摘要
世界电动汽车设计面临着意义深远的发展。这些车辆的动力来源于充电电池，可以大大减少大城市的污染。如今，一辆汽车的造型在市场中非常重要，它代表了汽车的理念和品质。造型需要提前定义汽车的一般尺寸参数和布局。计算机辅助技术开发支持系统设计过程的e-240，在佩特雷大学发展起来的一个2400毫米长的微型电动汽车。
介绍
预计在不久的将来电动车的使用对于改善市区空气质量有着重大贡献。这种大规模的引进是技术上可行、 社会上可接受的。对于与集约化道路交通挤塞、 稀缺的空间的使用以及道路安全倡导的新的综合运输理念相关联的其他非环保问题的解决方案主要基于客运方面，更均衡比例的私人与公共汽车的使用以及公共交通设施等。在这种运输系统内，促进电动汽车的引入必须以这样一种方式来设计从而执行特定的任务,它们需要合适的定制,并且考虑现有的技术局限。虽然公众的爱好和心态的变化是必要的，但预计电动汽车将专用于城市交通中，因此在充足碰撞长度所允许的最小尺寸下，他们可能只有两个座位。
电动汽车不仅是概念车，但它们将成为未来汽车的一部分。当然，电动汽车的成本是无法与汽车的成本相比的。热车的使用超过了100年，因此他们已经还清了开发成本。与电动汽车连接的技术问题，也有望在不久的将来由于研发投资的增加而得以解决。如今全球汽车业正通过许多新技术的融合,尤其是在先进材料,计算机辅助设计和制造方面以可怕的速度精炼汽车设计，这些都强化了新的制造营销策略和创新的公共政策。在电动车的这种情况下，一些新的内容必须集成在设计过程中如车身设计、汽车、微电子、电力电子、电力存储设备、能源管理软件等。
如今，汽车造型是非常重要的，对于用户来说它代表了汽车的理念和个性。造型一开始考虑的是项目的整体要求。这些都是由不同的因素决定的，并且这些因素将会随着市场需求和技术的改进而变化。此外，生理和心理要求，安全性，材料选择，经济因素，公众口味的变化趋势，使汽车造型在哲学和科学之间有着微妙平衡。虽然汽车制造商和设计人员已经为汽车设计制定了适当的工具，但在大多数情况下这些工具包括软件在内，都是复杂的以及昂贵的，甚至是专有的。
工程设计是一个创造性的过程,或者可以说它对于设计者来讲就是一个灵感的爆发。然而,自亚里士多德和亚历山大英雄以来,知识在工程设计中已被确认是经验。此外这种经验知识,可以进一步增强,换句话说,知识的应用来源于通过对自然科学的数学处理。后者并不是毕达哥拉斯哲学意义上的,也就是说,数字构成了基本知识,在某种意义上,数学是一种基于观察和实验的量化的、系统化的经验知识。
工程设计通过几千年的发展在直观的应用经验和数学模型之间已经产生了动态平衡。古代工程师在自然科学,数学和庞大的数值计算应用方面所获得的成就绝不亚于当代工程师。例如,通常不同规格的大批量生产制造的产品符合 “里纳德系列”规律,也就是说,每个规格是前面一个乘以10的开方,n的范围通常选择在2到10之间。大约在公元前1500年，在西方亚克罗提利家(席拉的爱琴海岛屿)发现了标准化平衡重量的大小。密切符合里纳德7系列(n = 7),而罗马铅管的尺寸几乎完全符合里纳德7系列!
