汽车造型设计知识讲座.pdf

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1、 汽车造型设计知识讲座（一） 汽车的尺寸 一、外形尺寸参数 汽车设计中由设计师去弥定的外形尺寸包括：长、宽、高、轴距、轮距、前后悬长和离 地距等。各参数的含义见下图： 二、各级汽车的尺寸标准 弥定汽车尺寸所要考虑的因素主要是机械布局和使用要求， 其中机械布局视乎厂家各自 的设计方案有所差异； 使用要求则主要由汽车所针对的目标市场级别而定。 下表为我根据经 验总结的各主要级别（主要乘用车）的常见尺寸范围： 单位：米 长度 宽度 高度 轴距 典型代表 欧洲、亚洲轿车： 小型两厢轿车 3.6-4 1.5-1.7 1.3-1.5 2.2-2.5 夏利 小型三厢轿车 4.1-4.4 1.6-1.7 1.

2、3-1.5 2.3-2.6 丰田 COROLLA 中型轿车 4.3-4.7 1.7-1.8 1.3-1.5 2.6-2.8 捷达 中大型轿车 4.6-4.9 1.7-1.9 1.3-1.6 2.7-2.9 日产 CEFIRO 大型轿车 4.8-5.2 1.8-2 1.4-1.6 2.8-3.2 奔驰 S-CLASS 其他车种： 中型越野车 4.5-4.9 1.7-2 1.7-2.0 2.5-2.8 三菱 PAJERO 中型 MPV 4.4-4.8 1.7-1.9 1.5-1.9 2.7-3 丰田 PREVIA 中型皮卡（pick up） 4.7-5 1.6-1.8 1.4-1.6 2.7-2.

3、9 丰田 HILUX 特殊规格： 日本轻自动车（K-CAR） 3.7 1.5 不限 不限 奥拓 美国标准大型房车 5.2-5.5 1.8-2.1 1.3-1.5 2.8-3.3 林肯 TOWNCAR 美国标准多用途车（SUV） 5-5.5 1.8-2.2 1.8-2.2 2.8-3.2 别克 GL8 一级方程式赛车 4.2-4.4 1.8 0.9-1 2.8-3.1 其中我们看到美国车的尺寸比欧、日的标准大很多，这主要是因为美国地大车少，油价 低廉，对于汽车空间的要求远大于对省油性能的要求。日本则正好相反，为了改善道路拥挤 情况，日本政府对汽车的税收等级是以外形尺寸（主要是占地面积长*宽）来划

4、分的，车身 越大使用费用越高。因此日本汽车造型设计所追求的是“空间利用率” ，即在有限的车身尺 寸下争取最大的内厢空间。 可以说日本车造得紧凑的目的是为了符合法规； 欧洲人也热衷于 小型车， 但他们造小车的主要目的是省油和使用方便； 而美国人的生活环境决定了他们用不 着把汽车造得太紧凑。 三、如何弥定具体尺寸 确定汽车尺寸首先要服从机械布局，然后要满足各项应有的功能，如必须具备载客、载 货的空间等。下面详谈各尺寸的具体确定方法： 1、长度 长度是对汽车的用途、功能、使用方便性等影响最大的参数。因此一般以长度来划分车身等 级。车身长意味着纵向可利用空间大，这是显而易见的；但太长的车身会给调头、停

5、车造成 不便。 4 米长与 5 米长的汽车在驾驶感觉上会有很大的差异， 一般中小型乘用车长 4 米左右， 接近 5 米长的可算作大型车了。 2、宽度 宽度主要影响乘坐空间和灵活性。 对于乘用轿车， 如果要求横向布置的三个坐位都有宽阔的 乘坐感（主要是足够的肩宽） ，那么车宽一般都要达到 1.8M。近年由于对安全性的要求，车 门壁的厚度有所增加，因此车宽也普遍增加。日本车对宽度的限制比较严，大部分在 1.8M 以下，欧洲车则倾向增大车宽。但是车身太宽会降低在市区行走、停泊的方便性，因此对于 轿车来说车宽 2M 是一个公认的上限。 接近 2 米或超过 2 米的车都会很难驾驶。 道路用车 （大 货车

6、、大客车）的车宽一般也不能超过 2.5 米。 对于车外倒后镜不能折叠的车辆， 规格表上的宽度一般把外伸倒后镜也包括在内， 因而有些 欧洲轿车规格表上的宽度接近甚至超过 2 米（例如 FIAT MULTIPLA 宽度为 2010mm） ，各 位明察即可。 3、高度 车身高度直接影响重心（操控性）和空间。大部分轿车高度在 1.5 米以下 ，与人体的自然 坐姿高度相比低很多， 主要是出于降低全车重心的考虑， 以确保高速拐弯时不会翻车。 MPV、 面包车等为了营造宽阔的乘坐（头部空间）和载货空间，车身一般比较高（1.6 米以上） ，但 随之使整车重心升高，过弯时车身侧倾角度大；这是高车身车种的一个重大

