汽车工程

1.1 汽车工程

汽车工程是工程学的一个分支，讲授汽车的制造、设计、机械机构和操作。它是车辆工程的入门学科，涉及摩托车、汽车、公共汽车、卡车等。它包括机械、电子、软件和安全元素的各分支研究。一些对汽车工程师很重要的工程要点和学科知识，以及许多其他方面都包含在其中，包括：

安全工程：安全工程是对各种碰撞场景及其对车辆乘员影响的评估。这些场景都是根据非常严格的政府法规进行测试的。其中的一些要求包括：安全带和安全气囊功能测试、正面和侧面碰撞测试以及防侧翻测试。评估是用各种方法和工具完成的，包括计算机碰撞模拟（通常是有限元分析 、假人碰撞试验、局部系统滑台和整车碰撞。

燃油经济性/排放性：燃油经济性是以英里/加仑或公里/升为单位测量的车辆燃油效率。排放测试包括碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和蒸发排放等排放物的测试。

NVH工程（噪音、振动和冲击）：NVH是用户从车辆上得到的反馈（触觉[感觉到的]和听觉[听到的]）。声音可以理解为嘎嘎声、尖叫声或热声，触觉反应可以是座椅振动或方向盘嗡嗡声。这种反馈是由部件摩擦、振动或旋转产生的。NVH响应包括多种形式：动力总成NVH、道路噪声、风噪声、部件噪声以及车内异响。注意，NVH特性有好坏之分。NVH工程师努力消除不好的NVH或将“不好”的NVH（例如，排气的声音）变为好的NVH。

汽车电子：汽车电子是汽车工程中越来越重要的一个方面。现代汽车使用数十种电子系统。^[1] 这些系统负责控制油门、刹车和转向，还负责控制众多的舒适和便利系统，如暖通空调、信息娱乐和照明系统。如果没有电子控制，汽车不可能满足现代的安全和燃油经济性要求。

性能：性能是衡量车辆在各种条件下工作性能的可测量和可测试的值。性能可以体现为多个指标，但它通常与汽车的加速性能有关（例如，静止起步行驶1/4英里所用的时间，从零加速到60英里每小时所需时间，等等）、汽车的最高速度、汽车从给定速度到停止（例如从70英里/小时到零速度）的时间、汽车能产生多少g的加速度而不失去抓地力、记录的圈速、转弯速度、制动失效性等。在恶劣天气（雪、冰、雨）下的可控程度也体现了性能。

换档性能：换档性能是驾驶员对自动变速器换档事件的感知。它受动力总成（发动机、变速器）和底盘 （传动系统、悬架、发动机和动力总成安装位置等）的影响。换档感觉是对车辆的触觉（感觉到的）和听觉（听到的）反应。可以在多个场景中感受到变速箱的换档性能：例如在加速升档（1至2档）或减速降档（4至2档）中。车辆的换档接合性能也是评估因素，比如从驻车到倒档状态等。

耐久性/腐蚀性工程：耐久性和腐蚀性工程是对车辆使用寿命的评估测试。测试包括里程累积、恶劣的驾驶条件和腐蚀性盐冲洗。

驾驶性能：驾驶性能是车辆对一般驾驶工况的反应。包括冷启动和失速、转速骤降、怠速响应、启动迟滞和失误、以及性能水平。

成本：车辆项目的成本通常分为对车辆可变成本的影响，以及与车辆研发相关的前期工具和固定成本。另外也包括与减少保养和市场营销相关的成本。

项目时间安排：在某种程度上，项目的时间安排与市场相关，也与装配厂的生产计划相关。设计中的任何新零件都必须支持模型的开发和制造进度。

装配可行性：很容易设计一个难以装配的模块，或者导致模块单元损坏，或者是公差不佳。熟练的产品开发工程师与装配/制造工程师一起工作，使得最终的设计易于制造和装配，并提供适当的功能和外观。

质量管理：高质量的产品可以满足客户要求并避免昂贵的召回活动，因此质量控制是生产过程中的一个重要因素。生产过程中组件的复杂性要求结合不同的工具和技术进行质量控制。因此，由世界领先的制造商和贸易组织组成的国际汽车工作组（IATF）制定了ISO16949标准。本标准定义了设计、开发、生产以及相关的安装和服务要求。此外，它将ISO9001的原则与诸如AVSQ（意大利）、EAQF （法国）、VDA6（德国）和QS-9000（美国）的各种区域和国家汽车标准相结合。为了进一步降低与汽车电气和电子系统的产品故障和责任索赔相关的风险，还应用了符合ISO/IEC17025的质量规则功能性安全要求。

自20世纪50年代以来，众多厂家采用了全面质量管理TQM，以不断改进汽车产品和零部件的生产流程。实施全面质量管理的公司包括福特汽车公司、摩托罗拉和丰田汽车公司。^[2]

