对汽车各大总成及系统个性化设计

liu

汽车是一个多学科、社会化的产品，汽车的发展水平与社会的发展是同步的，只有好的社会背景作为载体。汽车行业才能得到正常有序的发展。因而国家已出台了包括汽车政策与产品发展重点、产品认证、产业组织政策、产品技术政策、投资金融政策、外资政策、进出口管理政策、国产化及相关工业和社会保障政策等。从汽车设计本身而言，汽车是一个集机电、人机工程、美学、制造工艺为一体的多学科的产品。同时汽车本身又因地域、功能的不同而多样化。因而汽车技术是一个“丰富多彩”的技术。

1、整车方案设计

    整车的方案设计直接影响到整个项目的成败，因而作为整车方案设计的前期准备工作是非常重要的。作为整车方案，首先必须了解所开发的车型是一个什么用途的车型。该类车型的技术要求及规模成本。不同用途的车辆的技术要求及规模大小直接影响到产品的设计思想。整车方案设计主要从汽车的动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、通过性、舒适性、维修成本及方便性来考虑。

    当然。汽车的各项性能是不能同时满足的，不同车辆追求的性能不同。经济型轿车追求的是成本价格及使用费用。其更多地追求经济性，不会追求动力性．因而其对应的发动机要求较小，排量不大于2 L,功率在50 kW左右，其动力性不会好，随之的传动系统也就比较经济,其主要用于家庭、出租车，其最高车速不大于130 km／h。对于豪华轿车。由于其更多地追求动力性、制动性能、安全性能、舒适性能，因而其采用大功率的发动机，排量不小于3 L，功率为100 kW左右。其最高车速不小于180 km／h，因而随之而来的其他系统能力也将相应的加强，其各项技术性能指标进一步地提高。同时不同地区标准也不同。例如：欧洲其高速公路上的车辆的车速大于200 km／h。其市内轿车的速度也不小于140 km／h，其豪华程度也不同。．对于客车也不同，城市公交客车其最高车速为80 km／h，其行驶车速为60 km／h，其追求经济性及一挡、二挡的加速性，其比功率为12 kW／t；而旅游客车最高车速为120 km／h，其行驶车速为100 km／h。其比功率为15 kW／t，其追求动力性及四挡、五挡的加速性，因而其动力总成的匹配思想也不同。对于载货车也分为公路用车和矿山用车，公路用车最高车速为110 km／h，其追求动力性，比功率为13 kW／t,矿山用车为70 km／h，其追求经济性。比功率为ll kW／t。对于轻型车，其追求更好的动力性．其比功率更大，达到20 kW／t   

    根据上述设计的每类车型所追求的性能的不同。其设计理念也不同，因而其所带来的其他总成及系统的设计也都不同。同时根据该设计思想所进行的具体的总布置设计所开发的实体也不同。

2、总布置设计

    总布置设计是在充分了解所开发的车型的技术要求之后．理解整车方案设计思想，充分利用产品开发技术。对汽车各大总成及系统提出具体的技术要求。汽车的总布置设计可以分为性能匹配和结构设计两个部分。

    作为性能匹配。目前主要指动力性、经济性匹配。前面已提出各种车辆由于设计目标的不同，对设计最高车速的要求也不同。对于经济型轿车追求经济实惠．一挡最大动力因数为0．30-0．45，直接挡最大动力因数为0．08-0．12；豪华轿车一挡最大动力因数为0.30-0.50，追求动力性，直接挡最大动力因数为O．14--0．20：对于公交客车一挡最大动力因数为0．30--0.40，直接挡最大动力因数为0.04-0.06；对于旅游客车一挡最大动力因数为0．28-0.35，直接挡最大动力因数为0.06-0.10：对于轻型车一挡最大动力因数为0.30-0.40。直接挡最大动力因数为0.06-0.10；对于公路载货车一挡最大动力因数为0.30-0.35。直接挡最大动力因数为0.06-0.08；对于矿山用车一挡最大动力因数为0.35-0.40。直接挡最大动力因数为0.04-0.06。同时对车辆的其他总成也产生相应的要求。对于轿车变速箱带超速挡，后桥为小速比：对于载货汽车变速箱采用直接挡，大速比的后桥；对于矿山用车采用变速箱为直接挡，双速比的后桥：对于城市公交客车采用变速箱为直接挡，大速比的后桥；对于旅游客车采用变速箱为超速挡，小速比的后桥。作为从整车性能出发要求少用带超速挡的变速箱，以免产生大的噪声；同时结构设计也是整车总布置的一项重要的任务。