7、特性缺陷。此外 在日本，香港等一些地区，大部分的室内停车场都有高度限制，一般为 1.6 米，这也是确定 车高的重要考虑因素。 小型车为了在有限的占地面积内扩大车厢空间， 近年有向上发展的趋 势， 如丰田的 YARIS （高 1500mm） 和标致 206 （1430mm） ， 以及一批超过 1.7M 的日本 K-CAR 级 RV（如铃木 WAGON R） ，车身都比传统的小型车高出很多，重心升高导致的主动安全性 下降是必然的。 4、轴距 在车长被确定后，轴距是影响乘坐空间最重要的因素，因为占绝大多数的 2 厢和 3 厢轿车， 乘员的坐位都是布置在前后轴之间的。 长轴距使乘员的纵向空间增大， 直

8、接得益的是对乘坐 舒适性影响很大的脚部空间。在行驶性能方面，长轴距能提高直路巡航的稳定性，但转向灵 活性下降， 回旋半径增大。因此在稳定性和灵活性之间必须作出取舍，取得适当的平衡。 5、前、后悬 从图一可见：车长=前悬+后悬+轴距。所以轴距越长，前后悬便越短。最短的悬殊长可以短 至只有车轮，即为车轮半径 1/2。但除了一些小型车要竭力增加轴矩来扩大乘坐空间外，一 般轿车的悬长都不能太短，一来轴矩太长会影响灵活性，二来要考虑机械零件的布局。例如 前横置引擎前轮驱动的轿车， 引擎一般会安置在前轴的前方， 因此前悬必须有一定的长度 （例 一） ；但前悬也不应过长，以确保爬坡通过性，越野车为了保证爬坡

9、、越台的能力，前悬都 很短（例二） ；一些高性能跑车的前后悬取值主要是出于对前后重量平衡和动态重心转移的 考虑（例三） 。近年为了满足严格的正面撞击测试法规，有加长前悬的趋势，目的是容纳车 架的撞击缓冲结构。后悬则可以比前悬稍长一些。 例一 前置引擎前轮驱 例二 图中的 A、B 角分别称为接 例三 悬长对汽车的动态 动的轿车，因为要腾出 近角和离去角，是衡量汽车通过 表现也会有影响，例如增 空间安放引擎，前轴要 性的重要指标。由图可见角度越 大前悬可以增加转向过多 向后移，形成很长的前 大，车身能安全通过的坡度越大 ，以抵消车架本身的转向 悬。国产富康、夏利、 。其中接近角尤为重要，因此越 不

10、足倾向。所以设计高性 桑塔纳都属于这种类型。 野车的前悬都很短。 能跑车不仅是要好看那么 简单。 6、轮距 轮距直接影响汽车的前后宽度比例。与其它尺寸相比，轮距更受机械布局（尤其是悬挂系统 类型） 的影响， 是造型设计师需要在很早期就确定的参数。 一般轿车的前轮距比后轮略大 （相 差约 10-50MM） ，即车身前半部比后半部略宽，这与气流动力学有关（将在以后详述） 。但 一些特殊机械布局的汽车， 如法拉利的 512TR， 由于后轴安放了大型的水平对向 12 缸引擎， 使其后轮距远大于前轮距，这就需要以特别的造型设计来配合。在操控性方面，轮距越大， 转向极限和稳定性也会提高， 很多高性能跑车车

11、身叶子板都向外抛， 就是为了尽量扩大轮距。 7、离地距 离地距即车体最低点与地面的距离。 后驱车的离地最低点一般在后轴中央， 前驱车一般在前 轴，也有些轿车的离地距最低点在前防撞杆下缘（气流动力学部件） 。离地距必须确保汽车 在行走崎岖道路、上下坡时的通过性，即保证不“刮底“。但离地距高也意味着重心高，影响 操控性，一般轿车的最低离地距为 130mm-200mm，附合正常道路状况的使用要求。越野车 离地距普遍大于 200mm。赛车由于安装了扰流车身部件，并且要降低重心，离地距可以低 至 50mm，当然前提是赛车跑道路面平坦，在普通街道上肯定是不可行的。 最后必须补充一下，汽车的长、宽、高、轴距

