汽车整车逆向设计内容总结及正向设计流程探讨

汽车整车逆向设计内容总结及正向设计流程探讨
张健
【摘要】分析了逆向设计与正向设计的差异,给出了逆向设计的一般流程,并结合汽车设计特点,论述了汽车逆向设计对于企业积累设计知识、明确产品定位、实现快速开发的重要性,在此基础上,将汽车逆向设计工作按内容不同细分为几个阶段,并概括总结了汽车逆向设计各阶段的主要内容.分析指出了如果汽车设计开发中逆向和正向设计之间流程设置不当,将不可避免地会给汽车正向设计带来隐患,并给出了融合汽车正向设计与标杆车逆向设计的流程建议.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】4页(P53-56)
【关键词】汽车;逆向设计;正向设计;流程
【作者】张健
【作者单位】无锡同捷汽车设计有限公司,江苏无锡214072;上海同捷科技股份有限公司,上海201206
【正文语种】中文
【中图分类】U462.2
随着计算机技术、激光测量技术及先进制造技术的飞速发展，逆向工程在制造业得到了广泛应用，尤其在航空、航天、汽车、家电、船舶、模具等行业中表现出越来
越广阔的应用前景，成为最重要的产品设计手段之一。

据统计，在产品开发中采用逆向工程技术作为重要手段，可使产品研制周期缩短40%以上[1]。

汽车逆向设计的重要性已得到越来越多业内人士的认同，但对于车型开发过程中正向设计与标杆车逆向设计之间的关系往往会有不同的处理方式。

本文将就汽车逆向设计内容及与正向设计的关系进行探讨，给出融合汽车整车正向设计与标杆车逆向设计的流程方法。

1 逆向工程设计的一般过程
逆向工程或逆向设计又叫反求工程或反求设计，主要是以现代设计理论、方法、测量技术为基础，运用专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，将已有的产品模型或实物模型转化为工程模型和概念模型，在解剖深化的基础上实现重新设计和再创造，是在已有设计基础上的设计[1]。

在正向设计中，已知的是产品的功能和设计需求，设计者需要做的是按照设计需要将功能、任务进行分解，进行从无到有的设计。

逆向工程与正向设计相比，各流程内容在序列上相互换位倒置。

在逆向工程中，已知的是产品样品，设计者需要做的是按照现有的零件原型进行设计生产，零件所具有的几何特征与技术要求都包含在原型中。

从概念设计开始到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有产品样品数字化后形成CAD模型的逆向工程是一个分析推理、逐步逼近的过程。

逆向工程设计的一般过程如图1所示。

在逆向工程设计中，通过三坐标测量机、激光测量仪等数据采集工具，将产品样品的物理模型转换为反映样品几何结构的点云数据，再使用三维设计软件进行数字化几何模型重构，之后通过对数字化模型的分析、试制样品的分析完善数字化模型，最终完成的数字化模型可用于生产加工或成为其他同类产品设计的基础。

图1 逆向工程设计的一般过程
2 汽车逆向设计的工作阶段及内容
用于逆向设计的汽车整车为标杆车；与标杆车对应，汽车整车正向设计的设计对象为新设计车。

2.1 进行标杆车逆向设计的必要性
结合逆向工程设计的特点、汽车整车设计的特点以及我国汽车工业的现状，可以从以下几方面来概括进行汽车整车逆向设计的必要性。

1) 积累设计知识。

整车逆向设计已成为汽车公司研究竞争对手车型信息、积累车型设计数据的一种重要途径。

通过整车逆向设计，收集市场上成熟汽车产品的各种数据，学习其中的新材料、新技术、新结构、新工艺，充分了解竞争对手的产品，对竞争对手的产品做出全面的评价，并建立自己的数据库、知识库。

2) 明确产品定位。

通过对市场上成熟汽车产品的逆向设计，使设计开发车型市场定位、目标人群、性能参数、产品成本等的设定有据可依，从而有助于制订企业产品型谱规划，确立正确的产品研发方向。

3) 快速设计开发。

逆向工程技术为汽车快速设计和制造提供了很好的技术支持。

国内外的实践表明，基于逆向设计的汽车开发是一种非常有效，而且完全可以实现的开发模式，其成本低，开发周期短，开发见效快，是最具实用价值的一种汽车产品开发形式，也是一种快捷的汽车开发手段，为汽车企业赶超竞争对手提供了一种全新的工作模式[2]。

