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新车开发的数位魔法,Mercedes

2020-07-13  点赞979   浏览量:851
新车开发的数位魔法,Mercedes

电脑科技改变了工程学,无庸置疑。而对于指标性的汽车工业而言,各大汽车公司投入无以计数的电脑资源来协助新车的开发,亦早已不是新闻。但到底电脑科技对于汽车产品开发的过程能有什幺样的影响,受限于汽车公司对于商业机密的保护,过去一直无缘一窥堂奥。而在2010年,受到Mercedes-Benz的邀请,参加其TecDay的参访行程,才让小亮对于电脑科技在汽车设计发展中所扮演的角色,有了更鲜明的体认。

参访的第1站,来到位于Sindelfingen 的工业区,在Mercedes-Benz为数众多的厂房及办公园区中,树立了1栋标示为Fahrsimulatoren 64的建筑。挑高的屋顶与素净的外墙,看起来週边的厂房并没有太多的不同。

事实上,这栋于2010年落成的建筑,是Mercedes-Benz的Driving Simulation Center驾驶模拟中心,担负着未来Mercedes-Benz产品设定品质把关的重要工作。

数位原型技术:降低风险、节省成本、加速研发

一辆汽车产品的诞生,就物质的角度来看,就是将大量的零配件组装而成。但是对于汽车产品乘坐舒适性的良窳与操控性能的表现,却是在设计阶段就已经决定了一切。为了能打造一辆具有竞争力的产品,传统上的汽车公司必须在量产前打造大量的原型车,藉由各种不同设定的排列组合,从中挑选最佳的结果,做为量产的产品。

可想而知,汽车组成的零组件数量如此的庞大,各种参数组合极多,若要完整测试,原型产品的数量势必很大,不但需要高额的成本,整个测试的时间亦是耗日旷时。而测试用的新车,往往搭载了许多全新的发明与设计,这些未成熟的新技术,在实际上路测试时,其可靠度与耐用度均是极大的问题,若在测试的过程之中发生错误,更可能造成测试人员的生命危险,其无法估计的风险,亦成为新车与新技术开发的过程之中极难控制的变数。

而电脑科技的导入,让汽车公司找到一项强而有力的工具。除了导入各式的电脑辅助设计工具外,各式的模拟辅助工具更是大大改变了汽车公司工程部门的运作,从厂房中生产线的建置与最佳化,引擎与车体开发的设计模拟,底盘设定的最佳化等,每一个环节都能在电脑中先行建立digital prototype数位原型,并配合内部的程式及模拟器进行运转的模拟,在虚拟世界中找到最佳的设定,并排除设计时所发生的错误,再行进行实体的建置与生产,除能大幅缩短开发设计的时程,更能减少错误与不适当的问题,减少资源的浪费。而更重要的是,在测试人员的生命安全,亦获得了更高的保障。

Mercedes-Benz于1985打造第1组驾驶模拟器

而长期站在高级汽车市场领导地位的Mercedes-Benz,自然是其中的翘楚。早在1985年,Mercedes-Benz位于柏林的研究中心,便建置了由Mercedes-Benz工程团队所自行开发的第1套汽车驾驶模拟器,以执行车辆设计研发的工作,让Mercedes-Benz在模拟器应用技术,在在汽车产业中位于执牛耳的地位。

而25年的时间之中,电脑模拟技术的不断演进,已经成为全球汽车公司科技实力的重要指标,对于加速车型的开发以及产品设定与安全设计上,更扮演的关键的角色。而为了确保在汽车市场的竞争力,Mercedes-Benz更在2010年在Sindelfingen园区内,新建最新的驾驶模拟中心,藉由拉近模拟中心与研发部门的距离,提升研发部门与实验部门间的沟通与合作效率,以提升研发的效率。

全球最新的模拟器,加速度可达1G

走进这座像是机棚的挑高的厂房中,每一位与会的媒体无不被眼前设备的巨大所震憾。在4条闪亮的钢轨上,架着1个三角形的移动平台,而透过6支大尺码的油压缸,其上支撑着一个巨大的圆钵形巨大的物体,以雾黑的烤漆涂装,外表朴素,仅以最新的企业识别字体,喷涂着Mercedes-Benz的品牌于其上。