12、是影响乘坐空间的四要素，但这只是基础， 要在尺寸大的车身上设计出空间充裕的座舱，还必须精心设计车厢轮廓。这就是所谓的“利 用率”问题，而它又与全车的整体布局息息相关，这将在后面的章节中综合介绍。 汽车造型设计知识讲座（二） 汽车的车架 就像人的身体由骨架来支持一样，汽车也必须有一幅骨架，这就是车架。车架的作用是 承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。现有的车架 种类有大梁式、承载式、钢管式及特殊材料一体成型式等。 1、大梁式车架 在港台汽车刊物中常称作“阵式车架” ，是最早出 现的车架类型（从全世界第一部汽车开始一直沿用至 今） 。大梁车架的原理很简单：将粗壮的

13、钢梁焊接或铆 合起来成为一个钢架，然后在这个钢架上安装引擎、悬 架、车身等部件，这个钢架就是名附其实的“车架” 。 大梁式车架的优点是钢梁提供很强的承载能力和抗扭 刚度，而且结构简单，开发容易，生产工艺的要求也较 低。致命的缺点是钢制大梁质量沉重，车架重量占去全 车总重的相当部分；此外，粗壮的大梁纵贯全车，影响 整车的布局和空间利用率，大梁的厚度使安装在其上的 坐厢和货厢的地台升高，使整车重心偏高。综合这些因 素可见，大梁式车架适用于要求有大载重量的货车、中大型客车，以及对车架刚度要求很高 的车辆，如越野车。传统越野车在良好道路上行驶时表现出重心过高的不良操控性，就是由 大梁式车架所致。(图

14、A：大型客车 图 B：丰田 Prado 越野车的大梁车架） 2、承载式车架 也称作整体式或单体式车架。针对大梁式车架质量重、体积大、重心高的问题，承载 式车架的意念是用金属制成坚固的车身， 再将发动机、 悬架等 机械零件直接安装在车身上。 这个车身承受所有的载荷， 充当 车架，所以准确称呼应为“无车架结构的承载式车身” （采用 大梁车架的汽车车身则称为 “非承载式车身” ） 。 承载式车架由 钢（较先进的是铝）经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的 要求都很高， 这也是中国目前的车身设计开发难以突破的大难 点。 成型的车架是个带有坐舱、 发动机舱和底板的骨架 （图 C） ， 我们所能看到的光滑的

15、汽车车身则是嵌在骨架上的覆盖件 （图 D） 。 承载式车车架是目前轿车的主流， 因为这种结构将车架和 车身二合为一，重量轻，可利用空间大，重心低，而且冲压成 型的制造方式十分适合现代化的大批量生产。 但是除了开发制 造难度高外，刚度（尤其是抗扭刚度）不足也是承载式车身的 一大缺陷。这问题在日常用车上还不明显，但对于大马力、大 扭力的高性能跑车， 要求有很高的车架刚度， 普通承载式车身 就显得刚度不足。因此近年的高性能汽车，除了马力不断提升外，各车厂也不断致力于提高 车身的刚度， 目前主要采取的办法是优化车架的几何形状和采用局部增粗或补焊以加强抗扭 能力。 由于承载式车架将全车所有部件，包括悬架

16、、车身和乘 员连成一体，具有很好的操控反应（正式学名是“操作响应 性” ） ，而且传递的震动、噪音都较少，这是大梁式车架不可 比拟的。因此不仅是轿车，就连一些针对良好道路环境设计 的越野车也有弃大梁车架而改用承载式车身的趋势， 这就是 所谓的“城市化越野车” 。另外针对大梁式车架地台高的弊 病，近年还出现了采用承载式车身的大型客车（称为“无大 梁车身”或“无阵车身” ） ，由于取消了大梁，旅游大巴可以 在车底腾出巨大且左右贯通的行李空间， 用于市区的公共汽 车则可以将地台降至与人行道等高以便于上下车（要配合特殊的低置车桥） 。低地台是客车 的一个重要发展方向（图 E） 。 3、钢管式车架 前面

17、曾说过承载式车架的设计开发和生产工艺都复 杂，只适宜大批量生产。但是对于少量生产的轿车又如何 呢？虽然可以采用共用平台策略，但所谓的“共用平台” 能共用的只是悬架、传动系统等底盘部件，承载式的车架 由于必须与车身形状吻合， 对于不同的车身造型是不能共 用车架的。于是钢管式（又称“框条式” ）车架便应运而 生。 顾名思义， 钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框 架，再将零部件装在这个框架上。它的生产工艺简单，很 适合小规模的工作坊作业，50-70 年代英国有很多小规模 的车厂生产各式各样的汽车， 都是用自行开发制造的钢管 车架，是钢管车架的全盛时期。时至今日仍采用钢管车架 的都是一些产量较少的跑