直到亚历山大大帝时代,我们才有了由亚历山大的工程师(克特西比乌斯,菲罗和西罗)和维特鲁威所描述的第一个数学设计方程表达式与大量的直观的设计规则。工业和科学革命的到来之前，这些规则一直沿用了1500多年。
随着连续介质力学的出现，16-l9th世纪的机械大师们使得广泛的数学实践经验知识与工程设计的融合成为可能。虽然连续介质力学与自爱奥尼亚时代以来的哲学家(如阿那克萨哥拉和赫拉克利特)所认同的知识离散问题的本质明显不同,但其在工程设计知识、自然科学和工程学的数字化发展仍发挥了不可磨灭的作用。
近年来,数字计算机的出现给工程设计带来了巨大的影响，打破了毕达哥拉斯的概念中不可能存在的不可公度性:现在很难找到不能完全描述一个工程设计的努力的数学术语,甚至直觉真理。
工程设计最终的哲学问题是我们达到优于其他任何设计的极限设计的能力。我们非常肯定远离大自然的一个精确的数学描述,有很多数学游戏显示的不可能的任务。这直接影响到工程设计,我们所有的数学描述是基于工程设计,通常为天然物质,几何假设、属性和服务条件。但是基于我们的经验急于否认未来可能性的极限设计是非常危险的，最近的一些进展超过了许多不可能的预测,例如,国际象棋的游戏中机器击败了人类选手。
工程设计满足人的实际需要,是人类表达自己和他的感情交流的艺术需求。另一方面,艺术的工程构件和工作在形式上有一些重要的共同点。事实上有人说他们的分界线是在工程设计中有一个“方法”证据确凿的过程,如果跟着设计师,那么就会有一个 “好”的产品。
这种方法显然不存在于美术中。这种说法只是部分正确。有用来管理工程设计产品的设计形式的一些方法和程序,但没有(至少没有像)可用于表单的详细设计的方法和程序。很容易证明:同样的产品的制造商,例如中型客车,手头有相同的程序和方法、材料、分析方法、数学计算机程序等等,但是，为什么所有的中型客车不是完全相同的?答案在于不同的制造商的直观的事实真相是不一样的。 直觉真理并非都是基于经验,因此即使两位设计师可能有相同的经验,他们直观的真理也不会相同。用粗糙的方式来定人才就是拥有能够从其他直观的真理,合成相关的或不相关的直观真理的能力。因此经验和人才导致了具体的工程设计决策中的差异,即使是管理决策也(应该)是基于经验和人才。这就是为什么工程设计与艺术有许多实质性的重叠。作者相信在未来工程设计不能完全机械自动化。
汽车设计需要来自各个领域的专家的合作。各界专家的贡献及其集成对于设计是的成功必要的。汽车设计巩固了自己的组成模型的创建方法、原型和测试,这些有时对设计有直接影响。这种类型的设计在不断发展。汽车设计和制造的技术在慢慢过时，必须要不断地更新。现在,大多数的大型汽车制造商都销售电动汽车,并且他们拥有原型和小测试车队。一些小的汽车制造商或分包商也出售电动汽车。
大多数电动汽车至少在生产时是安全的,并且大规模生产时他们的成本具有可比性。但是,我们往往为了降低成本而忽略了详细设计。基于上述条件, ,为了支持小型企业或研究机构成功的第一步，对未来的电动汽车进行功能设计是必要的。
1990年在佩特雷大学启动了一个小型双座城市电动汽车项目。这次尝试的目的是利用必要的设计工具的进步来融合小型城市电动汽车的设计与现代车体。目标是建立一个集功能、好看、成本以及技术可行性于一体的小型电动汽车。
图1 设计师的城市电动车手绘草图
设计项目
“造型”和“造型师”这两个词在今天已经非常常见,虽然造型的艺术已经存在了很久。列奥纳多·达·芬奇(1452 - 1519)伟大的艺术设计家,成功地将纯艺术与科学相结合,成为现代造型的创始人。工业革命开启了工业设计和与之关联的造型设计。然而,它的专业术语的通用时间并不长, 在1920年代早期，它才被引入汽车工业用以区分其视觉和机械设计师,并一直留存至今。
Figure 2. Closed body
图2 闭式车身
从造型入手，结合项目的基本要求，对于电动汽车的设计，初步调查确定，该车应满足以下要求：
bull; 拥有2名乘客的舒适空间。
bull; 外形尺寸小。
bull; 结构简单和轻便。
bull; 机械零件已存在于现有载客汽车
bull; 充分的安全性，主动安全性和被动安全性。
bull; 可靠性和低维修。
bull; 生产成本低。
bull; 车身设计灵活，容易适应不同的用途。
Figure 3. Open body
图3 敞式车身
上述要求结合手工操作和电子部分,给如图1 、图2和图3所示的手绘图留点空间。从手绘图的各种形式和造型,最后,研究了如图4所示视觉效果,用精炼的细节确保他们的物理相容性。E - 240的设计在保护电动车的现代观念的情况下并不一定采用了创新的处理形式,。这个任务是为了促进复合材料车身构造中的使用。在创意和正式定义阶段的项目不同的解决方案都考虑到了。室内人机工程学研究以及电控和机械布置方面显示“单卷”的概念设计是可行的。
图4 外观的视觉形式
一个典型的批量生产的汽车在城市道路上行驶,三分之一的电力提供给轮子来刹车,三分之一的电力消耗在空气中,剩下的三分之一电力被轮胎和道路所消耗。在高速公路上开车,空气阻力是速度的平方上升的,成为占据主导地位的60 - 70%的轮周功率。因此,电动汽车的改进包括减少车重、空气阻力、轮胎滚动阻力以及轴承的摩擦；提高电动机的效率和控制电子产品以及再生制动。空气阻力与阻力系数Cd与迎风面积A的乘积成正比。设计师的主要任务之一就是减小Cd与A值。当汽车的底部与顶部一样光滑时，它的Cd值最小。
