乘用車外視野校核方法與參數(shù)化設(shè)計(jì)

　　摘 要： 針對(duì)整車開發(fā)過(guò)程中布置與造型相互沖突、反復(fù)修改的問(wèn)題，提出了在車型開發(fā)概念設(shè)計(jì)階段利用 CATIA 軟件，采用正向與逆向兩種思路對(duì)外后視鏡視野進(jìn)行分析校核與參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法。研究結(jié)果表明：在整車開發(fā)概念設(shè)計(jì)階段，使用正向與逆向相結(jié)合的設(shè)計(jì)校核方法能夠?yàn)檎囬_發(fā)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)布置參考依據(jù)，縮短造型設(shè)計(jì)時(shí)間，解決布置與造型間的相互沖突，可有效避免后期的反復(fù)修改，提高了設(shè)計(jì)效率。

　　關(guān)鍵詞： 乘用車; 外視野; 正向校核; 逆向校核; 參數(shù)化

　　邢艷云; 于波， 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-28

　　汽車外后視鏡視野設(shè)計(jì)是汽車產(chǎn)品的一項(xiàng)重要安全指標(biāo)，汽車后視鏡的視野情況直接關(guān)系到汽車的行駛安全性。文獻(xiàn)[1-2]均依據(jù)《GB 15084—94 汽車后視鏡的性能和安裝要求》進(jìn)行視野設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[1]利用 UG 軟件，對(duì)汽車的前視野、盲區(qū)和后視野進(jìn)行了正向設(shè)計(jì)并建立了評(píng)價(jià)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]利用 CATIA V5 軟件對(duì)大客車后視野進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，有效提高了設(shè)計(jì)效率。文獻(xiàn)[3-5]利用 CATIA 軟件分別對(duì)重型卡車和乘用車進(jìn)行了后視野的正向設(shè)計(jì)與校核。文獻(xiàn)[6-7]分別利用 Power Copy 和超級(jí)副本的方法對(duì)乘用車視野校核進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，有效提高了設(shè)計(jì)效率。文獻(xiàn)[8-9] 利用不同的確定眼點(diǎn)方法對(duì)汽車后視野進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核。文獻(xiàn)[10-12]探討了利用改變后視鏡曲率等方法對(duì)后視野盲區(qū)進(jìn)行了減小或消除。文獻(xiàn)[13-18]均利用正向或逆向的設(shè)計(jì)方法對(duì)后視鏡進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。上述研究有效提高了設(shè)計(jì)效率，但均沒(méi)有探索利用正向與逆向相結(jié)合的方法進(jìn)行視野的參數(shù)化設(shè)計(jì)與校核。本文利用 CATIA 軟件，采用正向與逆向兩種設(shè)計(jì)方法，在車型開發(fā)概念設(shè)計(jì)階段，對(duì)外側(cè)后視鏡視野進(jìn)行了分析校核與參數(shù)化設(shè)計(jì)，旨在提高設(shè)計(jì)的可靠性和設(shè)計(jì)效率。

　　1 乘用車外側(cè)后視鏡布置及視野要求

　　1.1 乘用車外側(cè)后視鏡視野要求

　　(1)駕駛員側(cè)。駕駛員側(cè)的外后視鏡在水平路面上的視野區(qū)域?qū)挾戎辽贋?5 m，該區(qū)域經(jīng)過(guò)汽車的最外側(cè)點(diǎn)，ECE R46 后視野范圍示意圖如圖 1 所示。此外，還要求駕駛員能夠看到寬度大于 1 m 的路面區(qū)域。

　　(2)乘員側(cè)。乘員側(cè)的外后視鏡視野要求與駕駛員側(cè)相同。

　　《GB 15084—2006 機(jī)動(dòng)車輛后視鏡的性能和安裝要求》中可視范圍如圖 2 所示[19]。從圖 1 和圖 2 可以看出，GB 15084—2006 要求的可視范圍比 ECE R46 要求小，若設(shè)計(jì)的后視鏡視野滿足 ECE R46 的要求，便可以同時(shí)滿足 GB 15084—2006 的法規(guī)要求。因此，本文只研究涉及 ECE R46 后視鏡規(guī)范校核方法及參數(shù)的設(shè)計(jì)。

