Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системо-технические методы проектирования легкового автомобиля
1.1. Краткий обзор литературы и современное состояние методов дизайн-проектирования легковых автомобилей 11
1.2. Основные проектные подходы в решении дизайнерских и конструкторских задач на начальном этапе проектирования легкового автомобиля 19
1.3. Свойства, параметры и критерии показателей качества легкового автомобиля 28
1.4. Структурное планирование в постановке целей и задач, и выявление негативных факторов разрабатываемого автомобиля
на этапе эскизной проработки конструкции 35
1.5. Экономические тенденции и функционально-стоимостный анализ, расчет себестоимости на начальном этапе проектирования легкового автомобиля 40
1.6. Выводы, цель и постановка задач исследования 46
Глава 2. Разработка методических рекомендаций для дизайн-проектирования легкового автомобиля
2.1. Выбор конструктивных параметров при проектировании новых моделей автомобиля 48
2.2. Исследование взаимосвязи формы кузова и общей компоновки легкового автомобиля 52
2.3. Анализ зависимости аэродинамических свойств легкового автомобиля от формы его кузова 63
2.4. Компоновочные и эргономические правила проектирования легковых автомобилей 72
Глава 3. Анализ и синтез конструкции легкового автомобиля на ранней стадии проектирования
3.1. Алгоритм системного анализа легкового автомобиля и оптимизация проектных решений 92
3.2. Процесс создания легкового автомобиля с учетом показателей качества при наличии компьютерных технологий с прогнозированием системных ошибок 113
3.3. Алгоритм дизайн-проектирования легкового автомобиля 123
Глава 4. Выбор и анализ конструктивных параметров при модернизации серийных и разработке новых моделей легковых автомобилей
4.1. Компьютерный процесс преобразования одной модели кузова легкового автомобиля в другую с учетом технологии компьютерного построения деталей для различных расчетов и анализов средствами САЕ на примере автомобиля марки «ИЖ» 137
4.2. Компьютерный контроль точности моделирования деталей кузова легкового автомобиля (поэтапное решение точности моделирования от плоского чертежа к объемной модели) 156
4.3. Обоснование базовых параметров квадрицикла типа L5 с гибридной энергосиловой установкой и анализ конструктивных схем 163
Заключение и выводы 196
Литература 200
- Краткий обзор литературы и современное состояние методов дизайн-проектирования легковых автомобилей
- Выбор конструктивных параметров при проектировании новых моделей автомобиля
- Алгоритм системного анализа легкового автомобиля и оптимизация проектных решений
- Компьютерный процесс преобразования одной модели кузова легкового автомобиля в другую с учетом технологии компьютерного построения деталей для различных расчетов и анализов средствами САЕ на примере автомобиля марки «ИЖ»
Введение к работе
Актуальность темы. Проектирование с точки зрения общих затрат достаточно часто является самым дешевым из всех этапов создания легкового автомобиля. Но по своим последствиям этап может быть самым дорогим. Можно условно считать, что если не устранить ошибку в научно-исследовательской работе, то на стадии опытно-конструкторских работ ее цена возрастет примерно в 10 раз, на стадии опытного производства - в 100 раз и, наконец, на стадии серийного производства - в 1000 раз [22, 43, 107]. На протяжении всей истории автомобилестроения каждое конструкторское подразделение, занимавшееся проектированием автомобилей и двигателей к ним, имело свою методологию проектирования, сформулированную на основе опыта ранее выполненных проектных работ. Такая методология часто приводила к тому, что номенклатура и свойства автомобилей в значительной степени зависели от случайностей и во многом определялись интуицией их создателей. Длительные сроки разработки новых моделей автомобилей определяются в настоящее время, в основном, сроками их доводки. В связи с этим необходимо делать акцент в проектировании на формировании свойств на стадии проектирования, в основном с помощью удобных и адекватных математических моделей в разных формах их проявления. Современные компьютерные технологии существенно упрощают решение подобных задач. Многообразие требований, предъявляемых к легковым автомобилям, требуют от разработчика системного подхода к проектированию. В научно-технической литературе проблемам и методам проектирования и, в частности, системному проектированию уделяется все большее внимание [28, 29,43, 100].
Сам по себе системный подход не является чем-то новым в проектировании новых изделий. Еще в 1824 г. Сади Карно отмечал, что экономия топлива в двигателе лишь одно из условий, которые должны выполнять топливные машины; при многих обстоятельствах оно второстепенно; оно часто должно уступать первенству надежности, прочности и долговечности машины [47]. Следовательно, на современной стадии развития основой системного
подхода в проектировании является комплексное рассмотрение свойств проектируемого изделия на всех стадиях разработки.
На сегодняшний день не существует методической основы с позиции дизайн-проектирования с использованием вычислительной техники, которая бы решала проблему анализа и задачу исключения ошибок на ранних стадиях проектирования при оптимизации принимаемых решений. Дизайнер должен участвовать на протяжении всего цикла создания легкового автомобиля, а принципы, закладываемые при построении предварительных компьютерных моделей деталей и разработки чертежей, должны выполняться с учетом этапных требований. Вместе с тем, в существующей технической литературе и немногочисленных пособиях по дизайн-проектированию, участие дизайнера в процессе создания промышленного изделия зачастую ограничивается разработкой внешнего вида и эргономикой [26, 61, 63, 69, 93, 100, 105].
Отсутствие методологии дизайн-проектирования промышленных изделий и легковых моделей автомобилей, в частности, необходимость системного подхода к проектированию определяют актуальность темы диссертационного исследования. Актуальность темы усугубляется еще и тем, что образовательным стандартом на специальность 0524.00 «Дизайн» предусмотрена квалификация «дизайн транспортных средств» [76].
Сегодня на многих автомобильных производствах решается задача корректного внедрения компьютерных программных комплексов, когда требуется переводить ручную традиционную работу в компьютер. Автоматизированный процесс значительно снижает затраты на производство, но в дизайн-проектировании нельзя выполнять всю работу на вычислительных машинах, т.к. теряется элемент творчества, а это нельзя упускать, потому что жесткие автоматизированные процессы как бы «умертвляют» любой разработанный легковой автомобиль. Он начинает выглядеть иначе, а упрощенно можно сказать, более живо и эстетически привлекательнее. Это психологический момент, а этим пренебрегать нельзя.
Дизайнерам и в будущем придется считаться с условиями производства и планирования, которые всегда будут сильно ограничивать их творческую фантазию. Изделие, претендующее называться «красивым», с точки зрения
7 дизайна, в современном мире должно соответствовать не только художественно-эстетическим требованиям, но и экономическим, технологическим, гигиеническим, экологическим, утилитарным (функциональным), потребительским, законодательным, социальным и др. [26, 40, 106].
Целью диссертационной работы является разработка методики дизайн-проектирования легковых автомобилей с применением компьютерных программ для геометрического построения формы с дальнейшим математическим и аналитическим расчетом на правильность решений для первого этапа процесса создания легкового автомобиля.
