許可 楊興龍 楊雪峰 湯小虎

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院，長春 130000）

1 前言

乘用車產(chǎn)品的升級換代更加關(guān)注造型和駕乘人員的體驗需求，使汽車的裝備極大豐富、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，需要更多的內(nèi)部空間進行布置，并導(dǎo)致汽車的尺寸增大，質(zhì)量和成本增加，在汽車設(shè)計過程中，總是希望在有限的整車尺寸范圍內(nèi)通過緊湊化設(shè)計來解決上述矛盾。緊湊化設(shè)計通過結(jié)構(gòu)緊湊化和布置緊湊化使結(jié)構(gòu)件尺寸更小，通過壓縮結(jié)構(gòu)占用空間獲得更大的內(nèi)部使用空間，同時兼顧造型、碰撞安全性、整車輕量化等多個維度因素。

現(xiàn)有研究中，針對發(fā)動機艙[1]和前、后輪室[2]的緊湊化分析較多。段昭等[3]在發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上提出了降低發(fā)動機本體高度和動力總成布置高度的方案，改善發(fā)動機艙行人保護空間。石強等[4]通過對電驅(qū)動總成、高壓部件總成的布置優(yōu)化分析，論述了采用部件集成優(yōu)化機艙布置空間的方法。在車內(nèi)乘坐空間設(shè)計方面，張英等[5]提出總布置設(shè)計過程中需要考慮整車內(nèi)外部尺寸和人機要求，通過典型截面協(xié)調(diào)解決造型設(shè)計和工程設(shè)計間的矛盾，實現(xiàn)內(nèi)部設(shè)計目標(biāo)的思路。Reed 等[6]為了探究安全導(dǎo)致的車頂厚度增加對駕駛員頭部空間感知的影響，進行了系列試驗研究，結(jié)果表明，各百分位駕駛員對低車頂狀況的反饋均為不可接受。由此可見，在乘用車設(shè)計中，乘員對頭部空間非常敏感。

本文主要以乘員艙區(qū)域側(cè)圍門洞的布置設(shè)計研究為例，詳細闡述緊湊化設(shè)計的原則、方法和技術(shù)方案，并盡可能保證人機內(nèi)部空間和上下車方便性具有一定優(yōu)勢。

2 門洞結(jié)構(gòu)特征

2.1 門洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

側(cè)圍門洞是乘員艙區(qū)域的重要組成部分，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括頂蓋邊梁、門檻、立柱，及相關(guān)布置單元等，在外特征上可以簡化為由頂蓋邊梁特征線、門檻下沿線、立柱線等特征線包圍的結(jié)構(gòu)，如圖1和表1 所示。對門洞有影響的結(jié)構(gòu)還包括車門鈑金、玻璃、車門附件、水切線等。

圖1 門洞區(qū)域示意

表1 門洞結(jié)構(gòu)

門洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對造型、碰撞安全、人機空間、上下車方便性及輕量化等影響很大，是實現(xiàn)乘員艙空間增大的關(guān)鍵要素。

特征線是由一些離散點擬合形成的，特征線的趨勢反映了整車外觀和內(nèi)飾的造型比例，在門洞特征線上選取若干硬點，將這些硬點與人機R點關(guān)聯(lián)（見圖1），便能控制其整體走勢，實現(xiàn)工程可控。

2.2 門洞基礎(chǔ)斷面和硬點

根據(jù)側(cè)圍門洞特征，可在門洞區(qū)域截取11個關(guān)鍵斷面，各斷面連接在一起形成了門洞區(qū)域的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 斷面分布示意

門洞斷面[7-10]上與特征線相交的點即為工程中要控制的硬點，本文通過其中的8 個關(guān)鍵硬點及其相關(guān)尺寸驅(qū)動上述斷面，如表2 和圖3 所示，并結(jié)合斷面開展多維度分析和參數(shù)化設(shè)計。