2.1 研发工程师

研发工程师负责协调整车（公共汽车、汽车、卡车、货车、越野车、摩托车等）工程属性的交付。这些属性由汽车制造商、政府法规和购买产品的客户决定。

与系统工程师非常相似，研发工程师关心整车中所有系统的交互。虽然汽车中有多个部件和系统必须按设计运行，但它们也必须与整车协调工作。例如，制动系统的主要功能是为汽车提供制动功能，与此同时，它还必须提供一个可接受的踏板力感觉（像海绵一样软、或坚硬感）、制动系统“噪音”（啸叫、抖动等），并与ABS（防抱死制动系统）相互作用。

研发工程师工作职能的另一个方面，是在某个可接受的水平上，平衡汽车的各个属性。这方面的一个例子是发动机性能和燃油经济性之间的平衡。虽然一些客户希望获得发动机的最大功率，但汽车仍然需要提供可接受的燃油经济性水平。从发动机的角度来看，这些是相反的要求。发动机性能要求最大化排量（更大的功率），而燃油经济性要求较小排量的发动机（例如：1.4升相比于5.4升）。当然，发动机尺寸并不是影响燃油经济性和汽车性能的唯一因素，还有其他影响因素。

需要平衡的其他属性包括：汽车重量、空气阻力、传动装置、排放控制装置、操作/抓地性能、行驶品质和轮胎。

研发工程师还负责组织汽车水平测试、验证和认证。组件和系统由产品工程师单独设计和测试。最终评估将在汽车层面进行，以评估系统与系统之间的相互作用。例如，音响系统（收音机）需要在汽车层面进行评估，与其他电子元件的相互作用会造成干扰。需要评估系统的散热和控制器的人体工程学布置，所有座位的音质都需要达到可接受的水平。

2.2 制造工程师

制造工程师负责确保汽车零部件或整车的正确生产。研发工程师负责车辆的功能，而制造工程师负责车辆的安全有效生产。这组工程师包括过程工程师、物流协调员、模具工程师、机器人工程师和装配规划员。^[3]

在汽车工业中，制造商在汽车零部件的开发阶段发挥着更大的作用，以确保产品易于制造。汽车领域的可制造性设计，对于在研发阶段确定设计方案至关重要。一旦确定设计方案，制造工程师接管后续工作。他们设计用于制造汽车零部件或整车的机器和工具，并设计用于规模化生产的方法。制造工程师的职责是提高汽车工厂的效率，并实施诸如六西格玛和Kaizen方法的精益制造技术。

2.3 其他汽车工程角色

其他汽车工程师包括下列人员：

• 空气动力学工程师通常会给造型工作室提供指导，使他们设计的造型既符合空气动力学，又有吸引力。
• 车身工程师也会让造型工作室知道他们所设计的仪表板是否可行。
• 变更控制工程师确保所有发生的设计和制造变更都被有效地组织、管理和实施……
• NVH工程师执行声音和振动测试，以防止车辆在路上时产生巨大的驾驶室噪音、可检测到的振动，并且/或者改善声音质量。

研究表明，现代汽车的很大一部分价值来自智能系统，这些智能系统很大程度上代表了当前的汽车创新水平。^[4][5] 为了智能系统的运转，现代的汽车工程过程必须能够处理日渐增多的机电一体化的应用。正如结构、振动声学和运动学设计已经成为标准车辆工程过程的一部分，智能系统的配置和性能优化、系统集成、控制、组件、子系统和系统级验证也必须成为标准车辆工程过程的一部分。这需要一个高度的模拟化驱动的车辆开发过程。^[6]

3.1 V流程开发

有一种能够有效地处理智能系统所涉及的内在多物理场和控制系统开发的方法，它采用在汽车工业中已经广泛使用了二十年或更长时间的V模型方法来进行系统开发。在这种虚拟化方法中，通过子系统，以虚拟化方式将系统级需求向下传播到组件设计，然后在更高的集成级别上验证系统性能。机电系统工程需要应用两个相互关联的“V周期”：一个侧重于多物理场系统工程（如电动转向系统的机械和电气部件，包括传感器和执行器）；另一个侧重于控制工程、控制逻辑、软件以及控制硬件和嵌入式软件的实现。^[7][8]

3.2 预测工程分析

另一种方法叫做预测工程分析，它将V流程方法提升到了一个新的水平。它让设计在产品交付后得以继续。这对开发内置预测功能和创建可以在使用过程中优化的车辆非常重要，即使是基于实际使用数据进行分析，这也是很重要的。这种方法建立在数字孪生的基础上，它是真实产品的复制品并保持同步。制造商试图通过实施一整套开发策略和工具来实现这一点。其中的关键是一维系统仿真、三维CAE和物理测试的紧密结合，以在仿真过程中达到更真实的效果。与智能报告和数据分析相结合，可以更好地了解车辆使用情况。通过贯穿整个产品生命周期的强大数据管理结构来支持这一点，它们弥合了设计、制造和产品使用之间的鸿沟。^[9]