未來的車輛設計方案需要緊湊和零排放的解決方案,並針對城市交通狀況和停車空間進行優化。目前,FEV 集團正在不斷推進這項開發工作。

1 共享車輛

目前,市場上存在的共享車型是供應商利用現有的量產車輛,作了最低程度的修改。由於這種車型的設計過程並非完全基於共享用途,因此難以滿足使用者和供應商的要求,特別是在成本和結構方面難以平衡。Share2drive有限公司是從亞琛應用科技大學(FH Aachen)分立出來的,是FEV 公司進行整車開發的子公司。該公司已明確未來機動化的需求,並持續開發全新車型。這款共享車型從設計之初就凝聚了不同企業的技術結晶(圖1),可滿足用戶的出行需求。這款車型已於2019年3月在日內瓦國際車展上展出。

圖1 Share2drive共享車型的主要技術結晶

該車型在開發時就考慮到了針對未來自動駕駛的需求。在開發該車型過程中,不僅聯合了從事車身焊裝、底盤和車輛內外飾的一流傳統企業,而且還聯合了從事自動駕駛和開發新型接插件方案的企業。Share2drive開發的共享電動汽車(SVEN)長度僅2.5 m,配備有“2+1”個座椅。

這款共享車型的每種設計和功能的確定都要針對乘坐總費用(TCR)及實際使用性能進行評估。首先,車輛本身易於進行操作、清潔和維護保養等工作。由於這款共享車型需要聯網在線,其信息技術(IT)結構要按照車輛數據的最大程度利用率來設計,如滿足特定用戶羣的行駛習慣。配備的24 kW 電驅動裝置可使共享汽車在城市地區快捷且零排放地行駛運行。此外,還配備了自動駕駛集成式攝像機和雷達系統,以及智能識別和控制軟件。

該車型的開發基於較早的3座公用汽車(PPV)設計方案,專爲共享設計的車隊及個人使用。這些車輛之間的主要差異在於:PPV 是計劃年產量約1 000輛的小批量產車型,而SVEN 車型計劃年產量爲10 000輛,屬於大批量產的M1等級車型。這些差異基於重要的車輛評估試驗,如歐洲新車評估測試(NCAP),這些因素對整車總體佈置具有很大的影響(圖2)。在第1個開發階段不僅考慮到了同質化的要求,而且還考慮到了不同的用戶試驗情況。爲此,在設計過程中專門擴大了用戶試驗範疇,這也向開發人員提出了新的挑戰。

圖2 PPV與SVEN車型的主要差異

2 總體佈置的挑戰

在開發過程中面臨的主要挑戰在於對整車總體佈置的協調。SVEN 長度爲2.5 m,是目前車輛等級中的最短車型,可以駛入平行於行車道的停車位,同時可搭乘3個人,滿足共享車輛使用過程中95%的需求。

預先規定要開發出1種具有高被動安全性要求的M1等級車輛,這使得開發任務變得更爲困難。藉助於現代數字化開發和模擬方法,開發人員在車輛外形較短的情況下成功地實現了有效的安全設計方案。整車總體佈置的設計目標是應考慮在承載結構、碰撞結構、技術性和人體工程學總體佈置、款式造型等方面的折中,並制定出儘可能合理的解決方案。在設計時運用類似於市場上現有車型的標準數據,以便檢驗總體佈置目標的可行性,如有必要則加以調整。在早期設計階段,進行用於各種功能(結構、人體工程學和技術性總體佈置、款式造型)結構空間需求的有效評估(圖3)。

圖3 整車總體佈置及對結構空間需求的有效評估

技術性總體佈置應考慮動力總成系統、電氣設備、車身、底盤和內外飾等所有對系統至關重要的部件的佈置和協調。技術性總體佈置要求確定車輪、發動機、底盤零件、安裝間距,以及碰撞堆積等方面都測試合格。駕駛員和乘客的座位定位實質上是基於人體工程學總體佈置而設計的,包括駕駛員視野,以及駕駛員和乘客頭部對周圍構件(如車頂和B柱護板)的自由度等其他課題。另外,同樣要考慮諸如方向盤、轉向手柄、顯示器以及上下車舒適性等人機相互作用(HMI)因素的可接近性和可視性。

