未来的车身讲解

未来的车身

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安徽工业大学机械工程学院

年月日

要求

1.运用本课程所学知识从车身的性能、外形、结构、先进装备及制

造技术等方面对你心目中的未来车身进行详细描述，可借助必要的图表进行描述。

2.必须包括要求1中所有要求内容，重点在于你的理解和评价，而

不是照抄现有课本或网络上的信息。如有大面积与网上雷同文字则视为抄袭，两人报告雷同视为抄袭。

3.独立的封面与目录，封面上注明姓名、学号、成绩栏

4.装订顺序：封面-题目页-报告页

5.提交纸质报告

6.评分要点：①是否包含要求1中的所有内容；②能否准确恰当

运用所学内容阐述主题；③报告完整性、思路是否清晰、文字表达；

7.2015-2016学年第一学期16周上交

目录

一、绪论··································页码

二、未来车身与新型能源·····

·纯电动汽车的车身设计（燃料电池电动汽车）·····

·太阳能汽车·····

三、未来的环境友好型车身材料····

·吸附性车身材料···

·新型内饰材料····

四、智能车身····

·智能玻璃····

·智能安全气囊····

·夜视功能····

·音控技术····

·自动车门···

·主动泊车车身···

·自动导航····

·车辆主动防碰撞控制系统····

五、市场针对性更强更细分市场的未来车身设计···车族化生产··

·模块化生产与模块化套件··

六、结语·····

一、绪论

谈到未来的车身设计，与当今任何关于未来的展望都是分不开的。未来的设计，归根结底是为了尽最大可能的消除和克服现有技术的不足和达到现有设计难以企及的高度。纵观汽车车身设计的发展历史，每一次技术和设计的进展和创新，都是建立在针对现有不足甚至惨痛教训的修改的基础之上。然而车身设计又不同于一般的工程设计，它既是一样严谨科学的工作，又是一件充满艺术感的灵感结晶，这就要求车身的设计要成为想象力创造力与判断力观察力的结合。换言之，未来车身的设计必须是感性和理性的有机结合。

困扰现有汽车的几大难题其实也是影响未来车身设计的几点重要因素。第一，能源消耗问题，在未来能否使汽车成为低能耗或真正成为不依赖非可再生能源的交通工具；第二，环境保护问题，在未来能否使汽车成为低污染甚至自净化的交通工具；第三，更智能的设计，未来汽车能否自主满足不同用户在不同情况下的个性化需求；以上几点，都是与未来车身设计性能、外形、结构、先进装备及制造技术等方面密不可分的。第四，在车身设计时应考虑未来城市中人口密度更加大，泊车难度更加高，人均汽车保有量越来越大的情况，充分细分市场，在车身设计时做到车族化，模块化，满足不同情况的需要。

本文将就以上几方面做详细论述。

二、未来车身与新型能源

自20世纪70年代后，随着石油危机的加剧，各大汽车商家在尽可能地降低内燃机汽车的燃油消耗的同时，都在不遗余力的发展混合动力汽车和新能源汽车。混合动力主要有油电混合与混合燃料两种形式，这两种汽车在车身设计上与传统内燃机汽车并无不同，未来的发展趋势也无非是延续当前的趋势，着力降低风阻系数，减轻重量的同时提高强度与刚度等等。然而我认为，混合动力汽车仅仅是在技术上的过度产品，是为了真正的新能源汽车准备性与试验性产品，最终的趋势还是完全由新能源汽车替代现有的传统能源汽车。新能源汽车可分为以下两种，纯电动汽车（燃料电池电动汽车）、太阳能汽车。以下分别作这两种新能源汽车车身设计的展望和描述。

2.1纯电动汽车的车身设计（燃料电池电动汽车）

电曾经被认为是汽车的未来动力，但蓄电池漫长的充电时间和重量使得人们渐渐对它兴味索然。而目前的电与汽油合用的混合动力车只能暂时性地缓解能源危机，只能减少但无法摆脱对石油的依赖。这个时候，氢动力燃料电池的出现，

犹如再造了一艘诺亚方舟，让人们从危机中看到希望。

电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把纯电动汽车机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。