体积大的汽车比体积小的汽车更容易获得小的Cd值。因为它有更多的空间来避免其在尾端的不连续,另外好的设计其地面的影响范围为中性到良好的(必须提供足够的地面清除)。另一种空气阻力因素,迎风面积 ,也可以通过更好的包装设计而减小。更紧凑的动力组件允许倾斜的发动机罩,使得能见度增大而减少玻璃的使用,从而减小质量。为减小空气阻力规定使用现有的技术,如:优化前发动机罩和侧裙下方的气流,平滑的窗户,粘结挡风玻璃、后窗和侧窗,并使用前后扰流板,同时让底部尽可能光滑。
内饰设计
图5和6显示了汽车设计的典型内室尺寸范围和驾驶员的座位配置。为了设计内饰主要尺寸开发了一种计算机辅助设计算法。快速基本程序用于与设计师讨论汽车设计过程中的主要尺寸的选择,例如,轴距,总长度,高度,宽度,和其他必要尺寸。程序提供了大量帮助汽车设计的一般过程和推荐方法,以及关键尺寸标注点即座位参考点(SRP),髋关节点(H点)等。
图5 内室主要尺寸参数
图6 司机座椅结构
一组值一旦确定就会保存在数据库中,可用于以后项目。屏幕转换之前选择的初始尺寸DXF文件中出现，如图7所示。引入设计师的主要尺寸后,程序决定汽车的基本机械部件的位置,并创建一个DXF图形文件。
图7 工作环境与全屏编辑器
这个文件可以读取,因此它可以通过大多数绘图包复制在屏幕上。图纸库包含车轮、地板、保险杠、挡风玻璃、方向盘和乘客的身体人体模型。绘图包中插入适当的DXF文件并使用DXFIN命令选择一个新的图纸,用户创建了汽车布局的第一种方法。图8显示了四座车一般情况下的结果。
在图纸数据库也有电机、传动箱和电池。这些元素可以由用户手动插入他们的期望的位置,此外,比例如图9所示,电机和控制器放置在前面,电池在车的前后部。
图8 室内间隔排列的第一种方法
从DXF文件和机械部件图纸库整合信息是获得汽车的内室可居住尺寸的第一种方法。同时,评估主要机电组件的安排，可能会引入主尺寸的修改,这意味着创建一个新的DXF文件。如图9所示,汽车的初始总长度减少形成掀背车,和发动机和传动系统都有确定的位置。这种技术可以帮助设计汽车室内隔间。
图9 机电组件的布置
在这个阶段,设计者对项目的可行性有一个概述。所有乘客的基本组件,机械和电气部分,挡风玻璃,保险杠,地板——都有相应的位置。设计师因为修改关于电池和机械部件的定位这个操作可以在屏幕上实现手动修改而变得很容易。确定所需的布局后,使用的DXF文件包含基本的点坐标,必须用于汽车的三维图纸。车身的三视图必须适应设计师从现有的DXF文件和如图10所示的三视图。这些图纸将给出可行性建议,以此作为基础建立车身的线框模型。
图10 投影图
图11所示是线框模型。完成后的线框模型之后，“边界曲面”命令是用于产生表面模型。借助函数绘图软件中的合适的命令可以实现表面的平滑。平滑是优化模型表面质量的必要步骤,并使得车身壁板的制造更容易。
图11 线框图
外形
从设计师的作品中可以看到,如图4, 在绘图软件的帮助下可以完成前视图,侧面和顶部视图。这些图纸是用于生成外观模型,同时, 借助二维成年人体模型检查乘客的空间尺寸的兼容性。外观模型是由聚苯乙烯立方体与聚氨酯混合之后用电线切削成形。之后，在表面涂上油泥后不停的摩擦直到它完全光滑。最后,上色并添加一些附件 ,如镜子、门把手、前后灯、装饰材料和车轮。在模型中间利用特殊的测量设备帮助设计和建立对称模型,图12。
图12 比例画图仪
同理，完成底盘和车身的设计:
- 建立全尺寸油泥模型，图13和14
- 建立用于测试的底盘与开放式钢体车身，图14
图13 E-240全尺寸模型，前视图
小型汽车的设计相比其他车辆的规格，其长度与高度以及宽度尺寸必须协调正常。简单而光滑的线条构成圆润的形状不至于使车看起来像一个立方体。圆形也消除了大而垂直乘客舱给人的呆板感觉。没有棱角之后,几乎所有的汽车设计师呈现给车辆一个活力的印象的趋势。保存“单卷”概念,在整个设计过程中, 急剧向下倾斜的发动机罩和相同的倾斜的挡风玻璃,和置于车体的极端的车轮，都是为了缩短其长度。相当大的尺寸的挡风玻璃能够安装一个雨刷,并且所有的玻璃都是弯曲的。挡风玻璃向前的扩展使得车舱体积的进一步增加。散热器格栅的缺失突出了上面的生活空间。车头灯为两个圆形灯和方向指示灯，紧挨着挡泥板的旁边。在前保险杠的下面,整流罩下面一点,有两个水平缝隙给电动机和前面的电池通风,同时安装充电扩展电缆。
图14 E-240全尺寸模型，后视图
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ABSTRACT
Design of electric cars faces a significant growth all over the world. Powered by rechargeable batteries these vehicles can contribute significantly to the reduction of the big cities pollution. The shape of a vehicle in our times is of major importance for the market and it represents the cars philosophy and character. Styling requires the definition of the general dimensions and layout of the car in advance. Computer aided techniques were developed to support a systematic design process of E-240, a 2400 mm long electric mini-car, developed at the University of Patras.