Дизайнер на производстве должен быть осведомленным по вопросам, касающимся разработки и внедрения автомобиля в серию. Для этого необходимо сразу заложить все установочные показатели качества автомобиля, с целью исключения и минимизации ошибок [55]. Для качественного автомобиля существует комплекс требований: конструктивных и социальных. Хотя, часто бывает так, что требования, предъявляемые потребителем не всегда совпадают с требованиями конструкции и дизайна [57]. Появляются модные автомобили, которые удовлетворяют потребителя, но на недолгий период времени, пока данная марка легкового автомобиля является модной.
Проблема моды и стиля с конструктивным решением, не противоречащим остальным требованиям: безопасности, эргономике, тектонике, антропометрии и др., основополагающий фактор, указывающий на системность решений в поиске новых рациональных форм и конструкций автомобиля.
Задачи исследований. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи диссертационной работы:
исследовать взаимосвязь формы легкового автомобиля с общей компоновкой и конструктивными параметрами;
проанализировать зависимость аэродинамических свойств легкового автомобиля от формы кузова и выработать рекомендации для дизайнера по проектированию внешних форм на ранних стадиях проекта;
разработать компоновочные и эргономические правила проектирования легкового автомобиля с учетом законодательных и потребительских требований;
разработать алгоритм дизайн-проектирования легкового автомобиля с оптимизацией проектных решений, предусматривающий участие дизайнера на всех стадиях проекта; апробировать основные принципы разработанной методологии при модернизации автомобилей марки «ИЖ» и при разработке квадрициклов класса L5 на узлах и деталях мотоциклов «ИЖ».
Практическая полезность. Результаты исследования позволят внедрить новые приемы для дизайн-проектирования легковых автомобилей, когда компьютерные технологии все больше и больше приходят на автомобильные производства, а ранняя стадия проектных работ максимально снизит вероятность ошибок при изменении формы автомобиля или отдельных узлов и деталей на позднем этапе, тем самым сократит расход времени и денежных средств на доработку.
Реализация результатов. В период 2002-2004 гг. автор диссертации осваивал на производстве ОАО «ИЖАВТО» в отделе «Компьютерных систем и технологий» разработанные принципы проектирования деталей кузова легкового автомобиля с применением компьютерной техники и высокоточных графических пакетов прикладных программ для создания объемных моделей технологических устройств, апробированные при создании модификации автомобиля Иж-2126 с универсальным кузовом - «Фабула». Разработка велась по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» для квадрициклов [107]. Моделирование деталей кузова автомобиля Иж-2126 велось с точностью 0,001 (мм) и выше в зависимости от сложности решаемых задач. Им определены основные приемы и методы, которые многопланово заложены в программные средства, применяемые на предприятии. Участвовал в решении проблем подготовки геометрических моделей деталей кузова легкового автомобиля «Иж-2126» для дальнейшего прочностного расчета в программном комплексе ANSYS/LS-DYNA. В бюро «Инженерного анализа автомобиля»
9 при вышесказанном отделе были проведены пилотные проекты по внедрению программных средств, позволяющих рассчитывать динамические изменения работы механизмов в легковом автомобиле с оценкой конструктивных особенностей, а в частности пакет ADAMS, написанный фирмой Mechanical Dynamics Inc. (MDI).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции в Ижевском государственном техническом университете, «ІТ&ІР'ОЗ» - Информационные технологии в инновационных проектах (г. Ижевск, 2003 г.), на международной конференции MOTAUTO'03 - «Automobile technics and transport» (Болгария, София, 2003 г.), на международном форуме в Ижевском государственном техническом университете «Высокие технологии - 2004» (г. Ижевск, 2004 г.) и на конференции в Удмуртском государственном университете «Искусствоведение и художественное образование», посвященной 45-летию Института искусств и дизайна (г. Ижевск, 2004 г.).
Автором диссертации опубликовано 8 печатных трудов, в том числе одна монография «Автомобили особого малого класса (квадрициклы) с гибридной энергосиловой установкой» в соавторстве, и 3 технических отчета с государственной регистрацией.
Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре «АМО - Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» в Ижевском государственном техническом университете и на кафедре «Дизайн промышленных изделий» в Удмуртском государственном университете.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка использованной литературы в количестве 125 наименований, 10 таблиц и 78 рисунков. Окончание первой главы резюмируется выводами и ставится задача диссертационного исследования.
Первая глава является обзорной по системо-техническим методам проектирования легковых автомобилей. В ней приведены методы, которые являются общепринятыми с совокупностью свойств, параметров и критериев показателей качества легкового автомобиля.
Задачи исследования и теоретические положения рассмотрены во второй главе с учетом законодательных и нормативных требований к разрабатываемому автомобилю. Также рассмотрен выбор основных конструктивных параметров автомобиля на ранней стадии проектирования, когда форма кузова и компоновочные вопросы решаются с учетом антропометрических данных человека. Выделена зависимость между аэродинамическими свойствами и конструктивными особенностями легкового автомобиля от множества составляющих параметров.
Третья глава посвящена системному анализу разрабатываемого автомобиля с учетом показателей качества и оценки конкурентоспособности будущей модели при экспертном расчете. В заключительной части главы приведен алгоритм дизайн-проектирования легкового автомобиля.
В четвертой главе приведены примеры дизайн-проектирования легковых автомобилей с анализом выведенных приемов, когда компьютерные технологии являются необходимым инструментом в проектной деятельности. Здесь приводится применение разработанных методов по модернизации автомобиля Иж-2126 и, в частности, при разработке его модификации Иж-21261 (Фабула), а также приведена и разработана методика при алгоритме дизайн-проектирования сравнительно нового вида автомототранспорта -квадрицикла [25] с гибридным силовым агрегатом с существующими примерами. Глава иллюстрируется разработанными дизайнерскими проектами автомототехники.
1. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ
1.1. Краткий обзор литературы и современное состояние методов дизайн-проектирования легковых автомобилей
Большая советская энциклопедия предлагает следующее определение «дизайн» (от англ. слова design - проектировать, чертить, задумывать, а также проект, план, рисунок), термин, да обозначающий вид деятельности по проектированию предметного мира.
Дизайн возник в начале 20-го века как реакция на стихийное формирование визуальных и функциональных свойств предметной среды. Дизайн разрабатывает образцы её рационального построения, соответствующие сложному функционированию современного общества. Иногда под дизайном понимают лишь одну из его областей - проектирование эстетических свойств промышленных изделий. Дизайн, однако, решает более широкие социально-технические проблемы: функционирование производства, потребление, существование людей в предметной среде. Дизайн находится в особом отношении ко всем традиционным видам проектирования, разрешая затруднения, которые связаны с внедрением в жизнь конкретных людей и общества в целом, новых предметных организаций, создающих неравновесную ситуацию в предметном мире.
Слово «дизайн» применяется также для обозначения интеллектуального результата проектной деятельности (например, в таких словосочетаниях, как «дизайн вещи», «дизайн автомобиля»), причём в данном употреблении оно не всегда связывается с современной практикой и порой означает морфологию предметного мира, создаваемого человеком на разных стадиях развития общества. В этом смысле говорят о первобытном дизайне, о дизайне 18-го века и т.п.
