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正向汽车研发流程


正向汽车研发流程
新车型的研发是一个非常复杂的系统工程,以至于它需要几百号人花费上 3、4 年 左右的时间才能完成。不同的汽车企业其汽车的研发流程有所不同,我们下面讲述的是 正向开发的量产汽车一般的研发流程。以满足车友对汽车研发流程的好奇感。 研发流程包括管理、设计、组织等方方面面的辅助流程,本文主要向大家介绍汽车 研发中的核心流程,也就是专业的汽车设计开发流程,这一流

程的起点为项目立项,终 点为量产启动,主要包括 5 个阶段:

一、方案策划阶段
一个全新车型的开发需要几亿甚至十几亿的大量资金投入,投资风险非常大,如 果不经过周密调查研究与论证,就草率上马新项目,轻则会造成产品先天不足,投产后 问题成堆;重则造成产品不符合消费者需求,没有市场竞争力。因此市场调研和项目可 行性分析就成为了新项目至关重要的部分。 通过市场调研对相关的市场信息进行系统的 收集、整理、纪录和分析,可以了解和掌握消费者的汽车消费趋势、消费偏好和消费要 求的变化,确定顾客对新的汽车产品是否有需求,或者是否有潜在的需求等待开发,然 后根据调研数据进行分析研究,总结出科学可靠的市场调研报告,为企业决策者的新车 型研发项目计划,提供科学合理的参考与建议。 汽车市场调研包括市场细分、目标市场选择、产品定位等几个方面。项目可行性分 析是在市场调研的基础上进行的,根据市场调研报告生成项目建议书,进一步明确汽车 形式(也就是车型确定是微型车还是中高级车)以及市场目标。可行性分析包括外部的 政策法规分析、以及内部的自身资源和研发能力的分析,包括设计、工艺、生产以及成 本等方面的内容。在完成可行性分析后,就可以对新车型的设计目标进行初步的设定, 设定的内容包括车辆形式、动力参数、底盘各个总成要求、车身形式及强度要求等。 将初步设定的要求发放给相应的设计部门, 各部门确认各个总成部件要求的可行性 以后,确认项目设计目标,编制最初版本的产品技术描述说明书,将新车型的一些重要 参数和使用性能确定下来。在方案策划阶段还有确定新车型是否开发相应的变形车,确 定变形车的形式以及种类。项目策划阶段的最终成果是一份符合市场要求,开发可行性 能够保证得到研发各个部门确认的新车型设计目标大纲。该大纲明确了新车型的形式、 功能以及技术特点,描述了产品车型的最终定位,是后续研发各个过程的依据和要求, 是一份指导性文件。

二、概念设计阶段
概念设计阶段开始后就要制定详细的研发计划,确定各个设计阶段的时间节点;评 估研发工作量,合理分配工作任务;进行成本预算,及时控制开发成本;制作零部件清 单表格,以便进行后续开发工作。概念车设计阶段的任务主要包括总体布置草图设计和 造型设计两个部分。

1.总体布置草图

总体布置草图也称为整体布置草图、整车布置草图。绘制汽车总布置草图是汽车总 体设计和总布置的重要内容, 其主要任务是根据汽车的总体方案及整车性能要求提出对 各总成及部件的布置要求和特性参数等设计要求;协调整车与总成间、相关总成间的布 置关系和参数匹配关系, 使之组成一个在给定使用条件下的使用性能达到最优并满足产 品目标大纲要求的整车参数和性能指标的汽车。 而总体布置草图确定的基本尺寸控制图 是造型设计的基础。 总体布置草图的主要布置内容包括:车厢及驾驶室的布置,主要依据人机工程学来 进行布置,在满足人体的舒适性的基础上,合理的布置车厢和驾驶室。发动机与离合器 及变速器的布置、传动轴的布置、车架和承载式车身底板的布置、前后悬架的布置、制 动系的布置、油箱、备胎和行李箱等的布置、空调装置的布置。

