽车机电一体化速度加快。汽车电子产品工作条件恶劣，对产品性能和可靠性的要求又极为严格，产品一旦失效，将对安全造成威胁，所以汽车的电磁分析及电磁兼容性（EMC）研究已提到了议事日程。

EMC研究涉及电-磁-热-流体-压电-结构的多学科交叉分析。传统的有限元分析软件已不能满足电磁产品精益设计的要求，具有多物理场仿真功能的有限元分析软件ANSYS为此提供了合适的工具。

在设计中，采用场-路结合的方法模拟电动机电磁场分析，取得部件磁场分布，如气隙磁场、转子力矩、空载及负载的特性帮助产品设计。使用ANSYS分析轻而易举地解决了电动机定向晶粒钢材非线性磁流限值问题，在提高钢材磁密度的同时减少铜线的损失，设计出了轻量化电动机。

②非线性分析进入实用化阶段。世界上任何事物的本质都是非线性的，但在传统设计中常常简化为线性。现在，精益设计呼唤非线性分析。ANSYS软件强大方便的非线性能力满足了这个要求。

③系统分析在汽车设计中越来越重要。相关部件间的载荷传递一般无明确的规律，单个零部件的工况就不甚明确，这给汽车零部件分析增加了困难；而今ANSYS为汽车业提供的解决方案允许将分析对象扩大至总成系统直至整车，从而绕过了零部件内部复杂的受力关系这一难题，使得分析结果更加符合实际。

④动力学分析和弹性体分析结合。传统上动力学分析的对象只能是刚体，应力分析的弹性体只能是被约束的。悬架系统的动力学分析现在不需要对各机构部件刚化，可以在考虑结构弹性的同时分析其运动情况和工作时间的应力响应，可以大幅度提高分析精度。

1.2.1 汽车设计的设计过程

1.制订产品开发规划

在汽车产品开始技术设计之前，必须制订产品开发规划。首先，必须确定具体的车型，就是打算生产什么样的汽车。其次是进行可行性分析，根据用户需求、市场情况、技术条件、工艺分析、成本核算等，预测产品是否符合需求，是否符合生产厂家的技术和工艺能力，是否对国民经济和企业有利。第三步是拟定汽车的初步方案，通过绘制方案图和性能计算，选定汽车的技术规格和性能参数。最后一步是制订出设计任务书，在其中写明对汽车形式、各个主要尺寸、主要质量指标、主要性能指标以及各个总成的形式和性能等具体的要求。

产品开发的前期工作，是分析各方面的影响因素，明确产品开发的目的和工作方向。否则，不经过周密调查研究与论证，盲目上马，轻则会造成产品先天不足，投产后问题成堆；重则会造成产品不符合需求，在市场上滞销，带来重大损失。

在产品开发的前期，企业为了进行各种研究与探讨，概念设计和概念车在近年来逐渐兴起。概念设计，是对下一代车型或未来汽车的总概念进行概括描述，确定汽车的基本参数、基本结构和基本性能的设计。概念设计同样需要研究产品的开发目的、技术水平、企业条件、目标成本、竞争能力等。概念设计可能只停留在图样上和文件上的描述，成为“虚拟的”概念车，也可能制造出实体的样车供试验和研究。概念设计可能只是一种参考方案或技术储备，也有可能纳入正式的产品开发规划。所以概念设计不仅只供产品开发参考，也有可能成为正式产品开发规划的重要部分，成为新一代车型的初步设计。

2.初步设计

汽车初步设计的主要任务是构造汽车的形状设计，主要包括如下内容：

（1）汽车总布置设计

汽车总布置设计（又称初步造型），是将汽车各个总成及其所装载的人员或货物安排在恰当的位置，以保证各总成运转相互协调、乘坐舒适和装卸方便。为了保证汽车各部分具有合理的相互关系，需要确定出许多重要的控制尺寸。在这个阶段，需要绘制汽车的总布置图，绘出发动机、底盘各总成、驾驶操作场所、乘员和货物的具体位置以及边界形状；也包括零部件的运动（如前轮转向与跳动）范围校核。经过汽车总布置设计，就可确定汽车的主要尺寸和基本形状。

（2）效果图

效果图是表现汽车造型效果的图画。

造型设计师根据总布置设计所定出的汽车尺寸和基本形状，就可勾画出汽车的具体形象。效果图又分为构思草图和彩色效果图两种。构思草图是记录造型设计师灵感的速写画。图1-7所示为几类汽车造型效果图，彩色效果图是在构思草图的基础上绘制的较正规的绘画，需要正确的比例、透视关系和表达质感。彩色效果图包括外形效果图、室内效果图和局部效果图，其作用是供选型讨论和审查。效果图的表现技法多种多样，只要效果良好，表现技法可不拘一格。

图1-7 汽车造型效果图

（3）制作缩小比例模型

缩小比例模型是在构架上涂敷造型泥雕塑而成的。轿车缩小模型常用1∶5的比例，即模型各部分尺寸均是真车尺寸的1/5。英、美等国采用英制尺寸，模型的比例是3∶8。造型泥是一种油性混合物，又称油泥，它在常温下有一定硬度（比肥皂硬些），涂覆前须经烘烤。缩小比例模型是在彩色效果图的基础上更进一步表达造型构思，具有立体形象，比效果图更具真实感，要求比例严格、曲线流畅、曲面光顺。制作一个缩小的汽车模型，需要从各个角度进行审视，反复推敲，精工细雕。