这便是Mercedes-Benz耗费鉅资所全新打造的动态驾驶模拟器

Ludger Dragon博士是Mercedes-Benz操控性能模拟与分析资深经理,负责驾驶模拟中心的运作。

Mercedes-Benz负责操控性能模拟与分析的资深经理Ludger Dragon博士向我们介绍,这套系统是全世界最为先进的动态驾驶模拟器。其上的圆钵形本体,直径达7.5公尺,让Mercedes-Benz的工程师能轻易放进所有的乘用车产品以及大型货车的驾驶舱,以便能进行各式的模拟测试。

而下方的6支油压缸,除了支撑钵体之外,利用油压系统的运作,可以独立进行斜向的伸缩,因而能让圆钵体模拟出俯仰、侧倾以及旋转等动作,搭配伸缩的力道与速度,重现车辆在操驾时所产生的各种动态变化。

但整组动态模拟器中最为关键的部份,在于下方那三角形相对细小的滑床。为满足新世代产品高性能化的趋势,全新的动态模拟器能产生高达1G的加速度效果,而滑床的移动最高更可以达到每小时36公里的速度,而滑动行程可以达到12.5公尺,让其能模拟各种激烈操控的状况,甚至是全油门冲刺以及高速紧急剎车等状态,满足各式高性能车款开发的需求。Mercedes-Benz的人员表示,这是目前全球能产生加速度最高的动态驾驶模拟器。

相当于2倍ICE的驱动力,以能量回收系统实现绿色企业理念

而高速的祕密,便是在这组精密设计的滑床。为能让能量有效利用,减少不必要的摩擦,整组滑床是以气压悬浮的方式,飘浮在滑轨上,让滑床与滑轨没有直接接触,降低摩擦的阻力。而滑床的移动则是以与磁浮列车相同的线性马达驱动,利用直线排列电磁铁磁力的变化,驱动滑床在滑轨上高速的前后移动,以带动上方的钵体,提供钵内车辆真实移动的速度感,达成动态模拟的效果。据实验室人员表示,整个线性马达所产生的驱动力,最大可以达到22万牛顿,约2.2万公斤重,相当于2列德国高速铁路ICE的驱动力,因而得以将巨大的动态模拟器与内部的实车,推动至相当于1倍重力加速度的10 m/s2。

而这套全新的模拟器,在设计时更结合了绿色节能的概念,以实现Mercedes-Benz品牌走向绿色企业的理念。当模拟器需要减速时,系统会自动将减速所降低的动态转换为电能,上传至Singelfingen的供电网路,以达成节能环保的目的。

介绍至此,与会的记者无不跃跃欲试。但由于参与的媒体众多,试驾体验的过程便由各国媒体分组进行。而台湾媒体正好排在最后一组体验。而在动态模拟器体验前,台湾媒体则先行参观中心内的其他实验室。

在数位世界完成前期的测试

Mercedes-Benz模拟中心共有5个不同的模拟器,均採用Mercedes-Benz累积数十年的研究数据所开发出来的数位虚拟平台,进行各种不同功能的模拟,以便让各种不同的工程团队,能同时进行,提升研发的速度。

在Mercedes-Benz的数位虚拟平台中,主要包含了数位虚拟车辆系统以及数位虚拟道路系统,数位虚拟车辆系统已建置好车辆的模型,工程师能透过参数的调整,在虚拟平台上,重现各式各样产品。而数位虚拟道路则是由数十年累积下来的道路测试资料所形成的资料库为基础,在数位平台上重现各式的用车环境,除了包含都会区与郊区之外,包含气候变化、自然环境、光源变化、行人、週遭车辆等,都在虚拟平台上一一呈现,让工程师能在平台上建置各式可能的用车环境,供虚拟车辆在其中行驶,透过虚拟平台,观察所设定车辆模型在各式使用环境下的状况,以验证所开发产品功能是否符合预期,或是找出修改的关键,以调整出最具潜力的设定。

为求逼真,在各个模拟实验室中,大多放置1辆Mercedes-Benz旗下产品的实车做为模拟器。除了前方以环绕式的萤幕,模拟行车时前方景象外,在车室内外的后视镜部份亦均安装了适当尺寸的液晶显示器,与虚拟平台相连,透过虚拟车辆与虚拟道路2套系统的交互运算,计算出驾驶人所应于后视镜中所看见的对应景物,让试驾者坐进车内便能拥有身历其境的驾驶体验,让其能更接近实际驾驶时的感受,提升实验资讯的效度。

安全试用各种辅助系统

所参观的第1个实验室是辅助系统模拟器实验室,专门负责测试各式的安全配备。透过车上控制系统的展示,试驾者可以体验嚐试Distronic Plus、Pre-Safe Brake、Active Lane Keeping Assist、Active Blind Spot Assist、Attention Assist等安全系统。