在我看来，电动汽车车身设计最大的特点应该是基于它的主要使用功能和用途，在近未来，电动汽车无论从动力上还是能源补给上都还很难做到高速长距离旅行，所以着眼点应是城市工况，低速，便于充电。因此，不同于传统燃料轿车，电动汽车不应过分追求低风阻系数，而是保证一定风阻系数的情况下尽可能地优化车身与空间布置，电动汽车上最重要也是最独特的部件是高性能蓄电池和电动机，总体布置大致如此：蓄电池——电流——电力调节器——电动机——电传动系统（如下图中所示，可以大幅节省车内空间和缩短长度以及提高传动效率，在电动汽车中比机械传动有着得天独厚的优势——即为不需要转化机械能为电能即可直接从蓄电池中获得电能。）——驱动汽车行驶

由于电动机和蓄电池的布置可以比内燃机动力总成的布置紧凑很多，因此选择后置后驱或者中置后驱的布置会比较合理，一是载荷会较多的分配在后轴上，有利于动力性的发挥，并且不会像内燃机后置一样过分占据载客体积，还可以优化线路布置，缩短轴距，利于城市中空间不足的情况下并线，掉头，泊车时的操控灵活性，也利于节省停车占用的空间。下面两组图片分别为燃料电池汽车和纯电动汽车的总布置图

而汽车前部可作为行李箱。汽车的安全性将采用新的理念去设计，即主动防撞系统，由于高性能电池（镍氢电池或高性能燃料电池）的应用，各种大功率传感器都可以被应用在轿车上，所有的车都可以实现低成本安装如雷达、激光探测、车联网这些东西，那么车跟车、车或物体之间用传感器实现互相一直交流，在有碰撞危险时车辆就会做出主动反应，或转向或减速，以避免碰撞。由于主动防撞系统的存在以及主要城市低速工况下的情况，车身只需在几个主要部分采用框架结构即可（如下图中所示），“白车身”结构可以不采用，以达到最大轻量化。关于主动式防装系统的理念，在后文有详细介绍

车内的布置为2-4门（2-5座），采用模块化设计，后排座可根据需要拆除（可采取导轨设计），多出的空间有两个用途，一为运送大件行李，如去机场火车站等；二为增加续航力，即在多出的空间布置蓄电池座，可增加蓄电池，在两人用车开往郊区，缺乏充电站的情况下增强汽车的续航能力。如下图中的

城市电动轿车还应形成车族化，应同时有纯2门车型，用于上班族代步，由于基本不用于市区以外的工况，因此外形可类似于下图双门双座微型轿车整车高度可以设计得较高，在堵车的时候拥有较好视野，轴距较短，具有良好的转向灵活性，方便市区空间狭小的情况时的机动灵活。

该车辆还应具有四轮均可转向的特征，便于市区停车。如下图。具体的这套泊车系统在后文还有介绍。

另一项应用在城市电动车上的设计是前部开门，由于停车空间的狭小，有时车主将车停进车位后无法打开侧门，这时就需要这种前开时车门，方便车主进出。

电动车车身设计与生产也将趋于模块化，承载式铝型材的框架，轻型环保材料的车身就像人的衣服一样每天都可以换。造型和质量跟苹果产品一样，把艺术、机械、电子融为一体的精品。

2.2太阳能汽车

几十年来，太阳能汽车一直是几代汽车人的梦想，但是始终制约着太阳能成为汽车驱动力的完全能源的问题是阳光不足时无法提供足够的能量。找到太阳能电池板布置位置，角度，面积和车身整体结构刚度，空气动力性和车内空间分配间的平衡点是未来太阳能汽车车身设计的主要着眼点。

太阳能汽车最具魅力的部分就是车身。光滑而又具有异域风情的外观是吸引眼球的部分，太阳能汽车是由若干主体部件组成。由于没有统一的标准而使得每一辆太阳能汽车各具特色。

我认为，城市中高楼林立，会影响太阳能汽车采光的问题，因此，未来太阳能汽车的定位是乡村或城乡结合部。

除了车子长度的强制性要求限制外。当我们设计太阳能汽车的主体时要让阻力达到最小值。而使太阳能与阳光的接触比达到最大值，重量要尽量小而安全系数尽量达到最高。一个好的太阳能汽车外形能够节省几百瓦的能量，这也是制造一辆好的太阳能汽车所必须的。还有一个挑战就是如

何制造出一个高效的太阳能汽车底盘，从而使其强度和安全度达到最佳，并且重量最小。每一公斤的重量都需要足够大的能量使得在路面上移动。这就意味着工作组力求使车子的重量减到最小。而这个关键的部位就是汽车的底盘。然而，安全是一个基本的要求，底盘必须具有严格的强度和安全系数要求。经过查阅资料，有三种类型的底盘可以使用在太阳能汽车上。（1）空间框架结构