Для обозначения дизайнерской деятельности в разных ее аспектах и проявлениях в различных языках, наряду с термином «дизайн», существуют и др.: «художественное конструирование» (в русском), «Formgebung» и
12 «Formgestaltung» (в немецком), «wzomictwo przemyslowe» (в польском) и т.д. Но в 1959 г. на первой генеральной ассамблее ИКСИД (ICSID, International Council of Societies of Industrial Design (Международный совет организаций индустриального дизайна), членом которого является и Россия, а в качестве основного международного термина был всё же принят термин «industrial design» (в профессиональном сокращении — «design»), как наиболее ёмкий по своей смысловой структуре.
Признание дизайна как деятельности, которая неразрывно связана с производством промышленных изделий, произошло в конце 50-х гг. 20-го века. Средствами художественного проектирования, которые развивались у людей творческих специальностей, было повышено качество промышленной продукции как, например, качественный скачок сделал БАУХАУЗ в Германии, когда после второй мировой войны она буквально была на грани экономического краха [93, 117]. Средствами технической эстетики и дизайна была разработана теоретическая основа для проектирования промышленной продукции с повышением качества исполнения всех вещей. Сегодня Германия имеет очень развитую автомобильную промышленность, где производства BMW, MERCEDES, VOLKSWAGEN, AUDI занимают ведущие позиции на мировом рынке. Основным положительным результатом их развитого положения, по личному убеждению автора данной диссертации, является врожденный характер системного подхода к проектированию любой промышленной продукции. Инженерные подходы к проектированию легковых автомобилей, применяемые в Германии, являются системо-техническими принципами. Эти подходы основываются на согласии эстетического и технического качеств разрабатываемого автомобиля.
Анализируя учебные пособия, монографии и книги по проектированию существующих промышленных изделий, нужно выделить те значимые художественно-технические приемы проектирования легковых автомобилей, которые помогут исключить проблемы и ошибки на ранней стадии проектирования. Имеющаяся методика ВНИИТЭ по оценке конкурентоспособности
13 технического изделия на ранней стадии дизайн-проектирования исходит от художественных приемов и практически не учитывает техническую основу промышленного изделия [26, 123].
Работа Долматовского Ю.А. о проектировании кузовов легковых автомобилей [30] содержит алгоритм и последовательность дизайнерских работ от рисунка до макета, когда дизайнер выполняет свою работу на определенном этапе проектирования. Необходимо внести рациональную методику с анализом последствий принимаемых решений и тем самым конкретизировать процесс создания легкового автомобиля, когда дизайнер следит за всеми частями работ при создании автомобиля, потому что технологическое и эстетическое качества легкового автомобиля должны быть в согласии.
Штробель В. К. приводит график разработки нового автомобиля для массового производства, где имеются этапы, фазы, расчетное количество требуемых недель вплоть до выпуска установочной серии [121]. Описание начинается с привидением примеров организации компоновочных схем автомобиля и связью конструкции с технологией и рациональностью изготовления отдельных деталей. Компоновочные вопросы на прямую связаны с безопасностью, а рациональность расположения частей автомобиля определяет жесткость, прочность, также концентрацию и напряжение отдельных деталей в сборке по длине всего кузова, но еще необходимо учитывать то, что существует много типов кузовов легковых автомобилей: седан, хетчбек (комби), универсал, пикап, фургон, кабриолет и др., и, следовательно, требуется создавать модельный ряд легковых автомобилей на одной базе, а этой базой может быть кузов — седан.
Также в книге в обзорном виде обсуждаются вопросы безопасности и пути исключения травм и ранений водителя и пассажиров как во время движения по прямой дороге, так и непредвиденные ситуации, возникающие на дороге по самым разным причинам: попадание посторонних предметов (тел), имеющих большую массу, в кузов; опрокидывание автомобиля; отказ тормозной или рулевой систем; наезд на препятствие; утечка топлива и возгора-
14 ниє и др. Общие замечания по пассивной безопасности согласуются с законодательством по дорожному движению.
При проектировании промышленного изделия закладывается общий порядок и алгоритм его создания, и автомобиля в том числе, но с конструктивными особенностями и совместимостью внешней формы с режимами и условиями эксплуатации [30, 52, 61, 89, 121]. Всегда закладываются формально-функциональные требования, а именно соответствие выполнять в полной мере все заложенные требования во время эксплуатации. Лазарев Е. Н. особое внимание обращает на эстетику формы и требуемый результат, который будет принят в итоге, а также учитывает чувства и предпочтения потребителей, как фактор, который однозначно рассмотреть нельзя [61]. Им рассматривается такое решение формы, которое идет от характера эксплуатации, но с учетом технической эстетики. Автором рассмотрены совокупности общих признаков одной сложной формы, т.е. понятие - стиль. Особое внимание требуется уделить монографии Родионова В. Ф. и Фиттермана Б. М. [89], где процесс создания легкового автомобиля разделяется на 6 этапов, когда составляется техническое задание, а потом уже следует создание компоновки, изготовление макетов, чертежей, корректировка рабочих чертежей и изготовление оснастки и инструмента. Автомобиль рассматривается, как техническая система, включающая в себя раму, трансмиссию, подвеску, двигатель и др. Существуют компоновочные схемы, которые определяют применение агрегатов различных схем в зависимости от класса автомобиля. Основной упор здесь делается на конструкцию машины. Авторы разделяют автомобиль по частям и описывают каждый узел по назначению и по расположению в конструктивной системе. Все методы и приемы проектирования, которые описаны, являются общепринятыми и верными, но монография Родионова и Фиттермана — раннее издание и в ней, следовательно, подход к процессу проектирования является отличным от современных методов, когда применяется компьютерная техника и высокоточные станки с числовым
15 программным управлением (ЧПУ), когда существуют технологии перевода компьютерной геометрической модели в физический объект.
Сегодня существуют разные методы для создания макетов с применением компьютерной техники, например, технология SLA (стереолитография) и LOM-процесс (изготовление макетов из бумаги). SLA-технология (Stereo Lithography Apparatus) работает с ультрафиолетовым лазером, когда его луч касается жидкого полимера, то он затвердевает. LOM-технология {Lamineted Object Manufacturing) определяется изготовлением макетов из бумаги, когда лазер послойно отрезает бумагу по CAD-данным, а термовалик соединяет слои, т.к. рулон бумаги имеет клеевую поверхность.