圖3 參數(shù)分布示意

表2 關(guān)鍵硬點和關(guān)鍵尺寸

3 緊湊化設(shè)計的原則和方法

3.1 標(biāo)準化設(shè)計

進行標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式定義和標(biāo)準化布局設(shè)計是實現(xiàn)緊湊設(shè)計的首要原則。門洞密封條、車門密封條、窗框密封條等的結(jié)構(gòu)形式均可以固化從而形成標(biāo)準結(jié)構(gòu)，門檻護板腔內(nèi)布局和頂棚兩側(cè)腔內(nèi)布局等通過前期梳理固化也能形成標(biāo)準化設(shè)計模塊。

3.2 極限化設(shè)計

在標(biāo)準化設(shè)計的基礎(chǔ)上探討極限化設(shè)計方案，從而獲得更大的空間。

3.2.1 布置極限化

通過布置位置的極限化調(diào)整和內(nèi)外布置的壓縮可以提供更大的內(nèi)部空間[11-21]。

布置位置的極限化依賴于對硬點分布趨勢的詳細分析，從而對斷面及其包含的硬點在整車上的布置位置進行優(yōu)化調(diào)整。

內(nèi)部布置主要是減小布置間隙、優(yōu)化布局、集成化設(shè)計，外部布置主要受固定在斷面上的結(jié)構(gòu)影響。

3.2.2 斷面尺寸最小化

斷面寬度、斷面高度要保證足夠大的材料面積和腔體面積，從而保證斷面強度，但是在具體設(shè)計時為了保證整車空間需求、上下車方便性需求和輕量化需求，需要盡量減小斷面寬度和高度尺寸。

門檻處的鈑金斷面尺寸對門洞結(jié)構(gòu)的碰撞安全性能影響很大，其斷面高度SZ主要集中在160～180 mm 范圍內(nèi)，寬度SY主要集中在130～150 mm 范圍內(nèi)，如圖4 所示，但某些車型采用了更小的斷面，開發(fā)時需要根據(jù)具體車型進行分析確認。

圖4 斷面尺寸示意

3.3 性能和輕量化的兼顧

斷面性能參數(shù)包括斷面系數(shù)和慣性矩。本文在評估斷面性能時，結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系用以下公式表達：

式中，W為斷面系數(shù)；σ為斷面正應(yīng)力；M為斷面彎矩；RS為最大計算半徑，是斷面尺寸最遠點與斷面質(zhì)心中性軸的距離；A為斷面面積；I為斷面對質(zhì)心中性軸的慣性矩。

斷面相對于質(zhì)心中性軸y向、z向的慣性矩分別為Iy、Iz：

式中，RSY、RSZ分別為y向、z向尺寸。

由式（1）～式（5）可知，斷面尺寸與斷面系數(shù)、斷面慣性矩相關(guān)性很強，而斷面系數(shù)與斷面慣性矩成正相關(guān)，如圖5 所示，因此，當(dāng)斷面尺寸趨向于極限時，理論上斷面性能也會趨向于極限，緊湊化設(shè)計時要在人機空間極限化的基礎(chǔ)上進行取舍，確保碰撞安全要求達成。

圖5 斷面系數(shù)與斷面慣性矩的關(guān)系

3.4 緊湊化系數(shù)定義

按照硬點定義進行硬點分布趨勢分析，找到硬點分布的均值和極值，建立硬點參數(shù)分布曲線，并定義緊湊化系數(shù)用于驅(qū)動斷面設(shè)計。

3.4.1 空間利用系數(shù)定義及其硬點分析

在X向橫切斷面內(nèi)，R1、R2、C1、C2、S1等特征點越靠近車輛外側(cè)，車內(nèi)空間（頭部空間、肩部空間、臀部空間）就越大，其中R2反映了最終的空間分布情況。本文將這些特征點相對整車Y0平面的距離的2倍與整車寬度的比值稱為空間利用系數(shù)，空間利用系數(shù)反映了內(nèi)部空間利用率。

空間利用系數(shù)總體上與造型比例要求、碰撞性能要求存在一定的矛盾。圖6所示為將某款美系車型和德系車型的車身按整車左右對稱中心Y0 面和車頂重合后，針對頂蓋邊梁和水切對比的結(jié)果。通過對比可發(fā)現(xiàn)，在整車寬度和造型風(fēng)格相差較大的情況下，通過特征點的調(diào)整，完全可以在小尺寸車型上獲得相當(dāng)?shù)念^部空間。