国内外汽车公司都已认识到逆向设计的重要性。

为适应汽车行业日益激烈的竞争形势，加快汽车产品设计开发进度，许多汽车厂家委托或自己进行汽车产品的逆向设计，已经逐步建立起自己的逆向设计能力。

2.2 标杆车逆向设计的阶段性划分
逆向工程主要是针对已有的产品原型，消化吸收和挖掘其中蕴含的产品设计、制造
等方面的知识和经验，并以此为开端进行产品创新设计。

逆向工程在汽车工业领域中的应用主要包括以下几项内容[3]。

1) 汽车新零件的设计，用于产品的改型或仿型设计。

2) 已有零件的复制，再现原产品的设计意图。

3) 损坏或磨损零件的还原。

4) 汽车车身特征断面的设计。

5) 数字化模型检测。

如产品变形检验分析、焊接质量检验、模型比较等。

以上1)、2)、4)3项内容属于整车逆向设计范畴；但是，对于汽车整车逆向设计，由于逆向对象本身的复杂性，其内容要远远超出这3项内容所涵盖的范围。

汽车整车逆向设计可分为5大阶段，也可进一步细分为9个阶段，如图2所示。

根据专业分工、人员配置及标杆车数量等的实际情况，图2中同一虚线框中的内容，在工作安排上可考虑并行处理，以缩短逆向设计的时间周期。

为了更好地完成逆向设计工作，必须在逆向设计工作开始前制订周密的工作计划，做好分工协调。

考虑汽车结构复杂程度、逆向设计的内容及精细程度不同，标杆车逆向设计周期通常需要6～12月。

图2 汽车整车(标杆车)逆向设计的阶段性划分
2.3 标杆车逆向设计的各阶段工作内容
结合项目经验，下面给出乘用车标杆车逆向设计各阶段工作内容的简单概括。

1) 标杆车市场信息及技术资料收集。

包括标杆车售价、市场表现、用户评价、整车技术资料、配置、使用维修数据资料和车型演化发展历史等。

2) 标杆车整车性能试验及主观评价。

包括整车质量参数、整车五大基本性能、整车NVH特性、密封性能、空调性能等试验、悬架及四轮定位参数、整车性能主观评价等。

3) 标杆车整车静态测量。

包括整车尺寸参数、人机工程参数、整车姿态、操纵件
操纵力、电器电路、空调风速流向、外观品质(间隙、面差、圆角等)、整车外观件色彩、纹理和光泽等。

4) 标杆车整车点云扫描。

包括整车内外表面、发动机舱、行李舱、乘客舱、整车
及底盘姿态、运动件(开闭件、座椅、变速操纵手柄、驻车制动手柄、转向盘、踏板、手套箱、安全带高度调节、空调出风口叶片、刮水器刮臂等)极限及关键位置
扫描。

此部分内容在汽车拆解过程中扫描。

5) 标杆车整车拆解及点云扫描。

包括车身安装件(动力总成及附件、底盘、内外饰、电器空调、车身附件等)的拆解及点云扫描。

6) 白车身破坏性拆解及点云扫描。

包括白车身破坏性拆解及点云扫描，焊接边及
焊点、孔位、涂胶、堵盖、阻尼垫、包边尺寸、密封间隙等数据信息收集。

7) 车身安装件详细拆解及点云扫描。

包括动力总成及附件、底盘、内外饰、电器
空调、车身附件等详细拆解及点云扫描。

8) 标杆车整车逆向设计。

包括整车内外表面曲面光顺，整车逆向数模(布置级、黑匣子级、精细级[4])及明细表，车身及内外饰典型断面，电气原理图、线束图，车身焊接及装配流程图，孔位信息表，车身焊点、涂胶、堵盖、阻尼垫分布图；整车设计硬点、安装硬点等。

9) 标杆车整车分析校核。

包括整车总布置图；整车人机工程分析(坐姿及乘坐空间、视野、上下车方便性、操纵件操纵方便性等)；轮胎、悬架、转向、踏板及操纵件、开闭件等运动分析校核；空调出风方向分析；整车及零部件标准、法规适应性校核分析；车身焊接工艺、冲压工艺及材料利用率分析；整车关键零部件试验及材质分析；模夹检具、材料使用、配置等成本分析；专利及知识产权查询分析等。

以上是针对乘用标杆的逆向设计内容。

对于商用标杆车，逆向设计内容大同小异，可参照执行。

3 基于逆向设计的汽车正向设计流程
3.1 正向设计与逆向设计错位的风险
标杆车逆向设计汽车企业的重要性已得到越来越多人的认识；但是，在实际的汽车产品开发中，往往存在没有把标杆车逆向完成、分析透彻，没有进行新设计车的总体方案设计工作，就照抄照搬标杆车开展造型、油泥模型等正向设计工作的现象，这势必导致一些不可预知的设计风险。

主要体现在以下几个方面。

1) 标杆车的设计局限。

标杆车虽然都具有标杆作用，但毕竟是两年或更早时候的
设计车型，不一定能满足新设计车设定的销售区域的现行或即将颁布的标准、法规等的要求，且标杆车本身可能存在某方面的设计缺陷，或存在与新设计车定位、设计要求不一致的地方；因此，在标杆车逆向尚未完成、新设计车设计方案尚未确定时，盲目参照标杆车进行造型、油泥模型等新设计车的正向设计工作，必定存在一定的设计风险。