Детали, выполненные при помощи SLA-технологии обладают высокой точностью. При наличии таких модельных систем можно выявлять ошибки и с большой вероятностью прогнозировать то, что деталь будет выполнена верно. Это позволяет производить доводку за короткие сроки, имея одну виртуальную модель. Можно выделить визуальные недостатки, которые не видны в процессе проектной деятельности на стадии эскиза, а также отследить качество поверхностей. Во многих программных комплексах, таких как UNIGRAPHICS, PRO-ENGINEER, CATIA и др., существует возможность выявлять качество поверхностей на изгиб или излом. Неровность и «волнистость» поверхности детали можно выявить через структурною сетку поверхности (геометрическое представление большой поверхности из отдельных микроповерхностей, которые за счет своей размерности, концентрации и разряжения определяют вид формы детали) и или же в динамике, когда поверхность детали представляется как зеркальная. Существует и другой способ, когда деталь освещается линейным источником света и по блику видно то, что поверхность имеет излом [75]. Многие дефекты поверхностей видны только на большом увеличении, а довольно частое несовпадение граней по ребру вызывает то, что стороны не могут быть объединены. Такое несовпадение может быть вызвано по двум основным причинам: погрешностью самой программы или же ошибкой при построении самим инженером. Обыч-
ный способ создания моделей - это пластилиновые макеты, когда качество достигается за счет профессионализма модельщиков. Изготовление пластилиновой модели занимает очень много времени, а сам процесс лепки очень трудоемкий, также требует постоянной корректировки. Модели, созданные при помощи SLA и LOM технологий имеют габариты в пределах полметра, т. е. такие детали не очень велики. При помощи этих систем можно делать элементы фар, ручки дверей, щитки, крышки радиатора, элементы вентиляции, элементы панели управления (информационное табло, переключатели, кнопки) и др. Небольших деталей в кузове очень много, а следовательно это существенно снижает временные затраты. На производстве постоянно требуется следить за изготовлением деталей. Это в большей степени относится к качеству получаемых поверхностей деталей кузова, элементов салона или механизмов. Известно, что в автомобиле очень много деталей и механизмов, а следовательно очень много небольших проектных работ по отдельным деталям, а они в свою очередь отнимают очень много времени, т.е. денежные средства, идущие на проектную работу, очень часто приходится окупать достаточно долго. В экономике важный показатель - время, соответственно, одной из основных проблем является временная затрата, которая уходит на корректировку моделей и их очередной перерасчет.
Особое внимание требуется уделить функционально-стоимостному анализу (ФСА) продукции, описанное в [22], где коллектив авторов вводит различия между ФСА и технико-экономическим анализом (ТЭА). Авторами приведена схема стадии жизненного цикла изделия. В монографии [55] приводится технико-экономическая оценка грузовых автомобилей при разработке. Авторы Костин И.М. и Фасхиев Х.А. решают проблему проектирования новой техники с учетом рыночной конъюнктуры. Они утверждают, что автомобильная промышленность в России имеет низкий уровень оснащенности, а для того чтобы определить устойчивые позиции для продаж на внешнем рынке, необходимо, внедрить технико-экономические параметры уровнем не ниже, чем у европейских производителей.
17 Еще в СССР существовали жесткие ГОСТы и правила, которые разрабатывались специалистами и определялись как значимые и весомые требования к легковым автомобилям, но данная государственная система стандартов имела внутреннее значение, реже была связана с европейскими странами. С появлением стандарта ISO (International Standard Organization), DIN (Deutch International Normal - немецкий международный стандарт) и др. России пришлось изменить ряд положений по стандартам. Конечно, возникло много трудностей, но эти стандарты уже распространялись на детали-аналоги европейских и мировых производителей. Например, стандарт ISO - это очень гибкая система, которая допускает множество изменений, из-за этого требуется вносить много доработок, но изменения допускаются, т.к. это движет прогресс, а продукция, выпущенная совместно с иностранными фирмами нередко бывает бракованной. Для этого требуется уже на начальной стадии проектирования определяться с теми деталями, которые не нужно разрабатывать. На основании множества исследований по деталям-аналогам надо выбирать именно те образцы, которые имели минимальный отказ в работе и являлись в некоторой мере универсальными, если существует такая необходимость.
Кравец В.Н. и Горынин Е.В. рассматривают законодательные и потребительские требования к автомобилям [57], которые на этапе начального поиска формы дизайнеру требуется знать (вместимость, материалоемкость, эргономические свойства, надежность и безопасность с учетом нормативных документов). Эти документы составлены на основании множества исследовательских работ и определены для каждого класса автомобилей. Следует выделить и требуемую мощность двигателя, где полезную мощность для ДВС определяют по методам, описанным в Правилах ЕЭК ООН № 15, 24, 85. Большой рост производства легковых автомобилей включает в себя экологические вопросы, что немаловажно для расширения уровня продаж. Все негативные воздействия (дымность, шум, электромагнитные помехи), которые происходят при эксплуатации автомобиля, оказывают негативное влияние на
18 окружающий мир. Эти факторы включаются в концепцию разработки легкового автомобиля на стадии эскизного проекта. Многие элементы, снижающие шум и электромагнитные помехи, можно обозначить при разработке кузова и салона легкового автомобиля. Для дизайнера - это ограничения, но разработка особенных форм, которые, например, снижают внешний и внутренний шумы, улучшают аэродинамику с применением звукопоглощающих материалов (различные ткани, натуральные волокна, кожа, пластиковые материалы). Стадия эскизного проекта будет определять выбор материалов для легкового автомобиля. Проектная работа, ведущаяся на предприятии, всегда связана с анализом существующих достижений автомобилестроения. Требуется провести анализ существующих разработок и выделить из них основные моменты, интегрируя новые решения, которые будут представлены в новом стилевом исполнении. Новый стиль требуется согласовывать с технологией изготовления.
Сегодня существуют сложные программные комплексы, рассчитывающие все параметры автомобиля. Практически во всех этих программах матрица геометрической поверхности представляется, как конечная элементная сетка, а она является основой для многих расчетов: аэродинамических, прочностных, тепловых и других. Галлагер Р. подробно описывает систему представления объектов из набора отдельных микроповерхностей, которые объедены силовыми связями. Им описано представление работы конструкции в связях с другими деталями [19]. Математический аппарат расчетных компьютерных программ работает с учетом анализа конечной элементной сетки, далее требуется нужное ее представление, потом определяется точность расчета и производится требуемый расчет. Численные данные из программы для геометрического построения объектов транслируются в расчетную область другой программы с учетом внешней геометрии объекта, а значит, конечная элементная сетка уже закладывается на стадии первоначального компьютерного построения формы легкового автомобиля.
19 Вычислительная техника всегда имеет погрешность и поэтому многие расчеты на компьютере выполняются набором отдельных программ, где каждое приложение выполняет узкие задачи по приоритетам. В учебном пособии [11] описан математический аппарат возникновения погрешностей, когда есть погрешности, являющиеся устранимыми или неустранимыми, а также обязательно возникающими при работе вычислительной техники. Всегда имеется условно точное значение отыскиваемого параметра, как некой абсолютной величины, представленное как опорное значение и ряд существующих погрешностей. Поэтому, чтобы избежать ошибок, в расчет допускается погрешность, а исходные численные данные имеют тоже процентную погрешность. Для начальной стадии дизайн-проектирования необходимо, чтобы дизайнер оперировал предварительными формами, а потом уже их дорабатывал, постоянно проверяя результаты на компьютере.
1.2. Основные проектные подходы в решении дизайнерских и конструкторских задач на начальном этапе проектирования легкового автомобиля
Сегодня конструкторский процесс в чистом виде не может существовать без дизайнерской основы, а также являться чем-то обособленным от него. Можно создавать верные конструкторские вещи, где будут соблюдены: технологичность, прочность, жесткость, вес, размерность и т.д., но есть с позиции дизайн-проектирования еще и стиль, согласованный с функцией, эргономикой, когда над этим есть такое понятие как «красота», которая принимается обществом [40]. Это будет эстетическим качеством промышленного изделия.