（2）半单体横造或碳纤维

（3）单体横造

一个空间框架使用一个焊接或保护管结构用于支撑装载或车体，这种车体重量轻，但不能装载。合成的外壳是可以将分离的底盘组装起来。半单体横造或碳横梁使用合成横梁和空间隔开达到支撑装载的能力，而整合就不能支撑装载并承受一个整体的腹部底盘。在太阳能汽车的顶部每段是经常分割成片状，从而能够附加到腹部盘的上面。一个单体横造的太阳能汽车的底盘使用躯体结构并用来支撑装载。

太阳能汽车另一个设计时的重点则是太阳能电池板的布置。面积，角度都是很重要的影响因素，同时因为要使车身表面尽可能都布满太阳能电池板，还要考虑空气动力学问题。像如下图这种布置

虽然能尽可能使太阳能电池板的面积大且接受阳光的角度达到接近90度，但是势必会影响风阻系数。然而若采用另一种布置方法，如下图。

这种机构会获得极佳的空气动力学性能，但是乘坐驾驶舒适性会很差。作为赛车可以接受，但是若作为未来的乡村乘用车，实用性会很差。因为太阳能的动力不会很强，所以我们的目标就是保证一定实用性的前提下设计太阳能汽车时它具有最小的航行拉力。但仍能保持太阳能陈列有一个平滑的表面，并为驾驶员和组件提供足够舒适的空间。

综合以上分析，我认为未来的太阳能汽车车身应具有智能的自我调节功能，太阳能电池板组成的车顶可在阳光充足时，电池板较小的迎光角度和面积即可获得足够的能量，这时改变电池板的角度，缩小面积（采用电池板的折叠式设计或伸缩式设计），获得最佳的风阻系数。而在阳光不足时，则打开折叠部分，并调节迎光的角度，尽可能地获得最大的能量，满足动力性要求。如下的车身外形可以说基本具有了未来实用太阳能汽车的雏形。

三、未来的环境友好型车身材料

另一个未来车身的发展方向是环境友好型，随着环境问题越来越严重，发展低能耗，采用新能源是必不可少的。然而，要做到真正的环境友好而不是真正的环保，就要从出厂到使用到回收都能达到环境友好型的要求。采用新型材料是另一种发展趋势。

最符合现有技术的生产使用流程是，尽可能少的使用废旧金属，塑料等材料合成新型材料，或者干脆使用可循环利用的环保新型材料（如生物材料）等制造车身，当然在关键的需要保证安全的部位还是必须采用传统的高强度材料，如前文所述，主动防碰撞系统也能提供一定程度上额外的保护。

我认为，在未来还有可能实现的环境友好型车身将是如主动防撞系统一样的主动式车身。下面就这个概念做一下解释。试想一下，在未来汽车的结构产生颠覆性的变化，不存在车身与动力系统的严格界定。现在有的科学家提出一种概念，能否利用大气中的污染物或者发动机自身的废气作为电力或者燃料电池能源外的辅助动力装置的能量来源，这将成为一种真正的主动式环境友好型车身。车身表面可以利用吸附污染物的材料制成，随着汽车发动，车身表面即开始吸附污染物。

如上图，汽车将不再是一种污染环境的工具，而是在人们日常的使用中就不知不觉地成为了净化环境的功臣。通过查资料，我得知有一种叫做有机骨架材料的新型金属——MIL-100（Fe），如果未来汽车采用这种材料作为车身表面的主要材料，即可以解决环保问题，又不降低强度和刚度性能。

另外一种空气中的重要污染物是氮氧化物，目前吸附氮氧化物的碳纤维有很多，展望未来，很有希望研究出能到达现有用于工程结构碳纤维的强度级别的吸

附碳纤维，使用以上两种材料制造车身，将从根本上改变现有被动缓解环境污染的状况。

另外汽车内饰上也是应用新型材料的广阔舞台，生物材料是最好的选择，比如回收的木材，竹材，塑料等材料重新合成的复合材料。座椅等部分，在未来出于环保的考虑，将不再使用真皮等材料，生产过程会产生污染的石油合成材料也要被禁止使用。座椅，安全气囊等可以采用韧性更好的发丝合成材料。