2) 企业的资源整合工作。

考虑企业配套资源、生产或工艺条件等客观因素，或从
零件标准化、部件通用化、产品系列化、平台化等要求出发，相对于标杆车，新设计车至少存在部分零部件(如动力总成)的替换设计；因此，新设计车相对于标杆车不可避免地存在一些改动，导致不能简单地把标杆车的外形轮廓数据作为新设计车的造型、油泥模型的约束和限制条件。

3) 新设计车的造型要求。

相对于油泥模型，造型效果图对尺寸参数的敏感性较小。

若在标杆车逆向设计尚未完成、新车总体布置设计方案尚未确定时，造型效果图只能在无法最终确定的整车尺寸参数及外形轮廓基础上完成。

若后期整车尺寸参数存在较大变动，比例关系的错误不可避免地会对造型效果产生影响。

4) 油泥模型的制作要求。

内、外油泥模型的制作虽然只是内、外表面，但和整车
的内部布置紧密相关。

在模型制作前，必须完成内部布置方案。

没有真实的内部布置方案做支撑，油泥模型的制作也会存在变动的风险。

这些变动虽然可以在曲面光顺阶段通过三维造型软件进行修正，但大的变动往往容易导致造型风格的变化，同
时对进行曲面光顺的人员提出了很高的要求，油泥模型制作本身也失去了严肃性。

3.2 基于逆向设计的汽车正向设计流程探讨
现在的汽车设计开发已不再是对已有产品进行简单的复制。

正如前述，新设计车与标杆车逆向设计在时间上的高度并行，带来的不是时间的节省，而是不可预知的设计风险和设计反复。

如图3所示是在考虑逆向设计与正向设计关系的基础上给出的基于逆向设计的新
设计车正向设计流程示意图，其中给出的标杆车逆向设计、新设计车工程设计、造型设计等各项工作之间的关系可以概括为如下原则。

图3 基于逆向设计的汽车正向设计流程示意图
1) 标杆车的逆向设计工作应在新设计车设计之前展开，标杆车各阶段的逆向数据
可以为新设计车工程设计提供数据支持。

2) 新设计车的三维方案设计工作必须以标杆车逆向结构及分析结果为基础，因此，三维方案设计工作可以先期开始，但在标杆车逆向设计结束后才能最终结束。

3) 新设计车的造型设计应建立在新设计车方案设计的基础上，而不能直接来自标
杆车的逆向设计数据，即使采用标杆车数据也应是结合新设计车设计要求进行充分论证，即采用进行方案设计后的结果。

4) 新设计车的工程设计、造型设计可在一定程度上并行，造型与工程之间存在作
用与反作用，但最终要达成一致。

油泥模型制作应有新设计车的总体设计方案做支持，因此，其完成时间应晚于新设计车的三维总体方案设计。

油泥模型冻结前应进行充分的工程可行性分析，包括结构、工艺、装配、制造等分析[5]，总布置、底盘、车身、内外饰、电器、CAE等各专业工程师均应参与其中。

5) 为确保车型定位准确、设计合理并具有市场竞争力，有时可能会将多款(如3～5款)车型作为标杆车进行逆向设计；因此，可能会出现多款标杆车的逆向设计对应
于同一款新设计车的情况。

4 结语
汽车设计离不开对成熟车型的参考借鉴，标杆车逆向设计可以起到积累设计知识、明确产品定位、实现快速设计开发和降低开发风险的作用。

为避免照抄照搬标杆车开展造型、油泥模型等正向设计工作可能带来的设计风险，应正确处理好标杆车逆向设计与新设计车正向设计之间的关系，做好基于逆向设计的汽车正向设计，使标杆车逆向设计数据更好地为正向设计提供技术支持。

国内自主品牌汽车开发技术还远落后于发达国家，标杆车逆向设计无疑提供了一种快速赶超汽车强国的途径。

汽车主机厂、设计公司应加强这方面数据库、知识库的建设与积累，为今后更加快捷、高效地进行更高水平的汽车整车正向设计做好积极准备。

参考文献
[1] 黄诚驹. 逆向工程综合技能实训教程[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
[2] 祁鹏华，褚超美，张轶. Benchmarking技术在汽车开发领域中的应用[J]. 机械设计与制造，2008(10)：64-66.
[3] 彭岳华，崔琼瑶. 逆向工程在汽车产品设计中的应用[J]. 计算机应用与软件，2003，20(9)：31-32.
[4] 郑恒雍，彭利明，屈翔. 逆向设计在汽车开发中的应用[J]. 四川兵工学报，2009，30(8)：68-70.
[5] 黄金陵. 汽车车身设计[M]. 北京：机械工业出版社，2008.。