Считается, что работа над проектом начинается с получения технического задания [89]. Правильнее утверждать надо так, что работа начинается тогда, когда появляются социальные потребности в необходимости ездить на том или ином автомобиле. Производство легкового автомобиля - это полный
20 плановый и прогнозируемый расчеты на окупаемость вложений. Буквально надо утверждать, что есть проблема (задача), далее требуются какие-то средства для решения, а потом следуют какие-то методы для осуществления поставленных задач. Чтобы избежать невостребованности произведенного автомобиля, необходимо следить за конкурентами и при этом постоянно держать автомобиль на высоте, а для этого необходимо определить правильную стратегию в реализации поставленных задач. Для этого существуют разные проектные подходы, которые являются определяющими в решении задач качества и конкурентоспособности любых промышленных изделий:
Системный подход служит одним из основных принципов в решении дизайнерских задач. Здесь рассматриваются взаимосвязи объекта со средой со всей совокупностью его потребительских свойств. Этот подход образует методологическую основу проектной деятельности.
Функциональный подход образует сущность и совокупность функций в системе, с помощью которых синтезируются (образуются) потребительские свойства. Принцип соответствия значимости и полезности функций затратам на их реализацию является следствием функционального совершенства изделия как технической системы.
Аналитический подход интегрирует в себе комплексный анализ технических и экономических проблем, где рассматриваются все функции и подфункции изделия, как в процессе проектирования, так и в процессе производства.
Проблемный подход базируется на постановке задач и выявлении проблем, которые могут быть представлены как недостатки изделия. Здесь оцениваются причины, влияющие на качество продукции.
Экспертный подход основывается на расчетном методе экспертных оценок. Каждый эксперт по весовым критериям важности дает свою оценку на изделие. Это позволяет избежать ошибок на начальной стадии проектирования.
Инженерно-технический подход включает в себя все технические параметры, которые закладываются в систему человек-машина. Сюда входит большинство вопросов о конструкции, технологии, дизайне и инженерном анализе.
Экономический подход объединяет в себе вопросы себестоимости и цены продукции, а также анализ потребительских вопросов с учётом конкурентоспособности и покупательной способности населения.
Данные подходы формируют порядок в исследовательской работе, относящейся к анализу рынка автомобилей для определенной ценовой ниши и покупательной способности населения. На основании этого формируется требуемый технический уровень автомобиля. Все детали, которые будут в нем использоваться, они и будут определять совершенство легкового автомобиля. Определенно, что требуется сделать - это выбрать опорные критерии, одни из которых устанавливаются как базовые для всего процесса создания легкового автомобиля, а остальные будут появляться по мере продвижения дизайнерских и конструкторских работ. Всегда существует большое количество критериев в решении проектных задач, когда автомобиль - это система. Все критерии оптимизируются до достаточного минимума. При проектировании всегда требуется выделить критерии качества или целевую функцию, а оптимизация - это четко сформулированная задача, которая будет еще и определять эволюционность решений. Проблема в проектной работе еще и такая, что отдельный специалист не может владеть полным количеством информации (знаний), а частные задачи, возникающие в работе всегда являются либо трудоемкими, либо дорогостоящими или необходимо привлекать других специалистов [38].
При оптимизации проектных решений достигается техническое качество автомобиля. Компьютерное моделирование деталей машин уже включает и обозначает эти принципы. Есть принципы и по оптимизации критериев (параметров) и выделении основных постепенно по ходу проектной деятельности. Компьютерное проектирование деталей основывается на многофак-
22 торном анализе формы детали, когда отдельные поверхности можно представлять и визуализировать различными способами, т.е. одна поверхность может быть и многосоставной, а также быть моноповерхностью (рис.1). Конструктор или дизайнер, ведущий разработку объемной модели в программе для геометрического построения формы, устанавливает тип детали и условия технологического процесса, а для этого существуют разные методы построения геометрии детали с различной организацией плоскостей самой детали. На рис. 1 показаны цельный вид поверхности верхней панели капота (1,а), образованный методом покрытия поверхностей «одеялом» из структуры 1,6.
Рис. 1. Различное представление поверхностей верхней панели капота
автомобиля Иж-2126
Многие CAD-системы работают по принципу составления послойной модели, т.к. отдельные узлы проектируемой детали могут иметь сложную геометрию, когда математический аппарат графического пакета формирует выделенный узел на другой уровень (слой). В таком случае модель получается сложной и она не может быть транслирована для изготовления на станке с ЧПУ. Во избежание этой проблемы требуется преобразовывать большое количество поверхностей в единую, но при этом требуется учесть переходные ребра между гранями. Слои, которые образовывали и формировали детали, удаляются программой. Такая деталь получает степень explicit - (точный, определенный - англ.), являющаяся проверенной и неизменяемой в электронном виде. Данные о спроектированной модели в численном виде поступают
23 на станок с ЧПУ и деталь изготавливается [2, 32, 115]. Деталь «explicit» не имеет программной параметризации построения, она является еще и исходной для проведения расчетов по средствам САЕ и для производства САМ. Системы САМ/САЕ строятся на общем математическом аппарате, т.к. некоторые детали не требуется анализировать инженерным способом через средства САЕ.
Техническое качество автомобиля напрямую связано с эстетикой. (Эстетика - (от греч. aisthetikos - чувствующий, чувственный) философская наука, изучающая сферу эстетического как специфического проявления ценностного отношения между человеком и миром, и область художественной деятельности людей.) При проектировании автомобиля необходимо, чтобы эстетическое и конструкторское качества были в согласии. Есть и социальная потребность, связанная с эстетикой, но желаемый результат удовлетворить потребности не всегда совпадает с возможностями производства, хотя современный технический уровень очень высокий, а за отдельные нововведения требуется вкладываться и окупать затраты, но развитие технологий не терпит промедлений, поэтому автомобили надо производить быстрее и качественнее конкурентов. Здесь часто нужно выявить эстетическую психологию определенного класса потребителей. Оценить вещь с точки зрения эстетического восприятия очень сложно, т.к. восприятие вещей у каждого человека различное. Хотя, эстетический уровень качества можно оценить целостной, комплексной или совмещенной оценкой показателей [42]. Эстетический показатель легкового автомобиля нельзя оценить с помощью прибора. Для комплексного решения созывается группа экспертов, чтобы получить численный результат без прибора, где выводится ряд критериев, которые являются достаточными в реализации проекта на начальной стадии проектирования. Это могут быть такие критерии: размерность, информативность формы, качество поверхностей и др. Сегодня требуется исполнить автомобиль с максимальным эстетическим восприятием для большинства потребителей. Предпосылка эстетики - это лаконичность формы, или другими словами предель-
24 ная информативность в структурной модели изделия, а «простота» формы должна быть связана с процессом эксплуатации (эргономические требования). Для снижения вероятности ошибок на начальной стадии дизайн-проектирования необходимо ограничиться параметрами. Начальный этап решает вопросы компоновки, намечается эргономическая и антропометрическая схемы, а также аэродинамическая, меньше технологическая и другие по приоритетам. Перед началом проектных работ требуется знать положения, которые выведены и являются общепризнанными [9, 18, 29, 52, 89, 99 и др.] и распространяются на любые промышленные изделия.