本文集中介紹了車型開發狀況,以及與最初PPV車型相比最重要的設計方案的變化概況,根據安全性要求重新設計車輛前端和車內佈置情況。

爲了能實現2.5 m 的整車長度,並使可用於變形的車輛前端長度最大化,加長變形區並優化作用力加載方向,以改善對碰撞能量的吸收效果。這樣不僅能滿足法規碰撞安全性的要求,而且也能滿足用戶試驗的要求。爲了能形成必要的結構空間,將前置電機的前輪驅動方案改爲後置電機的後輪驅動方案,同時整個駕駛員座席後移59 mm。優化後的前圍板實現了後移,並且前縱梁的長度得以加長。行李艙容積雖有所減少,但是旅行箱等大件行李物品仍然有位置存放,同時後部碰撞性能所必需的變形路徑也已在考慮之內。因此,該總體佈置方案可使車輛的碰撞長度及座椅舒適性適合於5%女性和99%男性。該總體佈置方案實現了行李艙容積、橫向停車與總長度之間的最佳折中(圖4)。圖5爲按照法規進行的典型視野測試。

圖4 技術性和人體工程學總體佈置的調整

如圖5所示,駕駛員位置、R點和座位調節範圍的縱向設計是按照SAE4004標準而開展的。首先應參照SAE標準而確定尺寸,並充分考慮到人體工程學原理,從而通過RAMSIS 軟件進行模擬測試。不僅如此,同時也應考慮到UN/ECER43、R46和R125法規對視野和直接/間接視線的要求。

圖5 按照法規進行的典型視野測試

在仔細優化人體工程學總體佈置時,首先要考慮方向盤位置、踏板位置和座位調節範圍。這種優化同時也要考慮技術性總體佈置的要求。就人體工程學設計過程而言,除了考慮5%女性及99%男性的要求之外,還應根據設計要求使方向盤能在高度方向上進行調節,並使座椅能在縱向進行調節。坐椅舒適度分析網狀圖形式如圖6所示。

圖6 不舒適分析網狀圖

考慮到適用於5%女性的座位靠背角度、方向盤角度及加速踏板操作位置等不同參數變化時對舒適度變化的影響,其中25°座椅靠背角度方案在所有的考察範圍內提供了最大的舒適度值。因此,從總體佈置角度出發,該方案舒適度最高。根據技術性總體佈置評估這種方案的可行性,以便設計出滿足各方面需求的整車總體佈置。

開發SVEN 這款小型城市車輛所面臨的最大挑戰之一是需要將駕駛員和2名乘客安排成1排。作爲具有代表性的人員配置設計,將駕駛員性別可能性設爲99%男性、駕駛員旁邊乘客的性別可能性設爲50%女性,駕駛員外側座位上的乘客的性別可能性設爲50%男性。在側面H 點(人體設計髖關節)定位時要考慮用於釋放安全氣囊的座位與車門之間的間距。中間座位與右面座位之間的有限搭接是允許存在的,因爲3人配置通常用於短途行駛,這相當於高級轎車後座長椅的配置。但是,同車人員與駕駛員之間的身體干涉則是不允許存在的,因爲在所有情況下駕駛員的臂和肩都必須有足夠的活動空間,以確保安全操縱方向盤。

3 結論和展望

新型的驅動方案能在考慮M1同質化車型碰撞要求,用戶試驗要求不斷提高的情況下有效地進行車輛設計。側面結構空間是針對3名駕乘人員而進行設計的,並針對共享車輛運行過程進行優化。重點對駕駛員座位進行了人體工程學設計,以便滿足目標羣體的要求,在保證高舒適性的同時儘可能簡化操作。

注：本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第3期

作者：[德] M.HOG等

整理：範明強

編輯：何丹妮

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