基于CATIA的乘用车外后视镜设计方法

赵志星，周龙，方钰

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230000）

基于CATIA的乘用车外后视镜设计方法

赵志星，周龙，方钰

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230000）

后视镜作为主动安全装置是驾驶员获得间接视野的重要保证。以HFC1510车型后视镜为例，论述乘用车外后视镜的正向布置和设计方法，利用CATIA三维软件的辅助计算，设计出满足法规及视野要求的镜片尺寸。对后视镜镜头在车身上的位置进行合理布置，使其满足扭头角度、A柱障碍角及旋转轴心的法规要求，同时对镜片沉入镜壳的尺寸，镜片的旋转角度等参数值进行设计，再此基础上校核后视镜的视野满足法规，确立了车用车外后视镜的设计流程及方法。

后视镜；间接视野；位置布置；结构设计

CLC NO.:U463.85Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-101-04

引言

随着经济的飞速发展，汽车在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色，与此同时人们对汽车安全性的认识和需求也越来越高。汽车的安全行驶，与驾驶员获取外界信息的速度和数量密切相关。汽车在行驶过程中，百分之八十的信息是靠视觉系统获得的，因此确保良好的视野是预防汽车事故的重要条件。人们根据不同的目的来定义视野的概念，通常情况下，按照视野的获得方式可分为直接视野和间接视野。

汽车后视镜是汽车获得间接视野和主动安全的重要装置之一，外后视镜一般设在汽车两侧，内后视镜一般布置在驾驶室内前风挡上部，是驾驶员坐在驾驶室座位上直接获取汽车两侧和后方等外部信息的工具，能观察汽车左右上、下车人员和两旁的行人、车辆以及其他障碍物情况，以确保行车安全。

本文主要结合HFC1510车型，详细的阐述了后视镜的布置和设计过程。

1、相关标准

后视镜在汽车安全中占有十分重要的位置，各个汽车生产国和地区都制订了相应的法规或标准，来确保汽车良好的视野性能。表1主要列举了欧洲共同体和经济委员会（ECE、EEC）和美国国家安全标准（FMVSS）对汽车后视野的要求。图1给出了我国在2013年在GB15084中对M1、N1类汽车的外后视镜视野的规定。图中阴影部分表示驾驶员通过外后视镜必须能看见的区域，也是外后视镜的布置与设计过程中必须满足的最基本的视野要求。

表1 各国关于汽车外后视镜视野的要求

图1 M1和最大质量不超过2000kg的N1类车外后视镜后视野区域

2、外后视镜的布置和设计过程

外后视镜的布置和设计主要是通过参考标杆车型的后视镜布置位置，将后视镜布置在整车上，然后根据相应的法规和视野要求，设计镜片曲率半径、镜片调节中心、镜片调节角度和外后视镜旋转轴心。

在满足相关标准的基础上，尽量是驾驶员获得更好的视野同时兼顾造型的美观。

2.1 外后视镜镜片的曲率半径计算

后视镜镜片的曲率半径关系到后视镜的视野大小和成像的质量。GB15084规定M1类车外后视镜镜片的曲率半径不得小于1200mm，镜片曲率半径太小，则容易造成成像失真，影响驾驶员视野的舒适性，如果镜片曲率半径太大，为了满足视野，则需要较大的镜片尺寸。通常考虑到镜片的制造公差结合我公司的设计经验，在设计时我们选定的镜片曲率半径为1400mm。

2.2 外后视镜镜片尺寸的计算

根据GB15084中关于后视镜镜片必须满足能够在反射面上绘出以a为底边，高为40mm的矩形，与矩形高平行的线段，其长度为b，表2列出了a和b的最小值。

表2 GB15084规定的汽车外后视镜镜片尺寸（mm）

2.3 后视镜初始布置位置的设计

在在后视镜的布置时要满足两点要求：

a.满足法规规定的视野要求；

b.满足驾驶员观察后视镜的舒适性要求

根据造型的需要，外后视镜一般布置在车辆的前门上，结合我公司的设计经验，通常后视镜在整车上的初始布置角度如图2所示：

图2 外后视镜的初始布置角度

2.4 外后视镜底座A柱障碍角的校核

图3 A柱障碍角的校核

为了满足造型美观，通常后视镜都布置在整车的左右前门上，后视镜的安装底座、门框、车身A柱和前风挡玻璃黑边，会造成对驾驶员前视野的一定角度的遮挡，通常此角度被成为A柱障碍角。GB 11562中规定每根A柱的双目障碍角不得大于6°，所以在后视镜设计时，A柱障碍角的校核也十分重要。为了使驾驶员获得良好的前视野，同时结合我公司以往车型设计经验和准则，A柱障碍角目标值定为4度。基于车型造型面，通过三位软件CATIA对U1510车型A柱障碍角进行模拟校核（见图7），结果为3.54度，满足设计目标值。

2.5 外后视镜旋转轴心的校核

GB 15084规定，以保证后视镜顺着撞击方向偏移的转动轴或旋转中心，或两者之一为轴线，作一半径为50mm的圆柱体，该圆柱体至少应切到连接件所连接的表面部分。因此在设计后视镜旋转轴心的时候，要校核以后视镜的旋转轴心的位置做半径50mm的圆柱是否能够切到与后视镜底座连接的车门钣金。经过校核U1510车型满足此项法规要求。

