18
VEHICLE FUNCTIONS
18.1 SYSTEM DESIGN
The goal of a system approach to vehicle design is to define the technical specifi- cations of each component, in such a way that the vehicle, as a whole, performs its functions according to assigned procedures and objectives.
By technical specifications, we mean a set of physical measurements that define each part, completely without the use of detailed drawings.
The system approach to design allows project, even the most elaborate one, to be carried out by assigning activities to teams working in parallel, each with comprehensible objectives that can be checked autonomously, and finalized to the overall performance of the vehicle. The system approach also allows a project to be developed, using standard components produced by suppliers, these com- ponents being developed for the purpose or chosen from a catalogue.
Finally, the system design is the initial phase of each project, when the feasibility of reaching the assigned targets is verified; this phase is usually called a feasibility study . The technical specifications of the main components are part of the concept documentation.
In the continuation of this section we will try to explain how to assign and measure overall vehicle performance and functions.
Unfortunately, performance and functions cannot be defined absolutely, be- cause they are conditioned by the customerrsquo;s expectations of the product he will buy, and these expectations depend on both objective and subjective parame- ters. Nor would we forget that these expectations are conditioned by product alternatives existing on the market when the product will be sold, alternatives which are usually unknown when the project is launched.
- Genta, L. Morello, The Automotive Chassis, Volume 2: System Design, 33
Mechanical Engineering Series,
Qc Springer Science Business Media B.V. 2009
Let us consider the climate system as an example.
Some functions of primary importance are easily identified.
We can assume that the objective of the climate system is to allow the pas- senger compartment to reach the assigned comfort temperature in a given time, notwithstanding the existing outside temperature. In reality, this time (cool- down or warm-up time) is only an approximate parameter; we would not want ideal comfort temperatures to be reached too quickly, causing passenger discom- fort due to too strong a flow of air on the skin or high temperature gradients in the air.
Heat flux on passengers appears to be a matter of judgement, further com- plicating our understanding of the phenomenon.
In a luxury car, it might be mandatory to obtain comfort conditions au- tomatically, requiring the passenger to adjust temperature control only. A few years ago it would have been a wild guess to design a multi-zone climate system for medium or small cars. Nevertheless this feature is beginning to appear in these cars and could became standard in the near future; when such system were designed, they may have seemed waste of time and money.
On next generation medium cars, automatic outside odor abatement could become indispensable. The abatement efficiency of various odorous reference substances should therefore be defined and measured.
In this connection, it should be remembered that too ambitious a specifica- tion could increase the product cost in ways that could prove to be unrecoverable in the final price.
Likewise, there are other functions that, although of secondary importance, cannot be neglected and, sometimes, impact other systems. They could be de- signed, for example, with goals like these:
-
- to reduce fuel consumption due to the climate system to a minimum;
- to reduce to a minimum the power required to the engine, especially during sudden acceleration;
- to minimize the noise of air flux into the passenger compartment;
- to control humidity, so as not to fog the windshield or side windows, etc.
Thus we see that in an apparently simple case, it can be very difficult to identify functions and specifications and that this identification should be done only after a careful study of customer expectations, which are in part a priori and in part depend on the competitorrsquo;s products.
It is also difficult to define the boundaries of the climate system, or to identify which components influence the climate system by their behavior.
As a matter of fact, in a traditional approach, the climate system would be limited to:
-
- the heat exchange group, including the heater and the evaporator, the air channels and nozzles that direct the conditioned air to the passenger compartment, a part of the body system;
- the compressor, a part of the engine system;
- the electronic control box, a part of the electric system.
But, if we try to improve our control over climate system functions, this list should be expanded to include, for example, windows and windshield, responsible for an important part of the radiated heat; door panels, responsible for part of the transmitted heat; seats, as they influence human body heat exchange; and gearbox transmission ratios for their influence on engine warm-up.
The boundaries of the technical specification influencing certain function are wide and exceed the boundaries of the components dedicated to this function.
We suggest that a correct approach to system design should include, at least, the following steps.
- To define the functions performed by the system.
- To define the parameters that best measure those functions and the target values they should reach to obtain customer satisfaction.