Основные положения системного подхода в конструкторском (дизайнерском) процессе:
есть только единственный принцип проектирования любых вещей, который основывается на создании крупных форм сначала, а потом переход к малым деталям;
разработка каждого изделия ведется для определенной ценовой ниши с учетом покупательной способности населения и общего контингента;
первоначально требуется провести анализ существующих образцов проектируемого объекта во избежание повторений и ошибок;
необходим постоянный поиск идей на бумаге в виде эскизов и быстрых набросков;
существующие технические разработки необходимо использовать и реализовывать в новой улучшенной интерпретации;
Краткий обзор литературы и современное состояние методов дизайн-проектирования легковых автомобилей
Большая советская энциклопедия предлагает следующее определение «дизайн» (от англ. слова design - проектировать, чертить, задумывать, а также проект, план, рисунок), термин, да обозначающий вид деятельности по проектированию предметного мира.
Дизайн возник в начале 20-го века как реакция на стихийное формирование визуальных и функциональных свойств предметной среды. Дизайн разрабатывает образцы её рационального построения, соответствующие сложному функционированию современного общества. Иногда под дизайном понимают лишь одну из его областей - проектирование эстетических свойств промышленных изделий. Дизайн, однако, решает более широкие социально-технические проблемы: функционирование производства, потребление, существование людей в предметной среде. Дизайн находится в особом отношении ко всем традиционным видам проектирования, разрешая затруднения, которые связаны с внедрением в жизнь конкретных людей и общества в целом, новых предметных организаций, создающих неравновесную ситуацию в предметном мире.
Слово «дизайн» применяется также для обозначения интеллектуального результата проектной деятельности (например, в таких словосочетаниях, как «дизайн вещи», «дизайн автомобиля»), причём в данном употреблении оно не всегда связывается с современной практикой и порой означает морфологию предметного мира, создаваемого человеком на разных стадиях развития общества. В этом смысле говорят о первобытном дизайне, о дизайне 18-го века и т.п.
Для обозначения дизайнерской деятельности в разных ее аспектах и проявлениях в различных языках, наряду с термином «дизайн», существуют и др.: «художественное конструирование» (в русском), «Formgebung» и «Formgestaltung» (в немецком), «wzomictwo przemyslowe» (в польском) и т.д. Но в 1959 г. на первой генеральной ассамблее ИКСИД (ICSID, International Council of Societies of Industrial Design (Международный совет организаций индустриального дизайна), членом которого является и Россия, а в качестве основного международного термина был всё же принят термин «industrial design» (в профессиональном сокращении — «design»), как наиболее ёмкий по своей смысловой структуре.
Признание дизайна как деятельности, которая неразрывно связана с производством промышленных изделий, произошло в конце 50-х гг. 20-го века. Средствами художественного проектирования, которые развивались у людей творческих специальностей, было повышено качество промышленной продукции как, например, качественный скачок сделал БАУХАУЗ в Германии, когда после второй мировой войны она буквально была на грани экономического краха [93, 117]. Средствами технической эстетики и дизайна была разработана теоретическая основа для проектирования промышленной продукции с повышением качества исполнения всех вещей. Сегодня Германия имеет очень развитую автомобильную промышленность, где производства BMW, MERCEDES, VOLKSWAGEN, AUDI занимают ведущие позиции на мировом рынке. Основным положительным результатом их развитого положения, по личному убеждению автора данной диссертации, является врожденный характер системного подхода к проектированию любой промышленной продукции. Инженерные подходы к проектированию легковых автомобилей, применяемые в Германии, являются системо-техническими принципами. Эти подходы основываются на согласии эстетического и технического качеств разрабатываемого автомобиля.
Анализируя учебные пособия, монографии и книги по проектированию существующих промышленных изделий, нужно выделить те значимые художественно-технические приемы проектирования легковых автомобилей, которые помогут исключить проблемы и ошибки на ранней стадии проектирования. Имеющаяся методика ВНИИТЭ по оценке конкурентоспособности технического изделия на ранней стадии дизайн-проектирования исходит от художественных приемов и практически не учитывает техническую основу промышленного изделия [26, 123].
Работа Долматовского Ю.А. о проектировании кузовов легковых автомобилей [30] содержит алгоритм и последовательность дизайнерских работ от рисунка до макета, когда дизайнер выполняет свою работу на определенном этапе проектирования. Необходимо внести рациональную методику с анализом последствий принимаемых решений и тем самым конкретизировать процесс создания легкового автомобиля, когда дизайнер следит за всеми частями работ при создании автомобиля, потому что технологическое и эстетическое качества легкового автомобиля должны быть в согласии.
Штробель В. К. приводит график разработки нового автомобиля для массового производства, где имеются этапы, фазы, расчетное количество требуемых недель вплоть до выпуска установочной серии [121]. Описание начинается с привидением примеров организации компоновочных схем автомобиля и связью конструкции с технологией и рациональностью изготовления отдельных деталей. Компоновочные вопросы на прямую связаны с безопасностью, а рациональность расположения частей автомобиля определяет жесткость, прочность, также концентрацию и напряжение отдельных деталей в сборке по длине всего кузова, но еще необходимо учитывать то, что существует много типов кузовов легковых автомобилей: седан, хетчбек (комби), универсал, пикап, фургон, кабриолет и др., и, следовательно, требуется создавать модельный ряд легковых автомобилей на одной базе, а этой базой может быть кузов — седан.
Также в книге в обзорном виде обсуждаются вопросы безопасности и пути исключения травм и ранений водителя и пассажиров как во время движения по прямой дороге, так и непредвиденные ситуации, возникающие на дороге по самым разным причинам: попадание посторонних предметов (тел), имеющих большую массу, в кузов; опрокидывание автомобиля; отказ тормозной или рулевой систем; наезд на препятствие; утечка топлива и возгора 14 ниє и др. Общие замечания по пассивной безопасности согласуются с законодательством по дорожному движению.
При проектировании промышленного изделия закладывается общий порядок и алгоритм его создания, и автомобиля в том числе, но с конструктивными особенностями и совместимостью внешней формы с режимами и условиями эксплуатации [30, 52, 61, 89, 121]. Всегда закладываются формально-функциональные требования, а именно соответствие выполнять в полной мере все заложенные требования во время эксплуатации. Лазарев Е. Н. особое внимание обращает на эстетику формы и требуемый результат, который будет принят в итоге, а также учитывает чувства и предпочтения потребителей, как фактор, который однозначно рассмотреть нельзя [61]. Им рассматривается такое решение формы, которое идет от характера эксплуатации, но с учетом технической эстетики. Автором рассмотрены совокупности общих признаков одной сложной формы, т.е. понятие - стиль. Особое внимание требуется уделить монографии Родионова В. Ф. и Фиттермана Б. М. [89], где процесс создания легкового автомобиля разделяется на 6 этапов, когда составляется техническое задание, а потом уже следует создание компоновки, изготовление макетов, чертежей, корректировка рабочих чертежей и изготовление оснастки и инструмента. Автомобиль рассматривается, как техническая система, включающая в себя раму, трансмиссию, подвеску, двигатель и др. Существуют компоновочные схемы, которые определяют применение агрегатов различных схем в зависимости от класса автомобиля. Основной упор здесь делается на конструкцию машины. Авторы разделяют автомобиль по частям и описывают каждый узел по назначению и по расположению в конструктивной системе.