在系统启动后,虚拟道路系统会依系统工程师所指示进入各种预设的环境,试驾者依平日驾驶习惯操驾车辆,踩下油门,时速表会转动,照样传来引擎运转的声音,窗外与后视镜的景物亦随着车速而流逝,甚至加速与减速时,悬载系统亦会前后俯仰。除了车子还是原地不动之外,其他就与开车无异。

此时左侧后视镜的Blind Spot警示灯亮起,原来是系统安排了车辆从盲点驶近,而安全系统亦在计算后準确地亮起警示灯,让试驾者了解系统运作的方式。

而透过系统的安排,试驾者亦能体验Attention Assist端出的提神咖啡杯、Adaptive HeadlightAssist在旷野中会车自动切换近灯的功能。甚至在半路中跳出1个红色障碍物,强迫中奖地让试驾者了解Pre-Safe系统如何在撞击发生前主动减速的表现。让试驾者能在完全无风险的状况下,体验与验证各种安全系统的运作状况。

寻找最适当的隔音设定

而声响实验室则是用来模拟行车时噪音的实验室。对于高级车市场的消费者而言,车辆上的噪音隔绝功能十分的重要。要打造一辆完全安静的车辆并不可能,而且不切实际,因为人类习惯具有环境噪音的生活,完全安静的环境反而容易造成心理上的压力与焦虑。但是各种不同的音频对于不同的消费者而言有着不同的感受,如何能找一般大众最舒服的环境,如何在对的地方使用吸音材料,有效率的打造出舒适的车内声响环境,便是这个实验室最主要的任务。

为达成模拟效果,Mercedes-Benz的工程师为其安装上4.1声道的喇叭系统,以驾驶座为中心进行音场的设定,以力求逼真。在体验的过程中,Mercedes-Benz的工程师轮流换上了汽油引擎与柴油引擎的声音设定,甚至是跑车、V8、V12等不同的引擎,随着油门的踩下,除了四週的景色随速度的提升而向后流逝外,车室内亦能听到彷若真车的引擎声浪,随着油门的起伏而高低变化,而工程师亦不断切换不同的道路设定,让试驾者能体验不同的环境下轮胎噪音的不同。

据实验室内员表示,Mercedes-Benz进行噪音模拟测试已有超过20年的时间,完整而丰富的资料库,正是让Mercedes-Benz的各式产品,均能调校出让消费者舒适满意声响环境的关键。

连垫片都已建档的完整数位资料库

而走进第3个实验室,则宛若一个小型的电影院,室内灯光昏暗,正中央仅有1排2张座椅,前方则为一个巨大的投影屏幕。但体验的人员坐上座椅扣上安全带后,一切变得不同。

座椅四週的楼板向外翻起,座椅向上升起,原来这里一样架设了一组小型的6轴移动模拟器,但其主要的功能是针对乘坐的舒适性进行调校。

原厂人员以近期发表的第2代CLS数位虚拟车辆进行展示。第1次的体验先以计划初期的设定,让虚拟车辆以不同速度行驶于依美国洛杉矶市区真实道路、厂区内测试道路与厂区附近autobahn所建立的虚拟道路上。很明显地,随着道路铺面破裂突起或是标线起伏,乘坐的舒适性并不悦人,彷若是改装车的调性,并不符合Mercedes-Benz对于CLS的产品诉求。

据原厂人员表示,在Mercedes-Benz的数位虚拟系统中,对于车辆所会使用到的每一个零组件都已建置好数位模型,因此当为数位原型车更换上不同的零组件时,小到底盘的衬垫,大至弹簧减震筒等,都能真实反应在数位原型车的试乘表现中,因此在乘坐模拟器的协助下,CLS的开发人员得以快速对底盘零组件的设定进行调整,找到最佳的设定。

模拟器亦于此时换上最终版的数位原型车,再次行驶于同样的道路上,很明显得,对于路面的瑕玼,底盘能更有效的吸收,维持乘坐的舒适性,而在各种速度下的平稳,亦维持一致的表现,令人印象深刻。

双胞胎模拟器,一动一静提高效率

而第4个实验室则是静态驾驶实验室。所使用的系统,完全与动态驾驶模拟器相同,差别仅在实体移动的结构。静态驾驶实验室的存在,让各个计划的人员在实际上动态驾驶模拟器前,能先行试验除错,以避免动态模拟器的浪费,提高研发的效率。