-
To define which components are part of the system, because they influence the achievement of the target values.<!--
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18车辆功能
18.1系统设计
车辆设计系统方法的目标是定义各组件的技术规范，这样车辆就可以根据分配程序和目标作为一个整体来执行其功能。
所谓技术规范就是指一组完全无需使用详细图纸就可以定义每个组件的物理测量方式。
这个车辆设计系统方法甚至可以用来设计最复杂的项目，它给并行的工作小组分配任务，每个小组都有详细目标，可以自主地进行检查，然后就可以最终确定该车辆的整体性能。这个方法还可以利用供应商生产的标准组件进行项目开发，这些待开发组件从目录中选择。
最后，系统设计是各个项目的初始阶段，用于验证所分配任务目标的可行性，这个阶段通常被称为可行性研究。概念文档要包括主要组件的技术规范。
本节我们将试着解释如何分配和测量车辆的整体性能和功能。
但不能对性能和功能进行绝对限定，因为它们受顾客对所购产品的期望限制，而这些期望取决于客观和主观因素，受市场出售产品的现有替代品所影响，而项目启动时替代品通常是未知的。
以空调系统为例。
一些主要功能很容易被识别。
我们可以假设空调系统的目的是使乘客车厢在不管车外气温情况下，于给定时间内到达要求的舒适温度，而实际上（降温或预热）时间是唯一一个近似参数；我们不希望因过快达到理想舒适温度造成的强烈气流或高温梯度而引起乘客的不适。
乘客热通量需要判断，这使认识这些现象变得更加复杂。
豪华汽车可能强制性自动达到舒适度，而只要求乘客进行温度控制。几年前想要设计中小型汽车的多温区空调系统都还只是胡乱猜测，然而在不久的将来，这种日益发展的设计可能会成为标准设计。而过去这样的系统只会被认为是浪费时间和金钱。
下一代中型车将必备自动除味系统，因此应界定和测量各种恶臭参考物的清除效率。
但必须记住范围太大的规范反而会提高产品成本，并且最终定价是不可逆的。
同样地，一些其他次要的功能不可忽视，这些功能有时会影响其他系统。例如，这些功能的目的是：
bull;把空调系统油耗降到最低；
bull;把突然加速时发动机功率减少到所需最小；
bull;减少气流进入乘客车厢的噪声；
bull;控制湿度，以免挡风玻璃或侧窗等起雾。
因此我们发现，特别简单的情况下很难识别系统功能和技术规格，而且这种识别必须在对顾客期望进行仔细研究后进行，一部分进行事前识别，一部分取决于竞争对手的产品。
我们很难定义空调系统的边界，或者说很难定义哪些组件可以通过行使其功能影响空调系统lsquo;
事实上传统方法的空调系统将限于：
bull;热交换组，包括加热器和蒸发器，可引导已经调整处理的空气进入乘客车厢的气管，主体系统的一部分；
bull;压缩机，发动机系统的一部分；
bull;电子控制箱，电气系统的一部分。
但是如果我们想要加强对空调系统功能的控制，这个名单应扩大到包括，例如，窗户和挡风玻璃——负责辐射热；门板——负责部分热量传递；座位——影响人体热量交换；发动机传动比——影响变速箱的预热等。
影响某些功能的技术规范界限较宽，超过了功能专用的元件界限。
我们认为正确的系统设计方法至少应包括以下步骤。
1. 定义由系统执行的功能；
2. 定义衡量这些功能的最佳参数，应达到客户满意度目标值；
3. 定义哪些组件是系统的一部分，因为这些组件影响到目标值的实现；
4. 如果识别其它系统功能的话，与第1点的系统功能进行比较；
5. 每个组件建立一套与系统功能目标值一致的技术规范。
因此系统工程意味着对那些归于不同汽车工程学科的组件，而这些空调系统的组件不仅是主体系统的一部分，还是动力传动系统和电气系统的一部分，这些组件通常位于汽车的不同子系统集成。
我们将在本书中研究的底盘系统的设计是相似的，例如我们会研究汽车的动态性能——这里的一个主要因素就是汽车的最高时速。谈到正确系统方法，我们不仅把传动装置作为底盘组成部分来研究，还研究发动机规格（动力传动系统的一部分）和气动阻力（主体系统的一部分）。
如果根据性质来说，工程科目都是交叉学科，那么系统工程必须同样超过其个体对象的界线。
另一方面一种传统拓扑方式根据三个主要的子系统对车辆进行了分类和研究。