新型竹材合成材料——用于汽车内饰

除此以外，利用燃料电池的电动车辆，如果能以空气中的污染物作为电池的反应物，再结合以吸附性车身，未来汽车就真的可以达到“一开就环保，越开越环保”的类似于“永动机”一般不竭的动力和能源。当然，这在目前看来是很

难做到的，至少要及高性能的催化剂和反应介质作为前提。但是在未来，并不排除这种可能。

四、智能车身

随着电子技术和材料技术的发展，未来车身的另一大发展趋势就是智能化。总结起来，智能车身主要有以下几个方面：

1.智能玻璃

智能化汽车玻璃有许多种类：包括防光防雨玻璃、电热融雪玻璃、影像显示玻璃、防碎裂安全玻璃、调光玻璃，以及光电遮阳顶篷玻璃等。防光防雨玻璃采用新材料及新表面处理方法制造，雨水落到玻璃上会很快流走且不留水珠，无需刮水器刮水。玻璃内表面反射性低，仪表板及其它饰物不会反射到风挡玻璃上，驾驶员视线不受干扰。具有影像显示功能的玻璃，是在风挡玻璃上的某一部分涂上透明反射膜，在膜片上可根据需要显示从投影仪传来的仪表板上的图像和数据，便于驾驶员观察，驾驶员在行车时勿需低头察看仪表。影像显示智能玻璃如果与红外线影像显示系统配合，可使驾驶员在雾天看清前方2km左右的物体。光电遮阳顶篷玻璃则是在轿车行驶或停车时，能自动吸收、积聚、利用太阳能来驱动车内风扇，还可对轿车蓄电池进行连续补充充电。

2.智能安全气囊

汽车智能安全气囊是在普通安全气囊的基础上增加某些传感器，并改进安全气囊电子控制单元的程序实现。增加的乘员质量传感器能感知座位上的乘员是大人还是儿童；红外线传感器能探测出座椅上是人还是物体；超声波传感器能探明乘员的存在和位置等。安全气囊电子控制单元则能根据乘员的身高、体重、所处的位置、是否系安全带以及汽车碰撞速度及碰撞程度等，及时调整气囊的膨胀时机、膨胀方向、膨胀速度及膨胀程度，以便安全气囊对乘客提供最合理和最有效的保护。

3.夜视功能：这种技术源于军用装备，20世纪80年代中期出现，在军品上至

少已有10年以上的实际应用历史。但是民用汽车上应用较少。未来应广泛应用，车上装有一个红外线摄像机，可帮助驾驶员看清在车前灯光线照射范围外的物体，该装置以汽车、动物、行人所发出的热量为电脑识别的信号。

4.音控技术：可以让驾驶员对汽车发出语音指令，控制车内的收音机、电话和

车内温度。声控技术将成为接入网络和其他各种自动服务的关键。

自动车门：如果你丢了钥匙，没关系，钥匙也许很快就会过时。梅塞德斯公司正在开发一种电子开锁系统，能够在车主靠近车门的时候，自动辨认对方。车主只要随身携带一张电子装置，将这一系统激活即可，当车主接触把手时，门可以自动开锁。

5.主动泊车车身，在未来的城市中，人口和车辆的密度都会不可避免面的增大，

停车将是一个比现在更加头疼的问题，未来的车身配备主动泊车系统，利用传感器采集车位的尺寸信号，计算机得出最佳的停车方式，利用矢量驱动轮技术改变汽车行驶方向，使其可以完成垂直的侧方停车。来自日本轴承界的大型品牌NTN(New Technology Network)，日前发表了可以让轮胎90度回转，世界首创的横向驾驶技术。这款以未来车为名的EV电动汽车，标榜操作简单容易上手，目前该车种已开始进行各种性能测试， NTN表示，新开发的系统可以直接驱动车轮内侧，让四个轮胎同时垂直转动90度，使车体横向移动。

除此之外，也可以让轮胎呈45度角倾斜，旋转车体，让车子在狭窄空间也能轻易调头。未来只需要一个按钮就可以让车体横向移动的技术，预计实用性

将可大幅提升。

6.自动导航：当你长途开车和外出旅行时，不必担心方向和路径，预先输入的

指令将保证车子按最佳路线行驶。该系统还通过雷达使汽车同前面的车辆保持安全距离，即使是雾天也不会发生追尾事故。这样的系统已经在梅塞德斯和美洲豹车上出现。同样的还有侧向辅助系统，防止超车时的事故发生。

