国外商用卡车驾驶室设计技术综述

路边

摘要：本文对世界汽车工业发达国家的驾驶室设计技术进行了跟踪研究。围绕驾驶室产品特征、造型设计技术、工程设计技术，以及先进的设计理念等几个方面，对当今先进的驾驶室设计技术进行了综合介绍。其中包括计算机辅助造型技术、虚拟现实技术、空气动力学模拟、人机工程技术、电子样车技术、CAE 验证技术、模块设计技术、性能设计技术和并行工程。同时对国内驾驶室设计领域的现状作了简单回顾和总结。全文旨在对国外先进的设计技术和设计理念以及未来的发展趋势进行研究和分析，以促进和提高中国汽车工业设计领域的发展。

1 前言

从2000 年法兰克福国际商用车展到2002 年第59 届汉诺威国际商用车展，商用卡车（尤其是重型车）在国际主流车市上凸显出强劲的增长势头和市场占有率。随着国内高速公路的发展，远距离大批量的物流运输特点，同样给商用卡车提供了巨大的舞台。轿车化、人性化、信息化是当今商用卡车体现高技术含量的主要发展趋势。驾驶室作为车辆的一个主要产品总成，尤其是造型和结构功能的有机结合体，同时也是驾驶员和乘员工作和休息的空间，体现出共性的技术应用和独有的发展特征。

纵观国内外商用卡车驾驶室，主流市场和制造商分布在三大地域：欧洲（BENZ，VOLVO，RENAULT,SCANIA，MAN，IVECO，DAF）、北美（Freightliner，Kenworth，Peterbilt，International，Mack，Sterling）和亚洲（ISUZU，MITSUBISHI，HINO，FAW，DFMC）。由于地域环境和文化背景的差异，不同地区的驾驶室具有独特的地域烙印和鲜明的技术特征。欧洲驾驶室代表了当今世界最先进的技术，追求舒适性和安全性，模块化和系列化设计程度高，以平头驾驶室为主，外部造型高大威猛、内部空间宽敞、配置齐全；北美驾驶室多以长头车为主，造型和设计风格自由流畅，先定制后装配的模式，使得驾驶室具有很强的个性和自我色彩；亚洲驾驶室更多地侧重于经济性，配置和装备简单实用，对安全性、舒适性和使用寿命要求不高。

目前顶级的欧洲驾驶室代表了当今世界最高的设计水平，如戴姆勒—www.cartech8.com公司20 世纪90 年代中期开发的全新重型卡车ACTROS 系列，VOLVO 的FM/FH 系列（其中VOLVO FMl2 获得2000 年度最佳卡车，其豪华型驾驶室GLOBETROTTER 被称为21 世纪卡车贵族的典范），SCANIA 的第5 代（4 系列G 级）代表着技术变革的前沿，MAN 的重型卡车TG—A，五十铃F 系列等都代表着目前世界最高水平的商用卡车驾驶室的设计水平。

2 世界汽车工业发达国家的驾驶室设计技术

2.1 先进的驾驶室产品特征

除了驾驶室的内外造型永远具有时代气息和流行元素之外，安全性和舒适性是驾驶室设计的主旋律。在产品结构和配置装备上具有如下特点：

(1) 驾驶室结构为全钢整体设计，安全性能满足和超过欧洲法规对驾驶室的安全要求（ECE R29）。
(2) 驾驶室防腐处理工序复杂，防腐耐久性可持续车辆的整个使用寿命周期。
(3) 外形设计充分考虑了空气动力学原理，每一个表面部件都单独经过空气动力学模拟和风洞试验，以求得到最完美的空气动力学外形。

(4) 驾驶室的内部布置充分考虑人体工程学原理，最大限度地降低驾驶员的疲劳程度，从而使驾驶员的工作效率和安全性得到很大程度的提高；“灵活空间概念”设计思想，使其在有限的内部空间内，提供个性化的功能配置，满足用户多样化的需求。

(5) 内部装备安全舒适豪华，室内居住性得到了极大的提高：配置空气悬挂座椅、宽大的卧铺、半自动/全自动空调、电控门锁/车窗、环绕式仪表板、安全气囊、碰撞吸能转向柱、电动天窗、高级音响娱乐系统。

(6) 驾驶室悬置系统完全采用空气弹簧，有效地隔绝了振动和噪声，提高了整车的舒适性和平顺性。

驾驶室正成为各种系统的中心控制室，更是司机驾车、办公或者休息的空间，制造厂商都对驾驶室给予了极大的关注，各种新技术、新工艺、新材料得到了大量的应用，豪华型驾驶室更是成为各制造厂商展示自身开发能力和核心技术的舞台。