圖6 不同車身的頭部空間對比

圖7所示為通過專業(yè)對標(biāo)數(shù)據(jù)庫車型（部分車型引用A2MAC1 數(shù)據(jù)）統(tǒng)計梳理進行的空間利用系數(shù)均值和極值分析結(jié)果，從圖7中可以看出，實際R1和R2的分布更趨向于均值偏下，這種分布有利于獲得較好的造型比例，但是會犧牲一部分乘員頭部空間。C2和S1的分布更趨向于均值，在保證足夠大的乘員肩部和臀部空間的同時，也有利于造型比例的實現(xiàn)。

圖7 空間利用系數(shù)均值/極值分析

一般情況下，R1處的空間利用系數(shù)集中在0.68～0.71 范圍內(nèi)，R2處的空間利用系數(shù)集中在0.64～0.67范圍內(nèi)，如圖8所示，過大和過小的比值都要通過結(jié)構(gòu)調(diào)整進行確認。

圖8 R2處空間利用系數(shù)分布情況

3.4.2 上下車方便性系數(shù)定義及其硬點分析

門洞Z向高度J、X向開口尺寸L、門檻外側(cè)相對人體R點的Y向距離W710和K等，均影響乘員的上下車方便性，本文將R 點和R 點前200 mm 范圍內(nèi)門洞高度J與整車高度的比值、K與整車寬度的比值、W710與整車寬度的比值統(tǒng)稱為上下車方便性系數(shù)。上下車方便性系數(shù)與空間利用系數(shù)相互矛盾，但是和造型比例要求趨于一致。

K的理想范圍一般為150～200 mm，盡量不隨車寬發(fā)生太大的變化。W710的理想范圍為不超過490 mm，盡量不隨車寬發(fā)生太大的變化。

通過分析發(fā)現(xiàn)，J與整車高度的比值隨整車高度增加略有減小，如圖9所示。

圖9 J與整車高度的比值分布情況

3.4.3 緊湊化系數(shù)定義

綜合上述參數(shù)的范圍進行篩選并分別定義y向、z向緊湊化系數(shù)：

式中，W20為乘員R點與整車對稱中心的距離；W103為整車寬度；H100為整車高度。

基于緊湊化系數(shù)可形成多個參數(shù)化設(shè)計方案，并綜合考慮造型最優(yōu)、空間最優(yōu)、上下車方便性最優(yōu)、結(jié)構(gòu)最輕、安全性最好等極限情況進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

4.1 結(jié)構(gòu)詳細分析

4.1.1 密封條

密封條包含窗框密封條、車門密封條、門洞密封條，通過品牌梳理和對標(biāo)分析可以抽象出2 種成熟結(jié)構(gòu)，即歐系密封條和日系密封條。與歐系密封條匹配的窗框結(jié)構(gòu)常采用沖壓結(jié)構(gòu)，如圖10 所示，與日系密封條匹配的窗框結(jié)構(gòu)常采用輥壓結(jié)構(gòu)或輥壓/沖壓復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖11 所示。由于結(jié)構(gòu)特征原因，日系密封條Y向尺寸相對更小，在頂蓋邊梁外側(cè)造型特征不變的情況下，能夠保證門洞翻邊沿Y向和Z向相應(yīng)外移、上移。

圖10 歐系密封條匹配沖壓結(jié)構(gòu)窗框

圖11 日系密封條

表3所示為某車型的歐系和日系典型對標(biāo)車型密封條和窗框結(jié)構(gòu)尺寸對比分析結(jié)果，其中WR1-Y0、HR1-Y0分別為頂蓋最高點到邊梁特征線的Y向、Z向距離，WR1-R2、HR1-R2分別為頂蓋邊梁特征線到門洞止口的Y向、Z向距離。從表3中可以看出，日系密封條窗框結(jié)構(gòu)尺寸更緊湊，能為設(shè)計優(yōu)化預(yù)留更大的空間。