7.车辆主动防碰撞控制系统

在这智能车身装备一部分，我想着重强调一下车辆主动防碰撞控制系统，这也是前文中反复提到的，保证新能源汽车，如城市电动车和太阳能乡村车能拥有轻量化设计车身的同时保证安全性的关键。

对大量交通事故的分析表明，80%以上的车祸是由于驾驶员反应不及时引起的，超过65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞和正面相撞。有关研究表明，若驾驶员能够提早1 s 意识到有事故危险并采取相应的措施，则90%的追尾事故和60%的正面碰撞事故都可以避免。和未来将要出现的自动车辆系统(AVS)均要求建立智能交通系统(ITS)，以便于对车辆进行交通监视和跟踪以及多传感信息融合。未来AVS异类传感器包括视频传感器、激光扫描仪和雷达传感器

等，融合的目的在于把目标输入到路径规划与制导系统中去。而基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统，就是根据多传感器接收到的车辆前方目标信息和本车的状态信息，利用多源信息融合技术，识别出本车前方车辆的距离和速度等状态信息，并进行碰撞危险估计的。举例说，若车间距接近临界距离时，发出报警信号，提请司机注意；若车间距小于临界安全距离时,则启动制动系统，以避免碰撞的发生。显然，基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统是一种主动式的防撞、防抱死的汽车安全系统，它使反应时间、距离、速度三个方面都能得到优化控制，可减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全性将起到重要作用，能有效地避免大部分汽车事故的发生。同时也为提高使用车速、增加道路通行能力、实现自动化驾驶等奠定了良好的基础。

五、市场针对性更强、更细分市场的未来车身设计

随着汽车走进千家万户，汽车的保有量越来越高，传统的汽车设计思想是基于单一车型有大规模产量基础上的，无法满足市场日益变化的不同需求。然而，伴随的问题也出现了，众所周知，设计车身是一项费时费力的工作，没更新一组

车身就伴随着高昂的成本和技术投入，当新的车身投产时，需要新的流水线，新的材料供给商，新的工人和工程师的培训。但是细分市场是不可避免的，这样在现有的体系下，车族化不失为一个很好的出路，同一条流水线如果能随意切换生产一车族下任意的车型，将大大简化生产工序，节约成本和时间。比如，如前文所说，未来的城市新能源汽车，同一车族下可以包括7座MPV，5座的商用轿车，2座的代步工具。据国外媒体报道，下一代宝马1系除了传统的轿跑车和掀背车版本之外还将提供更多变体车型。以下以宝马公司今年新发布的1系

新的变体车包括双门敞篷车，GT风格旅行车以及一款贴着Y1标志的交叉车型，另外还有一款称为Z2的双座敞篷车（基于1系车平台）以及一款小型轿跑车版本。宝马之所以开发多款1系变体车主要是出于消费者需求及竞争需要。

同一车型自身也有一定的模块化的选用自由度。比如可以任意支配的5座车的后部空间以及选装套件。所谓模块化设计，是指设计时把整车按功能分成几大独立的模块，每个模块上集成多个零件或总成，各个模块之间的联接是固定的，不会因为其中零件或总成的变化而改变，在装配时以模块为基础装配。模块化设计的第一阶段，是总装装配零件的模块化；第二阶段，要达到整车层面上的整体模块化设计。采用模块化思想设计的汽车，当同一个模块中选用不同的零件或总成时，就可以得到这一模块的变形，选用不同的模块变形装配在一起就会得到不同的变型车。所以按照这种设计思想开发汽车能够满足消费者对于个性化的需求。

比如下图中的宝马概念车就采用了这种模块化设计

以下引用一段戴姆勒克莱斯勒的研究成果：戴姆勒一克莱斯勒提出的一种分块的方法是将整车分成4个模块：前端模块、乘客单元、车顶模块和后端模块(见图4)。每个模块分别单独制造，包括所有的附加于模块上的零部件，仅仅在生产的最后阶段，才将这些模块按设定的接口快速地结合在一起。这种全新的制造方式，最大的好处是在一个车型范围内可以有很多的变形车，极大地降低成本。据戴姆勒一克莱斯勒的粗略估算，将会降低多达30％的研发、制造、物流等综合成本。各大模块可以在整车厂生产，也可以由供应商提供，当最终将在整车厂装

配在一起。图为戴姆勒的模块化牵引车头

六、结语