图4 后视镜旋转轴心的校核

2.6 外后视镜镜片沉入镜壳深入尺寸校核

为了使外后视镜在雨雪天气有更好的使用性能，在设计时应该考虑，在保证良好的后方视野的前提下，尽量将镜片布置位置沉入外后视镜镜壳内部。这样能够有效的避免雨水直接淋在镜面上，从而影响驾驶员观察后方视野的情况发生。通常镜片的沉入量以12mm至15mm为最佳值。

图5 镜片沉入镜壳的尺寸

2.7 外后视镜镜片调节角度的设计

图6 镜片的调整角度

由于驾驶员的身材、坐姿及驾驶习惯存在差异，为了满足不同驾驶员都能够通过外后视镜获得良好的视野，所以要求后视镜的镜片必须要有足够的调节角度，来满足不同驾驶人员对镜片位置的需求。通过大量的车型调研结合我公司的设计准则，将外后视镜的镜片在上下左右方向的调节角度均设计为8°。

3、后视野校核

传统的镜片的视野校核方法是在三维软件中，通过模拟镜片的入射反射原理，绘制处镜片的边缘的反射发现，然后观察法规区域是否被反射线包括在内，这种方法校核时间长，工作复杂重复性大。

图6 利用反射线法的后视野校核图

采用新的视野校核方法，利用物理的成像原理，通过三维设计软件CATIA模拟法规区域在镜片上的成像，来对外后视镜视野进行校核。驾驶员通过外后视镜看到的为虚像，基本原理为凸面镜成像(见图7)。

图7 凸面镜成像示意图

通过参数化设计，输入造型镜面(要求镜面边缘光顺)、R点(眼点自动生成)、车宽线、地面等相关周边条件。以物点、球心、眼点确定的平面为基准，制作草图（见图8）。利用凸面镜成像原理，反射线通过眼点，入射线通过物点，反射线与入射线相对法线对称，实现草图全约束，其中入射线（或反射线）与凸面镜的交点，即为物象处于镜面的位置点（见图8和图9）。

图8 物象处于镜片的位置

图9 利用参数化成像方法的后视野校核图

通过参数化成像法校核，通过参数化调整镜片位置，很容易得到满足法规要求的镜片位置，大大节省了设计时间，图9为利用成像法校核的后视镜视野，满足法规要求。

4、结束语

文章主要结合江淮HFC1510车型外后视镜的设计过程论述了外后视镜的布置和设计的思路及方法，打破以前逆向设计或实车匹配的设计方法，使产品设计更加科学化。而且在设计阶段参数化视野校核就能进行外后视镜法规视野区域的可行性分析，提高产品设计质量。

[1]GB.15084-2013《机动车辆后视镜的性能和安装要求》.

[2]GB.11562-1994《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》.

[3]丁海,汽车后视镜设计,汽车技术,1991(7)：5-11.

[4]任金东,汽车人机工程学.北京：北京大学出版社,2010.

[5]葛安林,任金东,黄金陵,等.汽车视野设计原理和方法研究.机械工程学报,2002(4)：148—15.

[6]李景,张铁群,常瑞征.基于知识工程在汽车后视野校核中的应用.汽车实用技术,2011(9／10)：29～33.

[7]Boundy TM,Vitae NA，Figlioli DW．‘‘Multi Vector”Field of View Design Too1．SAE Technical Paper No．2004 —01—0380,2004.

图6 模糊PID与PID仿真框图

2.4 仿真结果分析

图7 仿真结果曲线

由SIMULINK仿真，得到如图7的真的仿真结果，从图中可以看出，模糊PID控制与常规PID控制超调量明显减小，系统的稳态性能变好。

3、结束语

文中实例证明，自适应模糊PID控制与常规的PID控制相比具有较好的稳定性，较小的超调量，抗干扰能力强。此外，在SIMULINK中模糊逻辑工具箱可以方便的设计模糊控制器，灵活的设定和修改控制器参量，并且可以在线对△kp、△ki、△kd进行调整以得到满意的控制效果。

参考文献

[1]石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB 仿真[M].北京：清华大学出版社,2008.2.

[2]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].第2版.北京：电子工业出版社,2004.

[3]黄友锐,曲立国.PID控制器参数整定实现[M].北京：科学出版社,2010.2.

[4]侯勇严，孙瑜，郭文强.一种自适应模糊PID控制器的仿真研究[J].陕西科技大学学报，2004，22（2）：48-52.

Design method of outer rear view mirror for vehicles based on CATIA

Zhao Zhixing, Zhou Long, Fang Yu
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

As an active safety device, the rear view mirror is an important guarantee for the driver to obtain an indirect view. Taking the HFC1510 vehicle type rear view mirror as an example, the layout and design method of the mirror is discussed, Use CATIA 3D to auxiliary calculate, designed the lens size to meet the requirements and regulation. Layout the rearview mirror on the reasonable position of the car, in order to meet the regulatory requirements of twist angle , A column obstacle angle and rotating axis, At the same time, we designed the shell size of the lens sunk into the mirror, and the rotation angle of the lens. Based on all of this, check the sight of the mirror to meet the regulations, established the design process and methods for vehicle outside mirror.

Out side rear vision mirror; indirect vision; lay out; structure design

U463.85

A

1671-7988(2017)02-101-04

赵志星，目前就职于安徽江淮汽车股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.034