bull;底盘作为专用于车辆道路控制的部件组，包括如传动装置、悬吊系统、制动器、车轮和转向装置等，这些组件都有自己专用的支撑结构。
bull;动力传动系统作为专用于牵引发电的部件组，包括如引擎、燃料供给和进气排气设备
bull;主体系统作为支撑其他所有组件的结构，这些组件包括客舱和有效载荷舱。
本书专门研究底盘系统设计，将会考虑所有底盘必需功能，同时也会研究单独的功能，如动态性能；我们还将考虑引擎和主体系统的一些方面。自动系统控制方面我们将考虑一些与电动车辆和电子系统有关的问题。
系统设计必然是粗糙的，因为它仅研究包括在系统内组件的基线规范，相同部件的设计细节留给各自的专家。
这种方法不仅对工程师有用，对所有参与了新车开发过程的人也有用。
18.1.1 客户感知功能
我们应以汽车为特别参照来考虑车辆的所有功能。
车辆功能可以根据车辆性能客户率分类定义。
完整功能包括以下方面，这些功能将来可能扩大：
bull;外观
bull;可用空间
bull;工效学
bull;气候舒适性
bull;动态舒适性
bull;动态性能
bull;操作
bull;安全
bull;耐老化。
每个功能可以通过一组定性定量的特定要求进行说明，车辆必须具备这些属性来正确地执行各功能，我们马上对这些要求进行描述。
首先要说的功能（不按照优先级排列）是外观，也就是吸引客户的能力。虽然有些方面如涉及车体的形状、体积、材料和细节方面的有关要求超出了范围，我们仍然要提出来。
底盘功能作用很小，但不可忽略，它包括轮胎和车轮尺寸、部分汽车外观，其中引擎也可以通过机盖或机盖形状和通风口的适当布局起作用。
从设计师角度来看，宽敞的空间或者空间的使用都很重要，因为这可以体现运载人员和货物的首要目标。
客户对于他们感兴趣的汽车类型不想要无限的空间，重要的是合理地使用有限的空间，汽车零部件的扩展空间根本做不到这一点，组件布局应设计为尽可能限制所有对乘坐室的扩张，这就解释了为什么我们在第一卷中花了大量时间研究传动装置和悬吊系统。
其他重要要求也取决于机身设计，如广阔空间及其对小物件的可用性。另一个重要要求是适应性（可倾斜或座位可移动），以使客户能够改变汽车内部来适应不同的交通需求。
汽车工效可以被定义为减少使用汽车时给定操作所需的物理活性的能力。我们通常将驾驶汽车的快感即客户驾驶时产生的许多感觉包括其中。
此功能的要求仍然涉及车体，包括：
bull;司机和乘客方便上下车，开关车门、杂物箱、发动机罩和行李箱等
bull;便于以最小范围识别和达到最重要的控制;
bull;驾驶姿势的舒适性;
bull;便于装卸运输货物。
底盘设计主要受到诸如方向盘、换档杆、离合器及刹车踏板等汽车控制组件规定的要求所影响，这些组件与操作力、控制点和操作感知有关。实际上，任何控制行为除了接收最简单的输入，还给予反馈来告知驾驶员如何正确操作。
我们的例子对气候舒适性作出了评价，这种情况下，相关要求也对车身设计和部分发动机功能有影响。
我们通过外部（路面和其它车辆）和内部（引擎运行和组件振动）抑制噪音和振动滋扰对动态舒适功能进行评价。
相关要求几乎涉及所有的车辆组件，因为它们都是噪声来源和类似干扰的潜在发射器。
噪音和振动中包含了对驾驶员和乘客都有用的信息，因为主动噪声抑制经验表明一辆完全无声无振动的车可能有危险。此外，一些噪声是特殊车型特有的，如跑车。
我们的目标不是完全抑制而是使声环境符合客户的期望。
组件振动过滤通常被分配到主体系统，而过滤来自路面的噪音和振动通常被分配到车轮和悬挂系统。
过滤动力传动系统噪声（发动机运转）包括动力传动系统的悬挂系统以及进气和排气系统。
振动的任何潜在来源都不一定是平衡的。
动态性能功能包括很容易衡量的需求，如最高时速、爬坡能力、加速和回升。比较有意义但难以评估的要求是驾驶性能和燃油经济性。
要求包括从引擎到车体的所有底盘组件，即一般情况下，就是整个车辆。
操作功能通常被定义为改变车速或轨迹时车辆跟踪控制器输入的能力，这些控制器包括方向盘、制动器和加速器的独立或组合操作。
操作功能要求不仅包括悬挂系统、轮胎、转向装置和刹车，还包括引擎和传动装置。惯性（质量和动量）的整体性能对这一功能至关重要。
安全功能通常分为三种方式：
1.预防性安全功能，诸如车辆不断矫正机动驾驶员操作的能力。这一类的典型例子不仅包括外部能见度、主仪表（即速度计，外温度计等）能见度，还包括汽车内饰变化；