2.造型设计
在进行了总体布置草图设计以后, 就可以在其确定的基本尺寸的基础上进行造型设 计了。汽车的造型设计现在已经成为汽车研发中至关重要的环节,包括外形和内饰设计 两部分。而造型设计过程也分为设计和模型制作两个阶段。汽车造型设计师根据要设计 的车型,首先收集同类车型的图片资料,对同类车型进行造型上的比较,根据这些车型 在市场上的受欢迎程度,总结出目前的流行的一些设计趋势以及时尚元素,作为设计的 主题或关键词。比如简洁、复古、前卫等词语。 设计阶段包括设计草图和设计效果图两个阶段,设计草图是设计师快速捕捉创意 灵感的最好方法,最初的设计草图都比较简单,它也许只有几根线条,但是能够勾勒出 设计造型的神韵,设计师通过设计大量的草图来尽可能多的提出新的创意。每个设计师 都会对少数几个自己认为比较好的草图进行完善,包括绘制多个角度的草图,进一步推 敲车身的形体,突出造型特征等等。下面是菲亚特 Bravo 设计草图,我们可以看出最初 的草图形体是比较简练的,只强调部分的特征线。而后来的深入设计草图则比较完整的 表达了车身的整个形态。

图 2 菲亚特 Bravo 前期设计草图

图 3 菲亚特 Bravo 设计深入草图

草图绘制到了一定阶段后,设计工作室内部会进行一次讨论,设计室负责人(比如 设计总监)将从设计师的设计草图中挑出几个相对较好的创意,进行深入的设计。接下 来就是绘制被选中的草图的精细设计效果图,随着计算机辅助设计的发展,以及其所带 来的方便和快捷,越来越多的设计师开始使用各种绘图软件进行效果图的绘制。主要的 绘图软件有 Photoshop、Painter 以及 AliasSkethbookd 等。设计师绘制精细效果图的目的 是为了让油泥模型师或者数字模型师(其使用 3D 软件将设计师的设计由效果图变为 3 维的电脑数据模型,这种模型能够直接将数据输入 5 轴铣削机,铣削出油泥模型)看到 更加清晰的设计表现效果,以便保证以后的模型能够更好的与设计师的设计意图相一

致。设计效果图绘制完毕以后要进行一次评审,这次评审会决定让其中的的几个方案进 行 1:5 的油泥模型制作。

图 4 菲亚特 Bravo 设计方案效果图之一

图 5 菲亚特 Bravo 内饰设计方案效果图

如前所述对设计方案效果图进行评审以后就要开始制作模型了,一般有 3—5 个甚 至更多方案会被选中进行 1:5 的小比例模型制作,制作小比例模型主要是为了节约成 本以及节省时间,一般的汽车厂家都会使用油泥作为材料来制作小比例模型,主要是因 为其容易修改,便于在模型制作阶段不断完善。 油泥模型的制作也有两种方法,一种是油泥模型师直接完全人工雕刻模型,另外一 种是由数字模型师先根据设计效果图在 alias 等软件里先建造出 3 维数字模型然后由铣 削机铣削出油泥模型,然后经油泥模型师进行细节调整。当然在油泥制作过程中设计师 必须全程跟踪指导,以确保油泥模型能够符合自己的设计意图。

图6

奔驰 R 级小比例模型造型方案

图 7 smartforfour 小比例模型方案

在完成小比例油泥模型制作之后,公司高层将会对模型进行评审,这次是第一次实 物模型的评审,他们将综合考虑各个影响到生产的的因素,包括:美学、工艺、结构等。 不过主要还是对模型外观美学的评判,通过评审挑选出其中的 2-3 个方案进行 1:1 的 全尺寸油泥模型制作。 传统的全尺寸油泥模型都是完全由人工雕刻出来的, 这种方法费时费力而且模型质 量不能得到很好的保证,制作一个整车模型大约要花上 3 个月左右的时间,现在随着技 术的进步,各大汽车厂家的全尺寸整车模型基本上都是由 5 轴铣削机铣削出来的,油泥 模型师只需要根据设计师的要求对铣削出来的模型进行局部的修改就可以了, 这种方法 制作一个模型只需要 1 个月甚至更少的时间。油泥模型制作完毕后,根据需要将进行风 洞试验以测定其空气动力学性能;为了更直观的观察模型通常进行贴膜处理,以便检查