18、车厂，如 LAMBORGHINI 和 TVR，原因是可以省去冲压设备的巨 大投资。由于对钢管车车架进行局部加强十分容易（只须加焊钢管） ，在质量相等的情况下， 往往可以得到比承载式车架更强的刚度，这也是很多跑车厂仍乐于用它的原因。 （图 F 是 LAMBORGHINI DIABLO 的钢管骨架，装上覆盖件后成为图 G） 4、铝合金车架 奥迪 A8 的车架是用铝合金做的，但那是冲压成型的 结构，只是材料不同了，仍属于承载式车架。这里说的铝合 金车架是另一种类型，将铝合金条梁焊接、铆接或贴合在一 起组成一个框架，可以理解为钢管车架的变种，只是铝合金 是方梁状而非管状。铝合金车架最大优点是轻（相同刚

19、度的 情况下） 。但是成本高，不宜大量生产，而且铝合金本身的 特性决定了其承载能力受限制， 暂时只有少数车厂运用在小 型的量产跑车上，如莲花 ELISE 和雷诺 SPIDER（图 H） 。 5、碳纤维车架 亦即是开头所提到的 “特殊材料一体成型式车架” 。 制造方法是用碳纤维浇铸成一体化 的底板、坐舱和引擎舱结构，再装上机械零件和车身复盖件。碳纤维车架的刚度极高，重量 比其它任何车架都要轻，重心也可以造得很低。但是制造成本是它的致命伤，因此目前都只 用于不计成本的赛车和极少数量产车上。 碳纤维车架在 80 年代首先出现一级方程式赛车上， 然后延伸到 C 组赛车和 90 年代的 GT 赛车， 至

20、今仅有的两部采用碳纤维车架的量产车是 94 年的 MCLAREN F1 和 95 年的 FERRARI F50。(图 I：法拉利 F50 一体成型的碳纤维地台连 坐舱就是它的车架） 碳纤维的刚度不仅有利于操控，对提高安全性也有很大的作用。典型例子是在 95 年， 宝马的总裁驾驶一部 MCLAREN F1（街道版）满载 3 人在德国的公路上以 280 公里时速失 控，冲出公路后再翻滚无数圈后才停车，车上 3 人居然只受了轻伤。当时全车外壳尽毁，但 车架和坐舱仍保持完好的形状， 如非碳纤维车架肯定是招架不住的。 这也是一级方程式赛车 至今沿用它的原因之一。 6、 “副车架” 最后要补充“副车架”的

21、概念，这是常常在车书中出现的新名词。副车架并非完整的车 架，只是支承前后车桥、悬架的支架，使车桥、悬架通过它再与“正车架”相连，习惯上称 为“副架” 。副架的作用是阻隔振动和噪声，减少其直接进入车厢，所以大多出现在豪华的 轿车和越野车上，有些汽车还为引擎装上副架。 IN THE FUTURE 大梁式和承载式车架是占绝大多数的主流车架形 式，但它们都分别有着显著的缺点，即笨重和刚度不足。 于是近年出现了融合这两者优点和车架设计方案， 图中所 示是三菱 PAJERO IO 的独创车架，在承载式结构的车厢 底部增加了独立的钢框架（图 J 中的蓝色部分） ，可以认 为是简化的大梁结构，从而在保证刚度的

22、同时，重量和重 心又比大梁式结构大为下降。另一个例子是本田 S2000， 由于对性能要求很高， 而敞篷车身的刚度不足， 于是在承载式车架的底部加焊了类似大型横 梁的补强结构，从而增强了刚度。今后这种“杂交”车架的形式肯定会更层出不穷。 汽车造型设计知识讲座（三） 汽车的布局 一、何谓布局？ 这里所讲的布局，是指如何安排一部汽车的各个组成部分在整车中所处的相对位置，即 全车的整体布局。布局方案一般是由总工程师决定的，但对于车身造型设计师，很好地理解 甚至具备确定总体布局的能力也十分重要， 这是因为与其他工业产品相比， 汽车构造的复杂 多变性要大得多。 以电视机为例， 所有电视机的内部结构大多相差

23、无几， 大致上都为立方体， 造型（即外壳）所要提供的功能也不多，因而电视机外壳的设计就不需要具备什么“布局” 观念；但是汽车的内部结构比电视机复杂得多，使用功能的要求很严格（如乘员/载货的空 间、人体工程学的要求等） ，这些构成了很多在造型设计过程中必须遵循的条件。因此，汽 车造型设计师必须具备很清晰明确的布局观念， 才能设计出具有优秀功能性的汽车外型。 事 实上很多突破性的布局方案都是由造型设计师在概念设计的阶段构想出来的。 二、布局元素 一部汽车的布局元素包括发动机、传动系统、 座舱、行李舱、排气系统、悬挂系统、油箱、备 胎等，其中前三者：发动机、传动系统和座舱是 决定布局的三要素，按这“