   作为整车结构设计，根据所设计的车型的质量，首先确定使用的轮胎的型号。根据前后轴荷确定前后轴。进一步根据车辆的动行程确定车架的下表面，也就是车辆高度方向尺寸的常规设计。至于前后方向尺寸的设计．主要由影响制动力分配和操纵稳定性的前后轴荷的大小确定。对于平头载货车，由于前轴负荷太重，因而设计上总是尽量降低前轴负荷；对于长头载货车，由于前轴负荷太轻，因而设计上总是尽量加大前轴负荷；对于经济型轿车，由于设计目标为家庭用车。因而应该注意前排座椅处的舒适性，同时由于该类轿车多为前置前驱动．因而前轴负荷要尽量大；对于豪华型轿车，乘员在中部，要求中部有好的舒适性，后驱动，要求重心在后；对于城市客车，由于客流量变化。乘员通常在前面。且通常为前置发动机，因而设计中尽量减小前轴负荷，对于旅游客车，由于客流量固定，且通常为后置发动机，因而设计中尽量减小后轴负荷。这就是传统意义上的总布置设计。

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3、发动机总成

    作为发动机总成是传统的汽车动力的来源．是汽车的核心总成。发动机在各转速点的功率和扭矩的大小．特别是发动机最大功率、最大扭矩、怠速扭矩及转速、最小稳定车速时发动机的扭矩和转速大小直接影响到整车的各大性能。传统的汽车设计是将汽车的最高车速及头挡的动力因数作为设计目标。这种设计思想往往导致最低稳定车速偏高和经济性不好。实际上。从现代汽车的发展来看，利用所-追求的最高挡最大动力因数将汽车的常用车速和发动机的最大扭矩点的转速结合起来。同时将发动机的经济区综合考虑．来依据所要求的最高挡最大动力因素及常用车速来确定发动机的最大扭矩和转速是比较现实的。最高挡最大动力因素设计指标为




4、变速箱总成及系统设计

    变速箱总成的结构设计根据所设计车辆的用途的不同。结构型式也不同。变速箱总成的性能及可靠性与产品的结构设计和制造工艺有直接的关系，同样尺寸的变速箱承受的扭矩区别很大。作为汽车设计本身。要求既追求最高车速又追求头挡动力因素，因而要求头挡和最高挡跨距尽量大，但过大的跨距将导致变速箱换挡困难和变速箱尺寸的加大。因而加强产品结构设计与制造工艺的结合是非常重要的。    作为变速箱本身来讲。总是希望变速箱体积最小，质量轻。输出扭矩大。因而提高齿轮的承载能力，同时减轻质量及降低齿轮的噪声是变速箱发展的方向。减少齿轮噪声的方法从加1-32艺上提高齿轮和相关部件的加工精度．从设计上消除齿轮本身的啮合噪声以及相关零件产生的振动等因素。从提高齿轮的承载能力出发采用细高齿齿轮。从减轻质量出发采用铝合金压铸件。国外一般采用这种技术。而在中国只有轿车才采用该种技术。

    同时．从整车设计角度来讲，变速箱一挡速比要求尽可能大一些，这点除与一挡爬坡度有关外，还与离合器寿命有直接的关系，采用较大的变速箱头挡速比可以减少汽车起步时的滑磨功，避免了离合器温度过高引起离合器从动盘烧坏，同时使操纵轻便。