（4）召开选型讨论会

经过初步设计，绘制出一批彩色效果图和塑制出几个缩小比例模型，就可以召开选型讨论会。会议的目的是从若干个造型方案中选择出一个合适的车型方案，以便作为技术设计的依据。选型讨论会主要讨论审美问题，但也涉及结构、工艺等方面，故通常由负责人召集造型设计师、结构设计师和工艺师等参加。选型讨论会结束，说明选定车型的造型构思基本成熟，汽车的初步设计结束。

3.技术设计

技术设计包括确定汽车造型和确定汽车结构两个方面。

（1）确定汽车造型

①绘制胶带图。胶带图是用细窄的彩色不干胶纸带粘贴成的1∶1（全尺寸）汽车整车图样，可表达零部件形状及外形曲线。胶带图的外形曲线数据取自选定的缩小比例模型，可用来审查整车外形曲线的全貌。如发现某条曲线不美观或不符合要求，可将胶带揭起重新粘贴，直到满意为止。胶带图完成后，缩小比例模型的曲线又经过了进一步修正。

②绘制1∶1整车外形效果图。单纯由缩小比例的绘画表达汽车的外形效果尚不足够，还需要绘制等大尺度（全尺寸）的彩色效果图（图1-7）。现代造型设计非常重视等大的尺度感。汽车形状的最后确定，不能从缩小比例的图样或模型直接放大，而应经过1∶1效果图和1∶1模型的修正，以符合等大的尺度感和审美要求。缩小比例图样和全尺寸图样的真实感是截然不同的。打个比方，雏鸡看上去很小巧可爱，若放大5倍就显得太胖太臃肿。汽车也是一样，缩小比例模型上某些圆角或曲线看上去很小巧雅致，放大5倍后也许就会显得笨拙。

③制作1∶1外部模型（图1-8）。汽车外形外部模型是定型的首要依据。

图1-8 汽车外形外部模型

④制作1∶1内部模型。1∶1内部模型用以审视汽车内部造型效果和检验汽车内部尺寸。1∶1内部模型与1∶1外部模型同时制作，其设计和尺寸相互配合。1∶1内部模型的形状、色彩、覆盖饰物的质感和纹理都应制作得十分逼真，使人有置身于真车室内的感觉。

⑤造型的审批。1∶1外部模型、内部模型、效果图完成后，需要交付企业最高领导审批，使汽车最终定型。汽车造型设计是促进汽车销路的重要竞争手段，大公司为了击败对手，会采用频繁更换车型的手段，对汽车造型设计的需求就十分迫切，使之在整个汽车设计过程中占有越来越重要的地位。

（2）确定汽车结构

汽车造型审定后，就可以着手进行汽车结构设计。

汽车的结构设计，是确定汽车整车、部件（总成）和零件的结构。也就是说，设计师需要考虑由哪些部件组合成整车，又由哪些零件组合成部件。零件是构成产品的最基本的、不可再分解的单元。毫无疑问，零件设计是产品设计的根基。进行零件设计时，首先要考虑这个零件在整个部件中的作用和要求；其次，为了满足这个要求，零件应选用什么材料和设计成什么形状；最后，零件如何与部件中其他零件相互配合和安装。按照零件所使用材料的不同，可分为金属材料和非金属材料两大类。

金属材料又可分为钢铁（黑色金属）材料和有色金属材料两大类。汽车所采用的非金属材料种类繁多。钢铁是汽车上所使用的最重要的材料，占全车的大部分。钢铁的主要优点是强度、刚度和硬度高，耐冲击和耐高温，因而用于汽车上载荷大、高温、高速的重要零件。所谓强度高，就是这种材料可承受较大的力而不被破坏；所谓刚度高，就是这种材料可承受较大的力而变形很小。汽车的零件在工作时，有的零件承受拉力而有伸长的趋势；有的零件承受压力而有缩短的趋势；有的零件承受弯曲力矩而趋于弯曲变形；有的零件承受扭转力矩。事实上，许多汽车零件的受力比上述例子复杂得多。如汽车变速器的轴就同时承受了拉、压、弯、扭多种力。汽车零件不仅承受静载荷，而且由于汽车的行驶条件随路况变化，因此还要承受十分复杂的动载荷。作为设计师，必须充分考虑零件的受力情况，经过周密的计算，确保零件的强度和刚度的数值在允许的范围内。

确定汽车零件的形状，也要花费设计师许多心血。例如，发动机气缸体的形状就非常复杂，需要设计气缸和水套，考虑与气缸盖、油底壳的接合，安装曲轴、进气管、排气管和各种各样的附属设备，乃至气缸体内部细长的润滑油通道……所有这些因素都应考虑周全，每个细节均不能遗漏。

设计师必须把所设计的汽车结构在图样上表达出来（图1-9）。

在设计时，设计师必须无条件地执行国家制定的有关法规和标准。对于出口的产品，还必须执行外国的标准，如ISO（国际标准化组织）、SAE（美国汽车工程师协会）、JIS（日本工业标准）、EEC（欧洲经济共同体）、ECE（欧洲经济委员会）等标准。图样绘制成后，需要将部件和零件按照它们所属的装配关系编成“组”及其下属的“分组”号码。每个部件、每个零件及其图样都给定一个编号，以便于对全部图样进行文件管理（具体管理方法见本丛书另外一本《汽车研发管理》）。

图1-9 造型数字化

1.2.2 汽车总布置设计流程（图1-10）

图1-10 汽车总布置设计流程

要点

遵循汽车设计规律，运用现代汽车设计技术手段，进行分析校核。