2.主动性安全功能，诸如车辆在避免障碍或危险的情况下即时稳定有效地对驾驶员操作作出回应的能力；
3.被动性安全功能，诸如车辆遇见不可避免的碰撞时限制碰撞对车上乘员、行人或其他汽车的乘客伤害的严重程度。
根据定义，安全是不可能绝对的，但应根据统计相关的情况提出要求，我们这种方法的一个重要组成部分是认证要求和厂家技术政策。最近还在被动性安全类别中添加了低速碰撞维修成本限制。
安全性包括所有主要汽车零部件，尤其是车体的预防性（内外可见度，灯）和被动性安全（结构、被动和主动防护系统、组件布局设计、面辅料和精加工）。
底盘必须符合悬挂系统、制动器和轮胎所有主动性和被动性安全性能要求，如碰撞导致的乘座室凹陷。
就碰撞后燃油泄漏和随之而来的火灾隐患而言，被动性安全包括引擎系统。
耐老化功能是指车辆系统和组件功能保持不变或在可接受限度内老化时限制自身毁坏的能力，此功能要求可靠性。耐老化功能包括所有车辆组件及所有底盘组件。
18.1.2技术规格
车辆的每个功能可通过一整套衡量的要求进行描述，遵守这些要求可保证客户满意。
这些要求决定了所有组件的技术规范。
任何零件或组件都可能完全由工程图纸定义给出所有相关的几何尺寸和材料。实际上复杂组件的详细知识与汽车制造商风马牛不相及，因为这些制造商对性能比对规格更感兴趣。非常详细的图纸也不总是能保证所需性能完全达标，许多情况下汽车制造商缺乏技术来了解复杂的细节。
只要给出全球性综合信息，就可以解决技术规格这个问题，因此有必要对特定组件指定相关系统功能。技术规范应该包括：
bull;组件对什么物理性能提出要求；
bull;什么条件下必须测量这些属性；
bull;什么值（允许容差）必须获得所需系统性能。
这些用简单图纸描述的技术规格是管理汽车和组件制造商之间的关系非常有用的唯一的技术文件。
组件制造商的立场必然是不同的，因为他必须创建技术文件以便持续生产所需零件。毕竟一些次等轮胎供应商生产的其他零件被集成到最终组件的情况并不少见，因此头等供应商必须利用技术规格优势取胜。
以轮胎为例。
车辆系统利用轮胎表达沿三个方向（垂直，纵向和横向）作用在轮子上的力，轮胎技术规格将首先检查这三个参数。
检查轮胎规格的一种合理方法是确定这些方向和魔术公式系数的最大容差值，把这些值用于车辆实验结果时，可以直接通过数学模型计算或通过这些模型进行解释。
其他规格可以描述轮胎的耐老化性，以某些任务作为参考时胎面磨损值可接受。
垂直弹性和阻尼值接近此规格表。
这些参数的共同特点是：
bull;它们必须与我们希望获得的车辆功能相关联；
bull;它们必须由供应商进行监督，但不需要详细应用知识。
其他特点例如，车辆操作通常不涉及胎面帘线纤维的化学成分，否则供应商就得了解化学成分和系统行为之间的关联。
因此技术规格定义了我们想要获得的性能，但没有定义我们能获得的这种性能的详细信息。
另一方面，规格不应该太肤浅。例如，我们不应该犯提供有关道路耐久性的无参照驾驶条件供应规格和考虑中的代表性行程安排这种错误，好的规格应使供应商自己评估自身努力的结果。
仍然以轮胎为例，显然提供给供应商的技术文件会比那些汽车制造商所使用的技术规格详细得多，供应商都有一套完整的胎面图纸，包括详细尺寸、帘线质地、材料、装置和生产设置等。供应商设计工具将能把这些参数与车辆系统的轮胎性能联系起来，该系统与技术规格几乎完全一致。
一些诸如车体导线的细节——其性能依赖于参考尺寸（直径）和钢厂制造过程，应由规格进行确定，仅包括直径、收率和表面物理性能。
技术规格以简化通用语言描述，允许不同工业组织承担最终制造商和供应商，通过合作以达成同样的目的：最终客户的满意度。
同样的逻辑可以在公司内部有效地应用，特别是汽车制造商可以用这种逻辑整合不同部门。
虽然从头开发每个组件没有概念上的障碍，但作出决定之前阐明组件功能是什么、如何将其量化以及哪些值可以满足客户总是有用的。
用这种方式可以相对简单地管理涉及许多人的复杂活动，根据所涉及的不同方面把每个目标分成一些易测易懂的子目标。
18.1.3底盘系统设计
汽车底盘有助于以下车辆功能：
bull;动态性能;
bull;操作;
bull;驾驶和声学舒适性;
bull;人体工程学;
bull;安全性能。lt;
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