　　1.2 乘用車外側(cè)后視鏡布置

　　依據(jù)人機(jī)工程學(xué)的布置原則，駕駛員側(cè)外后視鏡的水平方向應(yīng)布置在駕駛員直前視線 55°范圍內(nèi);乘客側(cè)的外后視鏡水平方向應(yīng)在駕駛員直前視線 75°范圍內(nèi);而垂直方向上，兩側(cè)均應(yīng)在直前視線上下各 45° 的范圍內(nèi)[20]。ECE R46 中的安裝要求是駕駛員側(cè)外后視鏡中心至駕駛員兩眼點(diǎn)(距離為 65 mm)中心連線與縱向基準(zhǔn)面夾角不大于 55°，同時(shí)必須滿足圖 1 中所示的條件[20]。

　　2 乘用車駕駛員側(cè)外后視鏡正向校核方法

　　2.1 外后視鏡正向校核輸入條件

　　在外側(cè)后視鏡校核前首先要明確輸入前提條件。生產(chǎn)廠家的現(xiàn)有條件不同、車型不同，其前提條件也不盡相同。本研究根據(jù)比較常見(jiàn)的已有車身三維造型和后視鏡的情況進(jìn)行說(shuō)明。

　　(1)造型外面 CAS(computer aided surface)是指造型部門提供的最初版本的三維造型設(shè)計(jì)數(shù)模(3D Data)，其中含有后視鏡結(jié)構(gòu)、安裝位置以及鏡片位置等。

　　(2)地面線是指總布置給出的地面高度線，一般參考的是空載地面線。

　　(3)R 點(diǎn)是指總布置提供的前排座椅。

　　2.2 駕駛員側(cè)外后視鏡正向校核方法

　　利用 CATIA 軟件建立后視鏡參數(shù)化模型，再確定駕駛員眼點(diǎn)位置、鏡面曲率中心位置，確定左、右眼在駕駛員側(cè)和乘員側(cè)可觀測(cè)區(qū)域，具體步驟如下。

　　(1)確定駕駛員眼點(diǎn)。通過(guò)駕駛員乘坐位置中心，作一個(gè)與汽車縱向基準(zhǔn)面平行的平面，在該平面內(nèi)的座椅基準(zhǔn)點(diǎn) R 上方 635 mm 處有一點(diǎn)，該點(diǎn)兩側(cè)各 32.5 mm 處的 2 個(gè)點(diǎn)，即為駕駛員眼點(diǎn)。駕駛員外側(cè)后視鏡與眼點(diǎn)及 R 點(diǎn)位置關(guān)系如圖 3 所示。

　　(2)確定鏡面曲率中心。根據(jù)外 CAS 面給定的鏡面邊界，可求出外后視鏡鏡面的曲率中心位置和坐標(biāo)，駕駛員外側(cè)后視鏡鏡面曲率中心示意圖位置關(guān)系如圖 4 所示。

　　(3)在外后視鏡邊緣上任選一點(diǎn)，與左眼點(diǎn)、鏡面曲率中心三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)平面。

　　(4)在上述平面內(nèi)，將球面上選取的點(diǎn)分別連接左眼點(diǎn)與曲率中心成線 L1、L2，根據(jù)成像原理，做出 L1 的對(duì)稱線記為 L3，駕駛員入射線反射線示意圖如圖 5 所示。

　　(5)重復(fù)步驟(3)和(4)，可得到如圖 6 所示的一系列直線。

　　(6)連接反射線端點(diǎn)，做樣條曲線，連接該樣條曲線與鏡面邊界所在直線，得到區(qū)域即為左眼點(diǎn)可以觀測(cè)區(qū)域 C1，左眼點(diǎn)駕駛員側(cè)可視范圍如圖 7 所示。

　　(7)重復(fù)上述 4 步，同理得到右眼可觀測(cè)區(qū)域 C2，左、右眼點(diǎn)駕駛員側(cè)可視范圍如圖 8 所示。

　　(8)根據(jù) ECE R46 要求，分別做出左、右兩側(cè)在給定地面的最小可視區(qū)域 C5、C6。若 C5 與 C6 分別在C1 和 C2 、C3 和 C4 所構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)，則外后視鏡位置滿足要求。反之，不滿足要求。