    采用较大尺寸的离合器，增大了离合器的热容量，避免了汽车起步时离合器温度过高，但却使得变速箱操纵力过大。同时增大了变速箱同步器的负荷，影响了同步器的使用寿命。

    从结构上讲，轿车为达到单根传动轴的目的，采用将变速箱加长的办法；而对于客车来讲，总是希望变速箱越短越好。当然从动力性和经济性综合考虑．重型车需要采用十挡箱以上，而作为城市公交车只需要五挡，旅游客车用五挡或六挡，高速用客车用五挡变速箱。而作为轿车只需用四挡变速箱。

    变速箱选换挡力与同步器滑动齿套和齿座的啮合长度有很大的关系，如果啮合长度太短，将由于汽车振动和轴间的正常的早期磨损而导致自动脱挡，同样同步器锥盘和锥度将直接影响挂挡。这样二轴长度方向的尺寸链及同步器及齿轮等的尺寸公差将直接影响到换挡的顺利进行。换挡力的大小与其行程成反比．从人体工程学的角度出发，行程尽量小，这样换挡力则大。因而要求尽量合理设计变速箱内的尺寸。变速箱换挡力大小与包括离合器从动盘及变速箱常啮合齿轮、中间轴、同步器等从动部分的转动惯量有直接的关系，从选换挡来讲，总是希望该转动惯量越小越好。

    对于轿车选换挡力为30-50 N；客车选换挡力为60-．-90 N：载货车选换挡力为80-120 N。

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5、离合器总成及系统设计
    离合器总成设计中有两个主要性能参数：后备系数和最大摩擦力矩。离合器起着传递发动机扭矩，同时防止其他传动系统过载，起到保护其他系统的作用。因而，从整车传递发动机扭矩来讲，希望离合器的后备系数不能过小；但从保护其他系统来讲，不能过大。同时，后备系数过大，最大摩擦力矩大，则离合器尺寸过大，导致变速箱选换挡力大。

    城市公交客车，由于变速箱选换挡频繁，因而导致离合器压盘、从动盘温度过高，离合器磨损加剧、摩擦系数降低．摩擦力矩降低，这样静摩擦力矩降低，导致传递的扭矩降低，从动盘打滑，从而加大滑



汽车起步时，发动机的转速越高，滑磨功越大：从动部分的转动惯量越大，滑磨功越大；汽车质量越大，滑磨功越大；降低传动比，滑磨功越大；后备系数过小，滑磨功越大；轮胎滚动半径越大，滑磨功越大。因而从城市公交的使用来看，希望离合器-的后备系数大一些的好；对于旅游客车，从变速箱的换挡力及变速箱使用来讲，希望离合器的后备系数小一些的好。轿车和轻型车的后备系数为1．25-1．75：货车的后备系数为1．6-2．25；重型车的后备系数为2．0-4．0；城市公交的后备系数为1．9-2．3；旅游客车的后备系数为1．7-2．0。

从离合器的踏板力来讲，希望静摩擦力矩越小越好。 由于膜片弹簧离合器具有结构较简单、结构紧凑、散热通风性好、高速性好、摩擦片使用寿命长、扭矩容量大且稳定、踏板操纵轻便等优点，因而膜片弹簧离合器被广泛使用。

对于离合器系统设计主要要求有合理的空行程和踏板力。对于轿车踏板力为70-150 N；对于客车踏板力为120-170 N；对于载货车踏板力为150-200 N。踏板空行程为15-30 mm；分离轴承自由行程1.5-3mm。

6、制动系统

    制动系统直接影响整车的安全性，是汽车性能中最为重要的性能之一。轿车由于其车速高、质量较轻。在其车上首先采用ABS。城市公交和旅游客车以及普通客车由于使用环境的不同，因而对制动器及系统的要求也不同。目前对于高速的旅游客车也已采用ABS。城市公交由于制动频繁，要求增加制动器及系统的热容量。加大散热能力，且要求有很好的制动随动性，且由于轴荷变化大，因而在无ABS条件下要求制动器及系统空载和满载状态同时满足前轮或后轮先抱死是非常困难的[2]。对于旅游客车则要求制动系统在高速时有很好的制动稳定性。对于普通客车。则要求制动系统有很好的可靠性及行驶安全性。对于载货汽车由于其行驶工况的区别，国家对该类车型没有ABS的要求。