2.2 先进的造型设计技术

驾驶室造型的风格和水平直接反映出整个产品的特质和档次。既能体现产品推陈出新的“新貌”，又能秉承产品传统血统的“遗传基因”，在产品参与市场竞争中占有很重要的权重。造型阶段的评审需要有高层领导进行决策也正说明了这一点。

2.2.1 计算机辅助造型技术 （CAS-Computer Aided Styling）

计算机辅助造型设计是随着扫描技术和矢量化技术的发展，在现代车身设计中得到应用的一门新兴的造型技术。CAS 设计区别于传统的仿形法设计，将表达完整的造型胶带图 (1:1) 由三维扫描仪直接输入工作站中、经过矢量处理后得到原始的数据点，再运用CAS 系统进行实体造型，最后得到三维可加工的数学模型。根据内外表面数据状况的不同，可以采用不同的CAS 软件进行制作。一般情况下，由于外形表面相对简单，可利用ICEM-SURF 软件进行制作；相反，ALIAS 软件更适合表达复杂表面的内饰数据，但精度较差，只适合模型加工。

相对于传统的仿形法造型设计而言，CAS 技术具有如下特征和优点：

(1) 可省略比例模型的制作环节，减小劳动强度，缩短造型周期；对于一个完整的驾驶室，利用CAS技术可以在20~30 个工作日的时间内完成所有内外饰表面和大部分细节的三维可加工数据模型的制作任务。

(2) 摆脱了手工模型制作和三坐标测量造成的误差链的影响，提高了数据精度，为最终模型的制作精度奠定了良好的基础。

(3) CAS 阶段生成的内外表面三维数据，可以为后序工程和工艺分析提供共享的数学模型，为并行工程的开展和深入提供了前期技术条件。

2.2.2 虚拟现实技术 （VR-Virtual Reality）

虚拟现实技术目前是国际上各大汽车厂商及设计公司展示自身实力及进行辅助造型设计的一种手段，同时为方案评审提供了准确的依据（虚拟现实技术除应用在造型设计中，还在汽车设计及其他领域中有广泛应用）。虚拟现实技术是一种先进的计算机用户接口，它强调将用户和计算机视为一体，通过多媒体的方法将信息进行可视化，展现在用户面前。用户通过专用的设备进入虚拟的环境中，以各种习惯的方式与计算机进行人机交互。

采用虚拟现实技术，设计师不再局限于固定的油泥模型，突破了传统的功能决定形式的束缚，而能充分发挥人的创造性，使得设计中渗入了更多实用性、更多艺术性和更多综合的因素。将车身的形式和功能在更高层次上实现有机结合和统一。

2.2.3 空气动力学模拟

过去空气动力学模拟在轿车造型中应用较多，强调轿车的流线形和完美的空气动力性，尽量减少空气阻力和空气升力，从而提高整车的经济性和操纵稳定性。目前，商用卡车的动力性得到了极大的提高，500马力以上的超大吨位的重型牵引车在欧洲已经相当普遍，如何改进驾驶室的流线型设计，降低车辆的风阻和油耗，提高车辆运行的经济性，已经列入到了驾驶室的常规设计过程中。在车顶前部加装导流罩，在前保险杠上装设导风板，在侧围后部选装侧导流板，这些措施都能大大降低汽车行驶阻力。奔驰公司的Actros驾驶室，其外形的每一个部件都单独经过空气动力学模拟，驾驶室整体装配完成后，又经过多次风洞试验和设计修改，以求得到最完美的空气动力学外形。SCANIA 的顶盖导流罩的高度是可调的，调节高度也是经过空气动力学计算的，调节高度（H）与后部车厢或挂车集装厢的高度（B）以及驾驶室与车厢或集装厢的前后间隙（A）有关。



图1 顶盖导流罩的空气动力学分析示意图

2.3 先进的工程设计技术

2.3.1 人机工程技术

人机工程学是从20 世纪50 年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘学科，从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律，以优化人-机-环境系统的一门学科。

人机工程技术在驾驶室产品开发过程中的应用，主要体现在驾驶员和乘员在驾驶和乘坐状态下的舒适性、视野性、手伸及性、操纵方便性等方面。在美国，过去长途卡车司机一般都是人高马大，但是近年来，由于身材较矮小的妇女和拉美人当司机的越来越多，汽车制造商必须让驾驶室能适应不同身材的司机。为此美国的卡车工程师将人体工程技术应用到卡车设计与制造当中，他们利用逼真的虚拟— 现实仿真系统，研究出能够让不同身高的司机均能获得操作方便，视野开阔的设计。这些根据人体工程技术开发的创新设计（例如能够适应身材矮小、腿短或肚子大的司机的转向盘，可调式刹车，离合器和油门踏板等）最近已经用于正在生产的牵引车上。