表3 歐系、日系車型密封條和窗框結(jié)構(gòu)尺寸對標(biāo) mm

4.1.2 頂蓋邊梁鈑金

通過對BMW X3 和BMW X5 的分析，頂蓋邊梁內(nèi)、外鈑金斷面采用扁平結(jié)構(gòu)，如圖12、圖13 所示，可減小該處的Z向斷面尺寸，有利于增大頭部空間，改善上下車方便性。設(shè)計時在造型認可的前提下，應(yīng)保證外特征點R1、R2、R3盡量外移。

圖12 BMW X3頂蓋邊梁斷面結(jié)構(gòu)

圖13 BMW X5頂蓋邊梁斷面結(jié)構(gòu)

4.1.3 頂棚兩側(cè)腔內(nèi)布局

受側(cè)氣簾、頂蓋邊梁鈑金、密封條等的影響，頂棚兩側(cè)形狀最終反映了車內(nèi)乘員頭部空間的大小和上下車方便性的優(yōu)劣。門洞及頂棚要盡量遠離乘員眼睛和頭部，側(cè)氣簾、門洞密封條等要盡量上移、外移，降低頭部壓迫感，避免乘員上下車時碰頭。

以側(cè)向、斜向頭廓包絡(luò)線的相交點作為頂棚下邊緣的極限點，根據(jù)眼橢圓中心點到頂棚下邊緣R3點的Y向距離WEY和Z向距離WEZ建立頭部壓迫感評價曲線，如圖14所示，曲線上頂棚邊緣與人眼距離越遠，壓迫感越小，也越符合上下車方便性和車內(nèi)空間的需求。

圖14 頭部壓迫感曲線

通過典型車型對標(biāo)梳理，可獲得斜30°頭部空間W27、水平頭部空間W35極小值點和極大值點（見表4），通過2個極值點設(shè)置一個矩形區(qū)域（矩形長度方向與Y0平面垂直），該矩形區(qū)域即為頂棚下邊緣的可選范圍。為了增大ky、改善壓迫感和增大kz，理想狀態(tài)是R1、R2、R3均趨向于極大值。本文在極值范圍內(nèi)進行了嘗試性分析，希望首先能獲得一個接近于極值的可行方案。通過密封條結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整使鈑金斷面尺寸減小，調(diào)整結(jié)構(gòu)外移并帶動R2外移，調(diào)整側(cè)氣簾布置使側(cè)氣簾與鈑金和頂棚間隙為0，得到一個極值方案，即方案1，由于側(cè)氣簾布置間隙為0，理論上方案不可行，因此在方案1基礎(chǔ)上適當(dāng)回調(diào)保證側(cè)氣簾間隙3 mm 得到方案2。2 種方案及其對比分別如表4、圖15所示。方案2是本文中所述理論上接近于極大值的方案，但是其位置并不唯一，受ky和kz影響。

表4 頂棚下邊緣點方案設(shè)計 mm

圖15 頂棚下邊緣點方案

依據(jù)壓迫感曲線對上述結(jié)果進行評價，頂棚下邊緣在視野范圍區(qū)域以外，不存在壓迫感情況，空間和人機便利性極佳。

4.1.4 車門玻璃傾角

加大側(cè)窗傾角，有利于獲得更好的外觀比例，減小玻璃傾角有利于增大車內(nèi)空間，尤其是頭部空間。

研究發(fā)現(xiàn)，繞水切點C2，玻璃傾角每減小1°，R1、R2、R3的外移量至少可以使Y向頭部空間增加7 mm，車門厚度相應(yīng)減薄，達到輕量化效果。車門厚度減薄也有利于增加肩部和臀部空間。

4.1.5 車門玻璃曲率

車門玻璃[22]常用腰鼓形面雙曲率玻璃，玻璃面橫向曲率半徑不小于1 500 mm，縱向曲率半徑不小于20 000 mm。為了更好地滿足造型需求，一般會盡量增大橫向曲率半徑。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著車門玻璃橫向曲率半徑的增大，車門外板Y向外移，整體趨勢是隨著曲率增加，車門外板Y向外移增量逐漸減小，最后趨于收斂。當(dāng)橫向曲率半徑從1 500 mm增加到2 000 mm時，車門防撞梁處的外表面至少沿Y向外移了25 mm，如圖16、圖17所示。