    对于制动器设计，重要的设计参数为同步附着系数。传统的汽车设计制动理论对于在山区行驶的车辆希望后轮先抱死。因为如果前轮先抱死，汽车则失去转向．对于在城市行驶的车辆希望前轮先抱死，因为后轮抱死，汽车将出现甩尾。实际上作为现代ABS技术是为了消除车轮“抱死”。而使汽车产生最




轴荷的60％的要求。传统汽车设计制动的理论是根据所要求的同步附着系数来确定制动系统前后轮制动力的分配比例；但是由于不同的道路，附着系数的不同，重心高度的不同，因而所设计的车型可能前轮先抱死。也可能后轮先抱死。这种不定因素将导致汽车很难控制．因而根据同步附着系数来确定制动系统前后轮的制动力的分配比例对于汽车制动器及系统的设计不是很合理的。应该对最大的减速度加以适当的修改。对于采用ABS制动系统的制动器由于ABS时时处于最大附着系数的临界点．因而比普通制动器要求有更大的制动容量。

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7、转向系统

    根据传统的转向系统的理论，加大主销内倾。减小了阻力臂，加大上节臂，减短转向垂臂，使得转向轻便，同时考虑转向与板簧的运动干涉，这一理论一直指导着转向系统的设计。但是对于高速时的摆头现象，目前不能从定量上下结论，只能从定性上加以分析。摆振分为强圃获动和自激振动，实际运用中，往往提高轮胎的径向、侧向跳动。提高车轮总成的不平衡量，这无疑提高了总成的制造成本。但从自激振动来讲，提高整个系统的固有频率、减少主销后倾(甚至为负值)、加大转向系统的阻尼、减小簧下质量、提高轮胎气压、加前减振器等将是很现实的措施。整个系统的固有频率的表达式为：    从上式可以得出，加大弹簧刚度、加大簧距、加大胎距均有利于减小摆头。  对于轿车，由于需要转向的轻便性，都带动力转向；对于载货汽车前轴荷大于2．8 t的车辆往往需要动力转向；对于城市公交，由于市内运行，城市公交的轴荷变化量大，往往使得前轴轴荷大，因而往往需要动力转向，否则转向沉重；对于前轴荷小于2．8 t的轻型车从经济上和转向力综合考虑往往不需要动力转向。
8、悬架系统
    汽车悬架分为独立悬架和刚性悬架。由于独立悬架左右轮相互独立，且簧下质量较轻。因而广泛用于轿车。对于欧洲的客车来说。由于独立悬架独特的优点，因而也得到广泛的应用。但对于中国来说。由于独立悬架的工艺不成熟，因而没有得到应用。对于客车来说，由于所设计的客车的运行环境不同。对于客车所追求的性能也不同。城市公交由于乘员乘座时间短，因而对于偏频的要求也将宽一些，对于刚度要求大一些。因为载荷大，同时载荷的重心高，因而要求整车设计时。整备质量重心尽量低，以减小侧倾角。旅游客车则要求有较好的舒适性．较小的偏频。较低的刚度。由于偏频与挠度是两个矛盾的参数．因而在客车悬架系统设计中提出空载保高度、瞒载保偏频、超载保寿命的设计思想。对于整车设计。往往只考虑满载偏频，这一点对于城市公交可以理解。但对于旅游客车则应如轿车设计一样考虑70％的载荷。




K大于零时不足转向．可见悬架的刚度直接影响汽车操纵稳定性。从上式可知，增加前后横向稳定杆有利于平顺性。但后面的横向稳定杆不利于操纵稳定性。

(3)悬架对汽车横向稳定性及纵向稳定性的影响

    影响汽车横向稳定性及纵向稳定性的因素为弹簧刚度、弹簧中心距、悬架导向杆系的型式及布置。

    从弹性元件来讲分为空气悬架和钢板弹簧及油气悬架。钢板弹簧空满载偏频变化大，但寿命长。空气悬架寿命不易保证，但偏频一定。油气弹簧介于两者之间。

victor_cytc

好文章，可惜今天太晚了，没读完。改日再来细细研读。