Выбор конструктивных параметров при проектировании новых моделей автомобиля
При проектировании новой модели автомобиля существуют широкие возможности по выбору конструктивных параметров, так как вносить изменения в конструкцию на более поздних стадиях, когда существуют опытные образцы в металле, намного труднее, чем на стадии разработки проектной документации. Это свидетельствует о важности и целесообразности всесторонне обосновывать принимаемые конструктором решения на начальной стадии создания нового автомобиля. Правильность выбора основных конструктивных параметров зависит не только от достигнутого уровня совершенства конструкции современных аналогов, технологии производства, но и от совершенства применяемых методов для решения этой сложной задачи. Обоснованность и совершенство методов особенно важны при выборе тех конструктивных параметров, изменение которых по-разному влияет на определенные эксплуатационные качества автомобиля. Главными из них являются мощностные параметры двигателя и трансмиссии, изменение которых (за исключением определенного интервала значений) оказывает существенное и противоположное влияние на топливную экономичность и скоростные свойства автомобиля. К ним же можно отнести номинальную скорость V]\[ на высшей передаче трансмиссии. Другими словами, это параметры, подлежащие оптимизации, так как другие параметры, которые оказывают на рассматриваемые качества автомобиля вполне определенное одностороннее влияние по принципу «чем меньше (больше) его значение, тем лучше». К последним можно отнести, в частности, массу автомобиля та, коэффициенты сопротивления качению/и сопротивления воздуха ке, удельный ge (часовой Qt) расход топлива, коэффициент приспособляемости двигателя км и др. Для более успешного решения задач проектирования автомобилей необходим единый научно обоснованный: подход к оптимизации некоторых важнейших параметров автомобиля.
На основе научного анализа уровня современных конструкций аналогов, технологии их производства, нормативных и иных требований выбирают те конструктивные параметры, которые оказывают одностороннее влияние на топливную экономичность и скоростные качества автомобиля.
Так, при заданной массе тн полезного груза стремятся обеспечить минимальные значения снаряженной то и общей та массы автомобиля, приведенного момента инерции вращающихся масс Jnp, коэффициента сопротивления качению/, фактора сопротивления воздуха Сх, удельного расхода топлива ge и т. д. Одновременно необходимо обеспечить высокие значения таких конструктивных параметров, как максимальный крутящий момент Метах и коэффициент приспособляемости двигателя кт, коэффициент мощностных потерь tjN. С учетом полученных значений конструктивных параметров затем выбирают удельную мощность и параметры трансмиссии. При этом важно определить сначала базовый уровень удельной мощности и параметров трансмиссии.
Выбор базового уровня удельной мощности. При выборе данного конструктивного параметра следует обеспечить наибольшую эффективность работы автомобиля и равномерность транспортных потоков на дорогах. Для этого требуется, чтобы однотипные автомобили, предназначенные для эксплуатации на дорогах общего пользования, несущественно отличались по удельной мощности и скоростям движения, имеется в виду не только максимальная скорость на горизонтальной дороге, но и скорость движения на основных (ведущих) подъемах той или иной категории дорог, так как именно на таких участках чаще всего происходит торможение потоков автомобилей.
Таким образом, целесообразно задавать скорости (или хотя бы нижний их предел) одинаковыми для однотипных автомобилей и исходя из этого оп 50 ределять удельную мощность и, следовательно, номинальную мощность двигателя.
Вторым исходным условием должно быть обеспечение хорошей приемистости, необходимой для обгона впереди идущего с пониженной скоростью транспорта; третьим - преодоление максимального подъема с заданной скоростью. Соблюдение последнего условия для одних автомобилей может оказаться несущественным, а для других, например, полноприводных, - решающим в данных условиях эксплуатации.
Следовательно, базовый уровень удельной мощности нужно выбирать исходя из заданных максимальных скоростей движения: а) на горизонтальном участке дороги; б) на основном (ведущем) подъеме; в) на подъеме с максимальным уклоном. Кроме того, необходимо исходить из заданных показателей приемистости автомобиля. Учитывая эти рекомендации в зависимости от класса автомобиля Токарев А.А. приводит необходимую рациональную удельную мощность для легкового автомобиля 30 кВт/т для городских условий и 45 кВт/т для загородных дорог [104]. При этом учтены имеющиеся ограничения по максимальной скорости движения (80 км/ч для города и 120 км/ч для загородных). Рациональная удельная мощность для разгона автомобиля значительно выше (рис. 8). Следует отметить, что при этих же условиях необходимая удельная мощность для мотоциклов (особенно с боковым прицепом) существенно выше 70 кВт/т. Это объясняется более значительной долей силы сопротивления воздуха, чем для автомобиля [74, 79].
Реализация отмеченных закономерностей на практике существенно сокращает объем предварительных расчетов при выборе базовой удельной мощности. Не следует забывать, однако, что в отдельных случаях в зависимости от типа и назначения автомобиля экстремальные условия его эксплуатации могут быть заданы с отступлением от рекомендуемых, например, мо 51 жет быть увеличена скорость движения на основном или максимальном уклоне или увеличены уклоны.
Решающим в данном случае, очевидно, может оказаться именно этот измененный фактор, тем более, что удельные мощности, определяемые при движении на горизонтальной дороге и на основном уклоне, близки по значениям.
Алгоритм системного анализа легкового автомобиля и оптимизация проектных решений
Системный анализ легкового автомобиля в проектной работе дизайнера организовывается вокруг компоновочных решений, когда требуется уделить главное внимание для установки посадочных мест, блоков и агрегатов, багажного отделения и др. Легковой автомобиль - это система, где есть понятие «кузов», которое определяет потребительские свойства, а также является еще и отражением самой системы. «Кузов - Человек» - это главная функциональная зависимость набора составляющих критериев: конструктивных, психофизиологических, эстетических, социологических, технологических и экономических [80]. Опять можно упомянуть то, что автомобиль для человека. Все проектировщики выделяют такое утверждение в своих работах. Рассматривается понятие ситуативность и различное поведение людей в жизни с автомобилем. Разработанный автомобиль - это средство, которое обязано помочь в жизни. Культура и качество изготовления автомобиля связана с четким процессом, а точнее с алгоритмом проектирования кузова.
Решение любой задачи, возникающей в процессе проектирования, начинается с ее постановки, что особенно важно в задачах оптимального проектирования. Правильно поставленная задача обычно является гарантией получения приемлемого оптимального решения, реализуемого в легковом автомобиле, и часто требует разработки принципиально новых подходов к ее решению, позволяющих получать новые знания о проектируемом транспортном средстве. Новые неизвестные знания изменяют представления проектировщика о разрабатываемом легковом автомобиле, что в свою очередь может повлиять на изменение постановки задачи оптимального проектирования и повторного ее решения. Следовательно, поиск оптимального технического решения является творческим итерационным процессом, направленным на разработку новой конструкции, существенно превосходящей свой прототип по эксплуатационным и другим свойствам, заложенным в постановке задачи.