而最后,最重要的动态驾驶实验室终于到来。

Mercedes-Benz Museum动态体验再升级

对于Mercedes-Benz对于动态驾驶模拟器设定与调校功力,小亮一点都不怀疑。Mercedes-Benz Museum内战功彪炳的各式历年赛车旁,Mercedes-Benz亦设置了2部动态体验机,利用体验机模拟车辆各式动态的方式,让观者随着影片中视角的变化前后俯仰、左右晃动。动态控制与影片剪辑控制之精确,让观者宛若随着Mercedes-Benz历代冠军车手的脚步,亲自见证Mercedes-Benz光荣的冠军历史。精采的演出,让观者每每发出讚歎,值回票价。而这次所体验的,除了6组油压缸的模拟之外,还加上採用线性马达的高速气压悬浮平台,完全不同层次的设备与规模,更让人期待。

为了进入高高在上的动态模拟器,台湾媒体一行人走过宛如机场空桥般的通道进入钵体。其中停放着一辆C-Class的实车,而圆形的钵体週围则是360度的环场投影,让试驾人员能融入完整的虚拟环境中。而当乘员全部坐定,扣好安全带,关上舱门、收起空桥后,精采的试驾行程就此展开。

Mercedes-Benz仅简单安排在笔直的双线道路上,用定速系统以不同的速度进行绕锥与车道变换的动作,并同样以初期与最终版的CLS数位原型设定进行比较。有着乘坐模拟器的比较,在试驾前其实就可以预期CLS初期版在绕锥及切换车道时,车尾容易外滑,而最终版则能较安定地依循驾驶设定的路线平稳前进。但是动态模拟器令人惊豔的是,其拟真的程度让小亮与另一位已经入行超过10年的团员,同声发出讚歎,因为,与真实试车的经验相当的接近。

透过电脑系统的高速运算,动态模拟器以每秒1,000次的频率,微调着每个致动器的控制,让模拟器能够精确重现实车行驶的状况。虽然在侧滑的表现上,与实际上略带波动的状况略有出入,而因为轮胎没有实际转动,踏板及座椅的回馈仍有差异,但是在其他各式的激烈操控下,包含全油门起步、高速全力剎停,模拟器透过本体的俯仰与滑床的加减速,相当精确地重现了车头上扬下沈以及乘员的贴背与前冲,甚至压到锥筒时,方向盘与车体亦会做出精确的回应,市场上所能找到的任何体感式机台,不论评价再怎幺高,在动态模拟器之前,云泥立判。

如此精采的设备,让试驾一行人爱不释手,在安全无虞的状况之下,尽情地体验各式激烈的操驾动作,而动态模拟器亦没有让我们有任何一次的失望。

在完成5个实验室的巡礼之后,对于Mercedes-Benz的科技实力留下了深刻的印象。但真的值得做出如此巨大的投资吗?

数位原型及市场调查,双重功效

Mercedes-Benz表示,不论数位模拟技术如何精进,仍无法取代实车测试。但以研发任务为主的模拟器,以真实景物大小重现现实生活景物,提供真实驾驶状况相同的环境,让试驾者能以接近真实用车状况的方式绝对安全地进行试验,让研发的风险大幅降低。而透过数位原型资料库与模拟器的搭配,将能在初期快速、安全、有效率的开发出成熟的原型,大幅降低实车原型的成本,缩短开发时间,提高市场的竞争力。而现行的C-Class,便是第1辆以数位原型方式开发出来的产品,而从市场上的反应,便可以看出这个模式的成功。

此外,模拟中心在测试时会记录下所有可能蒐集的数据,以真实呈现驾驶人的反应,而更能从其中找出改善产品的契机。Mercedes-Benz工程师在多年前发现,许多试驾者在模拟器上发现路况时,都能及时反应,踩踏剎车踏板,但踩踏的力道却是有所不足,让车辆并无法达到最佳的制动效果,增加行车的风险。工程师因而针对这样的问题进行研究,而开发出BAS剎车力道辅助系统,并成为Mercedes-Benz旗下所有车种的标準配备,甚至扩展至其他的品牌。不但让消费者用车安全提升,亦证实模拟系统的价值。

而面对21世纪更为高标準的市场需求,模拟中心只是Mercedes-Benz科技实力提升的开端。Mercedes-Benz表示,在2010年至2012年之间,Mercedes-Benz将投入1.6亿欧元的经费扩展提升研发设备,除已落成启用的驾驶模拟中心外,还将有全新的风洞以及气候实验室,以提供更好、更安全、更节能的产品。

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