圖16 車門玻璃橫向曲率變化與車門外表面的關(guān)系

圖17 車門玻璃橫向曲率與車門外板外移量的關(guān)系

為了保證車門外板Y向外移量不致過大，需通過控制輪口與車門落差的方式限制車門最外側(cè)位置，在造型無特殊要求時，該值最好控制在5～10 mm范圍內(nèi)，避免車門外側(cè)超出前翼子板最寬處。

4.1.6 門檻側(cè)圍鈑金結(jié)構(gòu)

門檻側(cè)圍鈑金結(jié)構(gòu)分為A 類、B 類、C 類3 種形式，如圖18 所示。A 類和B 類的左側(cè)邊界受造型創(chuàng)意的限制較大，C 類的斷面寬度最小，有利于改善上下車方便性。這3類斷面的寬度和高度尺寸基準均為門洞下止口點S1，外移門洞下止口和減小門檻鈑金寬度，可以有效提高內(nèi)部空間利用率，改善上下車方便性。

圖18 門檻側(cè)圍鈑金結(jié)構(gòu)分類

4.1.7 門檻護板腔內(nèi)布局

門檻護板布置分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3 種形式，如表5和圖19所示。

圖19 門檻護板布置形式分類

表5 門檻護板結(jié)構(gòu)分類

當(dāng)采用I 型結(jié)構(gòu)時，護板寬度較小，地毯寬度最大，采用Ⅱ型結(jié)構(gòu)時，護板寬度較小，地毯寬度比Ⅰ型略小，采用Ⅲ型結(jié)構(gòu)時，護板寬度最大，影響內(nèi)部空間。

4.1.8 鉸鏈和門鎖

車門鉸鏈和門鎖布置影響門洞止口S1點位置，尤其是門檻止口到鉸鏈軸線的距離L1，設(shè)計時要保證車門最外側(cè)位置和車門開關(guān)運動間隙要求，并依據(jù)布置結(jié)果確認門洞X向尺寸L，如圖20、圖21所示。

圖20 立柱俯視圖

圖21 立柱前視圖

4.1.9 動力電池布置

動力電池包布置時，電池包側(cè)向到同側(cè)門檻側(cè)向必須預(yù)留足夠的安全潰縮距離，避免碰撞時電池包受擠壓變形引發(fā)起火和爆炸[23-24]。動力電池包的安全潰縮距離與門檻結(jié)構(gòu)、門檻WS1、地板結(jié)構(gòu)、電池包結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，理論上門檻S1點確定后，門檻外側(cè)與電池包側(cè)向的距離應(yīng)不小于150 mm，如圖22所示。

圖22 動力電池布置示意

4.2 參數(shù)化設(shè)計優(yōu)化

建立緊湊化系數(shù)ky、kz的參數(shù)化設(shè)計表，調(diào)整硬點位置和斷面尺寸進行多方案優(yōu)化分析，如表6～表8 所示。其中，方案A～方案G 采用歐系密封條和Ⅰ型護板內(nèi)腔，方案H～方案Y 采用日系密封條和Ⅰ型護板內(nèi)腔，按照門檻極限、頂蓋邊梁極限、J值極限的順序開展多方案分析。方案A、方案H 門檻斷面尺寸相同且斷面尺寸最小，方案A～方案G、方案H～方案P、方案Q～方案U 門檻斷面尺寸依次增大，方案Y、方案C、方案L、方案Q 門檻斷面尺寸相同。

表6 R點位置參數(shù)狀態(tài)（玻璃傾角不變）

表7 R點位置參數(shù)狀態(tài)（玻璃傾角變化）

表8 R點前200 mm位置參數(shù)狀態(tài)