При проектировании транспортных машин в настоящее время используют все более сложные математические модели. Причина этому следующая - стремление повысить адекватность разрабатываемых математических моделей в работе реальных агрегатов или машины в целом и необходимость исследования взаимовлияния машинных агрегатов при их совместной работе [108]. Для получения необходимой информации о разрабатываемом легковом автомобиле необходимо иметь единую математическую модель. Естественно, что такую математическую модель невозможно реально разработать, а тем более исследовать. Выходом из данного положения служит совершенствование методов исследования.
Автомобильный кузов должен являться отражением работы всей системы «человек - легковой автомобиль». Проектирование легкового автомобиля исходит от системы «человек», когда все оснащение машины определяется под возможности водителя и пассажиров. Правильный подход к разработке - это исключение такого, когда человек становится заложником автомобиля. Такие ситуации могут произойти, например, в туристической поездке, на открытом отдаленном пространстве от города, когда по ряду некоторых причин кое-какие блоки выходят из строя в самый неподходящий момент. Необходимо предусмотреть максимальную живучесть и обеспечить сохранность водителя и пассажиров в любых критических и аварийных ситуациях. Учитывая такой фактор, как хорошая ремонтопригодность: быстрая замена блоков, хороший доступ к узлам и агрегатам, обеспечивается за счет «корректных» технологических и конструктивных особенностей системы. Блоки, которые работают в нагруженных режимах, подвергаются к серьезным испытаниям на живучесть. Существуют испытательные стенды для проверки подвески, климатические камеры, а также проверка на удар, аэродинамику и другие. Это и будет обуславливать корректность системы, которая должна являться лаконичной, т.е. системно и блочно согласованной. В дан 94 ном случае блок - это некий конструктивный участок системы «АВТОМОБИЛЬ». Соблюдая характер формы проектируемого автомобиля, требуется работать над отдельными небольшими элементами, соподчиняя их друг к другу [9, 61, 100, 119, 122 и др.]. Даже отдаленные друг от друга, независимые крепежными связями элементы, работают в системе «АВТОМОБИЛЬ», дают информацию о форме.
Системный анализ строится на ситуациях, когда задействовано много критериев для интегральной оценки качественного уровня легкового автомобиля. Вообще, очень хороший анализ строится на методе представления дизайнера или конструктора в роли водителя и пассажиров, но в таком случае необходима экспертная оценка для решения вопросов многокритериальности факторов, которые могут возникнуть при разных эксплуатационных условиях. Существует методика определения интегрального качества отдельного объекта на основании каких-то факторов или критериев [58]. При рассмотрении автомобиля можно выделить группы элементов, которые будут подвергнуты интегральному анализу на основании определенных признаков. Допустим, необходимо рассмотреть социальный уровень определенного класса автомобиля и его типов, тогда требуется выделить какие-то критерии (признаки) на основании социума. Например, для конкретного региона, признаки могут быть такими: количественная концентрация автомобиля определенного класса, род деятельности населения, уровень жизни (материальный) и еще можно допустить психологическое восприятие автомобиля. Конечно, оценить какое-либо транспортное средство с учетом психологической оценки весьма сложно и неоднозначно. Род деятельности населения можно характеризовать так, что часть людей ездит на автомобиле только по тем причинам, когда необходимо просто быстро перемещаться по делам, на работу, на отдых, ездить в загородные поездки или же возить различный груз.
Компьютерный процесс преобразования одной модели кузова легкового автомобиля в другую с учетом технологии компьютерного построения деталей для различных расчетов и анализов средствами САЕ на примере автомобиля марки «ИЖ»
Модельный ряд кузовов легкового автомобиля определяется от базовой модификации, когда проектирование гаммы кузовов осуществляется в соответствии с алгоритмом, показанном на рис. 41.
На основании главы 2 данной диссертации формируется очертание формы легкового автомобиля с учетом антропометрических данных человека, когда имеются нормативные требования по эргономике. Рациональный подход в работе с большой формой заключается в построении продольных и осевых направляющих, являющихся контрольными определителями необходимых координат и установочных размеров в системе построения. Корректный ход в работе - это определение установочного основания, которое задается с привязкой к сопутствующим деталям кузова.
На рис. 43 упрощенно представлен достаточный минимум крупных деталей основания кузова легкового автомобиля. Изображение на рис. 43 только определяет условия современного проектирования с применением компьютерной техники. Такой подход к компьютерному проектированию определяет перспективные предложения по кардинальному изменению автомобиля, когда инварианты формы будут образовываться на общей базе. Возможности представления геометрии формы (контроль точности) в 3D пространстве индивидуальны для каждого случая проектирования. В работе над общим очертанием формы легкового автомобиля задаются нормативные ограничения средствами построения модели в ЗБ-редакторе, но эти ограничения могут быть пересмотрены с изменением ГОСТа. Предлагаемый метод проектирования базируется на общем основании кузова (подобие рамы) для всех типов кузовов легковых автомобилей: седан, хетчбек, универсал, пикап и фургон. Поэтому правильная форма основания организовывается с определением общего габарита Hi, когда размер салона Нс задается с учетом антропометрических данных стандартного человека, а размеры пола багажного отсека Нб определяются на основании условий эксплуатации, а габарит моторного отсека Нм выбирается за счет размеров устанавливаемого двигателя, ходовых узлов автомобиля, а ширина Loa формируется от ширины двух рядом сидящих человек (рис. 44). Для того чтобы система «АВТОМОБИЛЬ» работала корректно в условиях эксплуатации, основание должно быть рассчитано на динамические нагрузки средствами САЕ, когда комплексы программ CAD позволяют постоянно корректировать форму несущей конструкции. Современные средства САЕ представляют возможность обозначить требуемую совокупность крупных кузовных деталей в сборке с основанием несущей конструкции. Это своего рода назначение требуемого очертания формы автомобиля в пределах общих габаритов. Требуемое очертание формируется с учетом формы двигателя, механизмов и внутренней конструкции.
При системном подходе к проектированию легкового автомобиля от антропометрических данных стандартного человека, требуется обозначить габариты салона и пола основания салона, а далее в зависимости от типа кузова определить колесную базу, когда уже будут известны габариты двигателя, коробки передач, заднего моста и др. На рис. 45 показан автомобиль Иж-2126, где определяются габариты и параметры основания кузова (передняя, средняя, задняя части условно), когда общая длина автомобиля устанавливается от основания, где не включаются бампера для определения всей длины. В определении компоновки также необходимы точки, определяющие габариты салона (рис. 45), задаваемые от антропометрических данных человека. На текущем этапе проектных работ надо заложить фронтальную обзорность водителя при разном наклоне посадочного места и высоты подушки сидения.
Автомобиль Иж-2126 проектировался с условием получения габаритных размеров при классической компоновке, соизмеримых с переднеприводной схемой при поперечном расположении двигателя.