表面质量和产生逼真的实车效果。这时要进行一次全尺寸模型的评审会,从中选出最终 的设计方案,并对其提出一些修改意见。油泥模型师根据修改意见调整油泥模型,修改 完毕后再次进行评审,并最终确定造型方案,冻结油泥模型。至此造型阶段全部完成, 项目进入工程设计阶段。

图 8 福特 S-MAX 油泥模型

图9

贴膜后的 S80 油泥模型方案

三、工程设计阶段
在完成造型设计以后,项目就开始进入工程设计阶段,工程设计阶段的主要任务 就是完成整车各个总成以及零部件的设计,协调总成与整车和总成与总成之间出现的 各种矛盾,保证整车性能满足目标大纲要求。工程设计就是一个对整车进行细化设计 的过程,各个总成分发到相关部门分别进行设计开发,各部门按照开发计划规定的时 间节点分批提交零部件的设计方案。工程设计阶段主要包括以下几个方面:

1.总布置设计
在前面总布置草图的基础上,深入细化总布置设计,精确的描述各部件的尺寸和 位置,为各总成和部件分配准确的布置空间,确定各个部件的详细结构形式、特征参

数、质量要求等条件。主要的工作包括发动机舱详细布置图、底盘详细布置图,内饰 布置图、外饰布置图以及电器布置图。

图 10 某轿车 3 维总布置图俯视图

2.车身造型数据生成
车身或造型部门在油泥模型完成后, 使用专门的 3 维测量仪器对油泥模型进行测量, 测量的数据包括外形和内饰两部分。测量生成的数据称为点云,工程师根据点云使用汽 车 A 面制作软件,比如 Alias、Icem-surface、Catia 等来构建汽车的外形和内室模型。在 车身造型数据完成以后,通常要使用这些数据来重新铣削一个模型,目的是验证车身数 据是否有错误。这个模型通常使用代木或者高密度塑料来进行加工,以便日后保存。

图 11 测量得到的点云数据

图 12 使用 Catia 软件制作车身表面

3.发动机工程设计
一般新车型的开发都会选用原有成熟的发动机动力总成, 发动机部门的主要工作是 针对新车型的特点以及要求,对发动机进行布置,并进行发动机匹配,这一过程一直持 续到样车试验阶段,与底盘工程设计同步进行。

4.白车身工程设计
所谓白车身指的是车身结构件以及覆盖件的焊接总成,包括发动机罩、翼子板、 侧围、车门以及行李箱盖在内的未经过涂装的车身本体。白车身是保证整车强度的封闭 结构。白车身由车身覆盖件、梁、支柱以及结构加强件组成,因此该阶段的主要工作任 务就是确定车身结构方案,对各个组成部分进行详细设计,使用工程软件比如:UG、C ATIA 等完成 3 维数模构建,并进行工艺性分析完成装配关系图及车身焊点图。

图 13 某轿车白车身侧围部分设计图

5.底盘工程设计
底盘工程设计的内容就是对底盘的 4 大系统进行详细的设计, 包括: 传动系统设计、 行驶系统设计、转向系统设计以及制动系统设计。主要工作包括: (1)对各个系统零部件进行包括尺寸、结构、工艺、功能以及参数等方面的定义 (2)根据定义进行结构设计以及计算,完成 3 维数模 (3)零部件样件试验 (4)完成设计图和装配图 其中传动系统的主要设计内容为离合器、变速器、驱动桥,行驶系统的主要设计内 容为悬架设计,转向系统的主要设计内容为转向器以及转向传动机构的设计,制动系统 的设计内容包括制动器以及 ABS 的设计。