從表6～表8 中可以看出，采用日系密封條配合門檻斷面尺寸調(diào)整，緊湊化系數(shù)優(yōu)于采用歐系密封條，在空間、上下車方便性和造型方面能夠優(yōu)化出更合理的方案。在方案選擇上，方案A 斷面尺寸最小，但是在進行門檻護板腔內(nèi)布置時，車身線束布置空間受限，方案B 車身線束與門檻護板僅有1 mm間隙，方案Y 間隙足夠，通過硬點外移，其緊湊化系數(shù)最大，滿足空間最大化和上下車方便性最優(yōu)要求，造型特征也可接受，但是因其斷面尺寸較小，所以需要進行性能分析驗證。方案F、方案G、方案O、方案P、方案U 會導(dǎo)致車門外板表面超出前翼子板外表面，前門分縫結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大。方案E、方案N 空間利用系數(shù)略低于方案Y，斷面尺寸略大于方案Y。

與其他車型進行對比，上述方案中緊湊化系數(shù)ky≥0.655、kz≥0.61 能保證空間最優(yōu)或略優(yōu)于行業(yè)平均水平，頭部壓迫感評價也具有一定優(yōu)勢，如圖23、圖24所示。

圖23 各方案緊湊化系數(shù)ky分布

圖24 各方案緊湊化系數(shù)k分布

4.3 性能驗證

方案Y通過斷面極限化設(shè)計實現(xiàn)了空間和上下車方便性最大化，但是，由于斷面尺寸減小，其斷面包絡(luò)面積、斷面系數(shù)和斷面慣性矩也大幅減小，斷面性能大幅降低，為了驗證變化情況，對方案B、緊湊系數(shù)最大的方案Y、中間方案E 的斷面參數(shù)和性能進行了對比，如表9所示。

表9 門檻斷面多方案優(yōu)化

為了解決緊湊化系數(shù)提高后性能降低的問題，首先在不改變斷面外廓尺寸的情況下，在方案B、方案Y 的內(nèi)部4 個角分別增加角加強板，方案1～方案3 在方案B 基礎(chǔ)上依次累加加強板，方案4在方案Y 基礎(chǔ)上直接增加3 個加強板，以此增加斷面材料面積，提高斷面的慣性矩，形成方案1～方案4，提高斷面性能和門洞整體結(jié)構(gòu)性能，如表10 所示。

表10 斷面系數(shù)進一步優(yōu)化

進行CAE仿真發(fā)現(xiàn)，材料面積增加后，結(jié)構(gòu)耐碰撞性能得到加強，但是結(jié)構(gòu)質(zhì)量也相應(yīng)增加，如表11所示。

表11 性能分析結(jié)果

基于緊湊化設(shè)計原則，確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加控制在合理范圍內(nèi)，也是必須考慮的因素，在繼續(xù)優(yōu)化時，嘗試采用高強度鋼板材料，同時適當(dāng)加大斷面外廓尺寸（考慮對緊湊化系數(shù)的影響）的方案E、方案N 進行分析，最終形成方案5，可獲得較好的設(shè)計效果，如表12所示。

表12 性能分析結(jié)果

針對上述方案5 進行了實車評價和碰撞驗證，進一步證明了方案的有效性。

5 結(jié)束語

本文分析了門洞結(jié)構(gòu)的硬點參數(shù)和典型斷面模型，探索通過定義緊湊化系數(shù)和建立多方案參數(shù)化設(shè)計表的方法進行門洞結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計分析，從而盡可能在有限的整車尺寸范圍內(nèi)改善人機空間和上下車方便性，并更好地兼顧造型、碰撞安全、輕量化等多維度要素。所提出的方法經(jīng)過CAE 分析驗證、實車評價和實車碰撞試驗證明有效。

本文提出的緊湊化設(shè)計方法首先需要進行極限化分析，但是緊湊化設(shè)計的目的并不是實現(xiàn)極限化，最終的緊湊化方案要綜合考慮多方面因素制定，尤其是性能達成。

設(shè)計開發(fā)時，需要同步考慮動力電池的布置可行性，進行前瞻性預(yù)留，為后續(xù)方案升級預(yù)留空間。