INTRODUCTION
It is expected that the use of electric vehicles shall have a significant contribution to the improvement of air quality in urban areas in the very near future. Such a large scale introduction is both technically feasible and socially acceptable. For the solution of other, non-environmental problems associated with intensive road traffic, such as congestion, the use of scarce space, and road safety advocate the design of new and integrated transportation concepts, which owe to be based, for passenger transport, on a more balanced ratio of private as well as public vehicles use, public transportation facilities etc. Within such transportation systems, to facilitate the introduction of electric vehicles these have to be designed in such a way to perform specific tasks, for which they are suitably tailored, and considering the existing technical limitations. Although the change of the public preferences and mentality is necessary, it is expected that electric cars will be used in the city traffic exclusively, and possibly they will have only two seats, with the smallest dimensions permitted by ample crash length.
Electric vehicles are not just concept cars, but they are going to become part of the cars of the future. Of course, the cost of an electric car cant be compared with the cost of a thermal vehicle. Thermal vehicles are in use for over 100 years, and therefore they have already paid-off development cost. The technological problems which are connected to the electric vehicles are expected to be solved in the near future because of the increasing investments for Ramp;D. The global auto industry is today refining car design with terrifying speed, by the fusion of many new technologies, notably in advanced materials, computer - aided design and manufacturing, all reinforced by new manufacturing and marketing strategies and innovative public policies. In the case of electric cars, new aspects must be integrated in the design process such as body design, motors, microelectronics, power electronics, electric storage devices, energy management software etc.
The shape of a vehicle in our times is of major importance for the customer and it represents the cars philosophy and character. Styling begins by considering the fundamental overall requirements of the project. These are determined from different factors which tend to change throughout the years, and are dictated by market demands and improved techniques. Besides, physiological and psychological requirements, safety, materials selection, economic factors, and the changing trends of public taste, make styling a delicate balance between philosophy and science. Although car manufacturers and designers have devised the appropriate tools for car design, in most cases these tools, including the software, are sophisticated, expensive and in general proprietary.
Engineering design is a creative process and one is tempted to say that it appears to the designer by revelation. Since the times of Aristotle and Hero of Alexandria, however, knowledge in engineering design has been identified to be empirical in nature while such empirical knowledge can be further enhanced by reason, in other words by the application of the knowledge gained by natural science through mathematical processing. The latter is thought not in the Pythagorean sense, that is, numbers constitute the fundamental knowledge, but in the sense that mathematics is a means to quantify and organize empirical knowledge based on observation and experimentation.
Engineering design has evolved over the millennia having an ever changing balance between intuitive application of experience and mathematical modeling of it. Ancient engineers could obtain results that are comparable with the contemporary ones obtained with the application of natural science, mathematics and intense numerical computation. As an example, sizes of mass-produced manufacturing products usually conform to the so-called “Renard Series”, that is, each size is the previous one multiplied by the n-th root of 10, n usually selected in the range 2 to 10. It was found that the sizes of standardized balance weights found in the West House of Acrotiri (in the Aegean island of Thera) of about 1500 BC. closely conform to the Renard 7 series (n = 7) while the sizes of Roman lead pipes conform almost exactly to the same Renard 7 series!
By the Alexandrian times, we have the first mathematical expressions for design equations in parallel with a substantial number of intuitive design rules described by the Alexandian Engineers (Ctesibius, Philo and Hero) and Vitruvius. These rules were followed very closely for more than 1,500 years until the days of the industrial and the scientific revolutions.
Extensive mathematical implementation of the empirical knowledge related with engineering design was made possible with the advent of continuum mechanics of the great mechanicians of the 16-l9th centuries. Though in clear contrast to the knowledge of the discrete nature of matter, even since the time of the Ionian philosophers (such as Anaxagoras and Heraclitus), continuum mechanics played an important role in the mathematical development of the engineering design knowledge, together with natural science and engineering.
In recent times, the advent of digital computers brings
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