24、三要素”可将布局方 式分为前置引擎前驱（FF） 、前置引擎后驱（FR） 、 中置引擎（MR）及后置引擎（RR）四大类型， 确定布局类型后，其它部件可采用见缝插针的原 则。一个优秀的布局方案应该在使各部件工作良 好的基础上满足应有的使用功能（如载人、运货、越野等） 。 下面对各种布局方案作简单介绍： 1）前置引擎后轮驱动（FR） 如图 A，引擎纵置于车头，纵向与变速箱相连， 经过传动轴驱动后轮。最早期的汽车绝大部分采用 FR 布局，现在则主要应用在中、高级轿车。它的优 点是轴荷分配均匀，即整车的前后重量比较平衡， 因此操控稳定性比较好。据物理原理的计算，后轮 作驱动轮时，轮胎的附着利用率要优于前

25、轮驱动， 这是中、大型轿车（马力、扭力较大）都采用后轮 驱动的主要原因。FR 的缺点是传动部件多、传动系 统质量大，贯穿坐舱的传动轴占据了坐舱的地台空间。为了容纳传动轴，凡是采用 FR 的房 车，其后座中间座椅的地台都是隆起来的，大大影响了脚部空间和乘坐舒适性，这可以说是 FR 的最大缺点。 2）前置引擎前轮驱动（FF） 将引擎横置在车头，经过变速箱直接驱动前轮，就可以免去传动轴，从而解决了 FR 布 局的车厢地台问题。这种方案称为 FF 布局（图 B） 。FF 是目前绝大部分微、小、中型轿车 采用的布局方式。除了车厢地台降低外，FF 在操控性方面也具有优势：由于重心偏前且由 前轮产生驱动力，

26、FF 的汽车在操控性方面具有明显的转向不足特性，这在汽车操控性评价 中属于一种安全的稳态倾向，是民用车的理想特性。抗侧滑的能力也比 FR 强。但之前也提 到 FF 的驱动轮附着利用率较小，上坡时驱动轮的附着力会减小；前轮的驱动兼转向结构比 较复杂，引擎和传动系统（变速箱、离合器等）集中在引擎舱内，布局拥挤，局限了采用大 型引擎的可能性。这是大型轿车不采用 FF 的主要原因。针对这个问题，近年来出现了纵置 引擎的 FF 布局（以前 FF 的引擎都是横置的） ，从而可以采用较大型的引擎。例如配 3.5 升 V6 引擎的本田 Legend 和 2.8 升 V6 的奥迪 A6，都属于为数不多的中大型

27、FF 轿车。 3）后置引擎后轮驱动（RR） 早期广泛应用在微型车上，因为其结构紧凑，既没有沉重的传 动轴，又没有复杂的前轮转向兼驱动结构。它的缺点是后轴荷较 大，在操控性方面会产生与 FF 相反的转向过度倾向， 即高速过弯 的稳定性差，容易侧滑。现在仍采用 RR 布局的轿车已经很少。 保时捷 911 是其一，而它极易甩尾的操控特性也是出了名的。 4）中置引擎后轮驱动（MR） 即引擎放置在前、 后轴之间的布局方 式。最大的优点显然是轴荷均匀，具有 很中性的操控特性。缺点是引擎占去了 坐舱的空间，降低了空间利用率和实用 性。因此采用 MR 的大都是追求操控表 现的跑车。 一般的 MR 布局， 引擎

28、是置于座椅之 后、后轴之前的，这样的布局在情理之 中；近年出现了一种被称作“前中置引擎”的布局方式，即引擎置于前轴之后、乘员之前， 驱动后轮。从形式上这种布局应属于 FR 类型，但能达到与 MR 一样的理想轴荷分配，从而 提高操控性。宝马 3 系列、本田 S2000 都属于这种类型。 5）四轮驱动 无论是前置、中置还是后置引 擎，都可以采用四轮驱动。由于四 个车轮均有动力，附着利用率最高， 但重量大、占空间是它的显著缺点。 此外动力流失率比单轴驱动大。四 轮驱动过去只用于越野车，近年来 随着限滑差速器技术的发展和应 用，四驱系统已经能够精确的调配 扭矩在各车轮之间分配，所以出于 提高操控性的考虑，采用四轮驱动的高性能跑车也越来越多。