目前三维人体模型在车身设计中的应用已经日趋成熟，并有一些商业应用软件进行辅助设计。如EAI公司的JACK 软件，根据1988 年美国军方人体测量调查结果（ANSUR 88）创建了精确的三维人体模型。

能进行姿势预测、舒适评价（Porter，Krist，Grandjean，Rebitte，Dreyfuss 2D/3D 等评判标准）、手伸及性、空间适应性分析（Test fit and accommodation）以及基于最新的人体解剖学和生理学数据的生物力学（静态受力和疲劳强度）分析。福特公司已将JACK软件应用于其C3P（CAD/CAM/CAE/PDM）项目中，进行人体工效分析，包括舒适性、可达范围、疲劳状态、视野范围，使其生产出的汽车更加符合人体的生理状况，更具竞争力。RAMSIS 软件是由德国汽车技术研究集团FAT (Forschungs gruppe Automobil Technik)及多家汽车公司(AUDI、BMW、FORD、MERCEDES-BENZ、OPEL、PORSCHE、VW)以及几个座椅生产厂家(KEIPER RECARO、NAUE/JOHNSON CONTROLS)联合研制的。 RAMSIS 除了提供详尽的人体尺寸外，还特别注重于应用环境的建立。它可以测量、分析人体坐姿和运动情形，并能进行视野模拟、运动模拟等交互操作。自1995 年开始成为商业应用软件后，目前有50%多的汽车公司都在使用RAMSIS 进行设计和布置。此外，用于人机功效分析的虚拟人软件还有：ANTHROPOS、BodyBuilder、ERGO、SAMMIE 等。

2.3.2 电子样车技术（DMU-Digital Mock-Up）

DMU 电子样车技术作为目前世界汽车行业产品开发的主流技术，在提高汽车产品开发的速度与质量方面起着越来越重要的作用。DMU 技术从宏观上来说，是一套基于协同作业机制与理念的并行工程开发技术。在产品的设计阶段，就充分考虑产品的装配环节及其相关的各种因素的影响，在满足产品性能与功能的条件下，改变零部件装配结构来降低装配时的复杂性。从微观上来说，它是一套结合一系列专用模块，如浏览 (Navigator) 、运动干涉分析 (Kinematics)、空间漫游 (Space Analysis) 及拆装模拟 (Fitting Simulation)、结构优化 (Structural Optimization) 等分析工具的实用高新技术。采用DMU 技术后，能在设计阶段，发现机构运动干涉等潜在的设计质量问题，从而为机构运动路线优化，确保机构的可制造性、可装配性和可维修性提供强有力的技术手段。这样就能大大地提高汽车产品的开发速度与质量。

DMU 技术在车身产品开发中的应用主要体现在以下几个方面：

(1) 白车身焊接过程模拟。包括焊接顺序、焊枪运动空间、焊点分布等。车门玻璃装配过程的模拟也采用了DMU 技术。

(2) 车门玻璃装配模拟。车门玻璃和车门焊接总成都属于空间曲面，验证玻璃的装配可行性只靠几个断面进行分析是非常困难的，此外可信度也不高，而DMU提供的动态模拟功能非常直观地仿真整个装配过程，避免了在设计阶段制作实物模型进行实体验证的高成本，也消除了设计阶段的隐患在后期装配过程中造成的反复设计。

(3) 运动干涉分析。包括驾驶室的翻转校核。

2.3.3 CAE 验证技术

在产品设计阶段的CAE 验证技术已经得到了全面深入的应用，大至白车身的结构分析，小至密封条结构与材料的优化。主要涉及到白车身和部件的静态、动态、安全、疲劳分析，空间和管路的CFD 分析，钣金件的冲压成形可行性分析，塑料件注塑过程的模拟分析和优化设计等方面。并且随着设计的深入、数据的完善，CAE 验证工作按多轮次、层层展开，有力地支持了结构设计的可行性，保证了设计方案的优化。

全面的CAE 验证工作也充实了性能设计方面的评价标准和目标值的积累。

典型的CAE 验证项目和商用支撑软件




2.3.4 模块化设计技术

模块化设计技术是在系列化设计和平台设计的技术概念背景下提出的。随着零部件供应商的自主开发能力的不断提高，总成开发的技术革新和产品开发的职责向供应商转移，模块化的程度和趋势日益明显。模块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系尽可能简单。模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过程。第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求对模块进行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组合过程。

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