　　3 乘用車駕駛員側(cè)外側(cè)后視鏡逆向校核方法

　　外后視鏡逆向校核輸入條件與正向校核輸入條件相同。利用 CATIA 軟件確定駕駛員側(cè)外后視鏡逆向校核具體步驟如下。

　　(1)確定駕駛員左、右眼點(diǎn)。

　　(2)確定鏡面曲率中心。參考 2.2 中的正向校核步驟(1)和步驟(2)。

　　(3)在給定參考地面上按照法規(guī)要求，分別在車身左側(cè)最外側(cè)距離眼點(diǎn) X 方向 4 m、30 m 處做點(diǎn) P1、 P2，在距離 P1、P2 的 Y 向距離 1 m 、5 m 處做點(diǎn) P3、P4。

　　(4)過(guò)點(diǎn) P1、左眼點(diǎn)和鏡面曲率中心做平面。

　　(5)做平面與鏡面的交線，在上述平面所在草圖上，分別連接左眼點(diǎn)與曲率中心，左眼點(diǎn)與 P1 成線 L1、L2，根據(jù)成像原理，做出 L1 的對(duì)稱線記為 L3，L1 與 L3 交點(diǎn)記為 P1，經(jīng)過(guò)地面邊界點(diǎn)與左眼點(diǎn)的入射線與反射線示意圖如圖 10 所示。

　　(6)重復(fù)步驟(4)和(5)，同理得到右眼可觀測(cè)到區(qū)域 P2、P3、P4。

　　(7)連接 P1、P2、P3、P4 得到直線 L4、L5、L6、L7，連接 L4、L5、L6、L7 得到平行四邊形，重復(fù)步驟(4)— (7)，可得到經(jīng)地面邊界點(diǎn)入射線經(jīng)鏡面反射后到右眼點(diǎn)的反射線。

　　P1、P2、P3、P4 點(diǎn)的位置示意圖如圖 11 所示。若所得的 2 個(gè)四邊形均在鏡面內(nèi)，則設(shè)計(jì)位置滿足要求。反之，不滿足要求。同樣方法可校核乘員外側(cè)后視鏡。

　　4 駕駛員側(cè)外后視鏡校核參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

　　經(jīng)過(guò)上述校核的外側(cè)后視鏡若不滿足要求，造型部門需重新設(shè)計(jì)外側(cè)后視鏡。如此反復(fù)，浪費(fèi)了大量的人力物力，因此在校核過(guò)程中，校核部門若能將外側(cè)后視鏡曲率中心與鏡面的位置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，給出合理的曲率中心與鏡面位置，反饋給造型部門，可極大提高工作效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)步驟為：① 使用 2.2 方法確定駕駛員左、右眼點(diǎn)。② 確定鏡面曲率中心，將其坐標(biāo)參數(shù)化。根據(jù)外 CAS 給定的鏡面邊界，求出外側(cè)后視鏡鏡面所在球的曲率中心位置坐標(biāo)，將鏡面曲率中心位置參數(shù)化。③ 將外側(cè)后視鏡鏡面位置旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)化。④ 將外側(cè)后視鏡邊緣點(diǎn)位置參數(shù)化。⑤ 重復(fù) 2.2 中步驟(5)—(8)。

　　通過(guò)調(diào)整鏡面位置角度參數(shù)，在正向設(shè)計(jì)過(guò)程中，按標(biāo)規(guī)要求區(qū)域落在可視區(qū)域內(nèi)，在逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量使地面邊界點(diǎn)反射點(diǎn)組成的四邊形位于鏡面中心位置，若鏡面調(diào)整角度過(guò)大，通過(guò)調(diào)整鏡面曲率中心位置參數(shù)，使鏡面及后視鏡安裝角度合適，且滿足標(biāo)規(guī)要求。造型部門根據(jù)給定的輸入條件，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)后視鏡安裝位置及角度，可避免很多重復(fù)性工作，工作效率顯著提高。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文利用三維建模軟件 CATIA，探討了基于ECE R46 標(biāo)規(guī)要求的外后視鏡正向、逆向兩種校核方法與參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明，該方法可以有效減少工程技術(shù)人員工作量，提高了工作效率，縮短開發(fā)周期，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并制造出質(zhì)量更好、穩(wěn)定性更高的產(chǎn)品，極大節(jié)約了開發(fā)和設(shè)計(jì)成本，滿足了市場(chǎng)的需求。