图 14 底盘部分系统 3 维设计图

6.内外饰工程设计
汽车车内外饰包括汽车外装件以及内饰件, 因其安装在车身本体上也称为车身附属 设备。外装件的主要设计包括前后保险杠、玻璃、车门防撞装饰条、进气格栅、行李架、 天窗、后视镜、车门机构及附件以及密封条。内饰件主要设计包括仪表板、方向盘、座 椅、安全带、安全气囊、地毯、侧壁内饰件、遮阳板、扶手、车内后视镜等。

7.电器工程设计
电器工程负责全车的所有电器设计,包括雨刮系统、空调系统、各种仪表、整车 开关、前后灯光以及车内照明系统。

经过以上各个总成系统的设计,工程设计阶段完成,最终确认整车设计方案。此时 可以开始编制详细的产品技术说明书以及详细的零部件清单列表,验证法规。确定整车 性能后,将各个总成的生产技术进行整理合成。

四、样车试验阶段
工程设计阶段完成以后进入样车试制和试验阶段,样车的试制由试制部门负责, 他们根据工程设计的数据, 根据试验需要制作各种试验样车。 样车的试验包括两个方面: 性能试验和可靠性试验。性能试验,其目的是验证设计阶段各个总成以及零部件经过装 配后能否达到设计要求,及时发现问题,做出设计修改完善设计方案。可靠性试验的目 的是验证汽车的强度以及耐久性。试验应根据国家制定的有关标准逐项进行,不同车型 有不同的试验标准。根据试制、试验的结果进行分析总结,对出现的各种问题进行改进 设计,再进行第二轮试制和试验,直至产品定型。 汽车的试验形式主要有试验场测试、道路测试、风洞试验、碰撞试验等。各个汽车 企业都有自己的试验场,试验场的不同路段分别模拟不同路况,有沙石路、雨水路、搓 板路、爬坡路等等。

图 15 国内某汽车企业试验场

图 16 保时捷汽车试验场

图 17 雷诺新款拉古娜试验场试验

道路测试是样车试验最重要的部分。通常要在各种不同的区域环境中进行,在我国 北到黑龙江南到海南岛都有进行道路测试, 以测定在不同气候条件下车辆的行驶性能以 及可靠性。

图 18 雷诺新款拉古娜在不同的气候环境下的道路测试

风洞试验主要是为了测试汽车的空气动力学性能,获取风阻系数,积累空气动力学 数据。一般要对汽车正面和侧面的风阻进行测定,正面的试验用于计算正面风阻系数和 提升力,侧面试验主要是考察测向风对汽车行驶的影响。国外大的汽车生产厂家有自己 的风洞试验室,由于造价非常昂贵的原因国内尚没有专门的汽车风洞试验室。

图 19 雷诺新款拉古娜风洞试验

图 20 奔驰 R 级风洞试验

碰撞试验的作用是测试汽车结构的强度, 通过各种传感器获得各个部分发生碰撞时 的数据,考察碰撞发生时对车内假人造成的伤害情况。通过碰撞试验可以发现汽车安全 上的问题,有针对性的对车身结构进行加强设计。碰撞试验主要包括正面碰撞、侧面碰 撞以及追尾碰撞。

图 21 样车碰撞试验

试验阶段完成以后,新车型的性能得到确认,产品定型。

五、投产启动阶段
投产启动阶段的主要任务是进行投产前的准备工作,包括制定生产流程链,各种生 产设备到位、生产线铺设等等。在试验阶段就同步进行的投产准备工作包括,模具的开 发和各种检具的制造。投产启动阶段大约需要半年左右的时间,在此期间要反复的完善 冲压、焊装、涂装以及总装生产线,在确保生产流程和样车性能的条件下,开始小批量 生产进一步验证产品的可靠性,确保小批量生产 3 个月产品无重大问题的情况下,正式 启动量产。


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