乘用車外視野校核方法與參數化設計

　　摘 要： 針對整車開發過程中布置與造型相互沖突、反復修改的問題，提出了在車型開發概念設計階段利用 CATIA 軟件，采用正向與逆向兩種思路對外后視鏡視野進行分析校核與參數化設計的方法。研究結果表明：在整車開發概念設計階段，使用正向與逆向相結合的設計校核方法能夠為整車開發提供相應的設計布置參考依據，縮短造型設計時間，解決布置與造型間的相互沖突，可有效避免后期的反復修改，提高了設計效率。

　　關鍵詞： 乘用車; 外視野; 正向校核; 逆向校核; 參數化

　　邢艷云; 于波， 天津職業技術師范大學學報 發表時間：2021-09-28

　　汽車外后視鏡視野設計是汽車產品的一項重要安全指標，汽車后視鏡的視野情況直接關系到汽車的行駛安全性。文獻[1-2]均依據《GB 15084—94 汽車后視鏡的性能和安裝要求》進行視野設計，文獻[1]利用 UG 軟件，對汽車的前視野、盲區和后視野進行了正向設計并建立了評價系統。文獻[2]利用 CATIA V5 軟件對大客車后視野進行設計計算，有效提高了設計效率。文獻[3-5]利用 CATIA 軟件分別對重型卡車和乘用車進行了后視野的正向設計與校核。文獻[6-7]分別利用 Power Copy 和超級副本的方法對乘用車視野校核進行了參數化設計，有效提高了設計效率。文獻[8-9] 利用不同的確定眼點方法對汽車后視野進行了設計與校核。文獻[10-12]探討了利用改變后視鏡曲率等方法對后視野盲區進行了減小或消除。文獻[13-18]均利用正向或逆向的設計方法對后視鏡進行了設計與計算。上述研究有效提高了設計效率，但均沒有探索利用正向與逆向相結合的方法進行視野的參數化設計與校核。本文利用 CATIA 軟件，采用正向與逆向兩種設計方法，在車型開發概念設計階段，對外側后視鏡視野進行了分析校核與參數化設計，旨在提高設計的可靠性和設計效率。

　　1 乘用車外側后視鏡布置及視野要求

　　1.1 乘用車外側后視鏡視野要求

　　(1)駕駛員側。駕駛員側的外后視鏡在水平路面上的視野區域寬度至少為 5 m，該區域經過汽車的最外側點，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 的路面區域。

　　(2)乘員側。乘員側的外后視鏡視野要求與駕駛員側相同。

　　《GB 15084—2006 機動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，若設計的后視鏡視野滿足 ECE R46 的要求，便可以同時滿足 GB 15084—2006 的法規要求。因此，本文只研究涉及 ECE R46 后視鏡規范校核方法及參數的設計。

　　1.2 乘用車外側后視鏡布置

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

　　2 乘用車駕駛員側外后視鏡正向校核方法

　　2.1 外后視鏡正向校核輸入條件

　　在外側后視鏡校核前首先要明確輸入前提條件。生產廠家的現有條件不同、車型不同，其前提條件也不盡相同。本研究根據比較常見的已有車身三維造型和后視鏡的情況進行說明。

　　(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計數模(3D Data)，其中含有后視鏡結構、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 點是指總布置提供的前排座椅。

　　2.2 駕駛員側外后視鏡正向校核方法

　　利用 CATIA 軟件建立后視鏡參數化模型，再確定駕駛員眼點位置、鏡面曲率中心位置，確定左、右眼在駕駛員側和乘員側可觀測區域，具體步驟如下。

　　(1)確定駕駛員眼點。通過駕駛員乘坐位置中心，作一個與汽車縱向基準面平行的平面，在該平面內的座椅基準點 R 上方 635 mm 處有一點，該點兩側各 32.5 mm 處的 2 個點，即為駕駛員眼點。駕駛員外側后視鏡與眼點及 R 點位置關系如圖 3 所示。

　　(2)確定鏡面曲率中心。根據外 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，駕駛員外側后視鏡鏡面曲率中心示意圖位置關系如圖 4 所示。

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

　　(4)在上述平面內，將球面上選取的點分別連接左眼點與曲率中心成線 L1、L2，根據成像原理，做出 L1 的對稱線記為 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，做樣條曲線，連接該樣條曲線與鏡面邊界所在直線，得到區域即為左眼點可以觀測區域 C1，左眼點駕駛員側可視范圍如圖 7 所示。

　　(7)重復上述 4 步，同理得到右眼可觀測區域 C2，左、右眼點駕駛員側可視范圍如圖 8 所示。

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

　　3 乘用車駕駛員側外側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 軟件確定駕駛員側外后視鏡逆向校核具體步驟如下。

　　(1)確定駕駛員左、右眼點。

　　(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要求，分別在車身左側最外側距離眼點 X 方向 4 m、30 m 處做點 P1、 P2，在距離 P1、P2 的 Y 向距離 1 m 、5 m 處做點 P3、P4。

　　(4)過點 P1、左眼點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，分別連接左眼點與曲率中心，左眼點與 P1 成線 L1、L2，根據成像原理，做出 L1 的對稱線記為 L3，L1 與 L3 交點記為 P1，經過地面邊界點與左眼點的入射線與反射線示意圖如圖 10 所示。

　　(6)重復步驟(4)和(5)，同理得到右眼可觀測到區域 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，重復步驟(4)— (7)，可得到經地面邊界點入射線經鏡面反射后到右眼點的反射線。

　　P1、P2、P3、P4 點的位置示意圖如圖 11 所示。若所得的 2 個四邊形均在鏡面內，則設計位置滿足要求。反之，不滿足要求。同樣方法可校核乘員外側后視鏡。

　　4 駕駛員側外后視鏡校核參數化設計方法

　　經過上述校核的外側后視鏡若不滿足要求，造型部門需重新設計外側后視鏡。如此反復，浪費了大量的人力物力，因此在校核過程中，校核部門若能將外側后視鏡曲率中心與鏡面的位置進行參數化設計，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。參數化設計步驟為：① 使用 2.2 方法確定駕駛員左、右眼點。② 確定鏡面曲率中心，將其坐標參數化。根據外 CAS 給定的鏡面邊界，求出外側后視鏡鏡面所在球的曲率中心位置坐標，將鏡面曲率中心位置參數化。③ 將外側后視鏡鏡面位置旋轉角度參數化。④ 將外側后視鏡邊緣點位置參數化。⑤ 重復 2.2 中步驟(5)—(8)。

　　通過調整鏡面位置角度參數，在正向設計過程中，按標規要求區域落在可視區域內，在逆向設計過程中，盡量使地面邊界點反射點組成的四邊形位于鏡面中心位置，若鏡面調整角度過大，通過調整鏡面曲率中心位置參數，使鏡面及后視鏡安裝角度合適，且滿足標規要求。造型部門根據給定的輸入條件，有針對性地設計后視鏡安裝位置及角度，可避免很多重復性工作，工作效率顯著提高。

　　5 結 語

　　本文利用三維建模軟件 CATIA，探討了基于ECE R46 標規要求的外后視鏡正向、逆向兩種校核方法與參數化設計方法。結果表明，該方法可以有效減少工程技術人員工作量，提高了工作效率，縮短開發周期，能夠在更短的時間內設計并制造出質量更好、穩定性更高的產品，極大節約了開發和設計成本，滿足了市場的需求。