汽车总体设计解读

汽车总体设计 1 章 1 概述 1 汽车新产品开发流程 分为规划阶 段 开发阶段 生产 准备阶段和生产阶段 2 概念设计 从产品创意开始 到构思草图 出模型和试 制出概念样车等一系列活动的全过程 概念设计阶段要完 成造型设计 选择基本尺寸和主要总成结构 绘制总体方 案图 画总布置草图调查分析市场容 量 确定生产纲领和 生产方式 确定整车指标 最后编写设计任务书 2 汽车形式的选择 1 汽车的分类 国标将汽车分为乘用车和商用车 乘用 车指在设计和技术特性上主要用于载运乘客及其随 身行李和或临时物品的汽车 包括驾驶员座位在内最多不 超过 9 个座位 商用车指在设计和技术特 性上用于运送人员 和货物的汽车 商用车又有客车 半挂牵引车 货车之分 2 乘用车的布置形式 1 发动机前置前轮驱动 FF 采 用前轮驱动使前桥轴荷大 有明显的不足转向特性 前轮 驱动使越障能力高 动力总成结构紧凑 车内地板凸包 高度降低 提高乘坐舒适性 发动机在轴距外时轴距可 缩短 有利于提高机动性 散热条件好 行李箱 空间足够 大 易改装为客货两用或救护车 供暖机构简单 效率高 操纵机 构简单 整备质量轻 发动机横置时主减速器的锥齿轮被 圆柱齿轮取代 制造难度降低 前轮驱动并转向需要等速 万向节 结构和制造工艺复杂 前轮工作条 件恶劣 轮胎 寿命短 爬坡能力降低 后轮易抱死并引起汽车侧滑 发动机横 置时总布置困难 接近性差 碰撞时发动机损失大 维修 费用高 2 发动机前置后轮驱动 FR 轴荷分配合理 利于提高轮胎的寿命 不需等速万向节 降低成本 操纵 机构简单 供暖机构简单 效率高 散热条件好 上坡时驱动 轮附着 力增大使爬坡能力增强 易改装为客货两用或救护车 行李箱空间足够大 变速器与主减速器分开使 拆装 维修容 易 发动机的接近性良好 地板上有通道 后排座椅中部座 垫减薄 影响乘坐舒适性 正面碰撞时易使发动机进入客舱 严 重伤害前排乘员 总长 轴距均较长 整车装备质量增大 同时影响到燃油经济性和动力性 3 发动机后置后轮 驱动 RR 动力总成结构紧凑 汽车前部高度有条件降低 改善驾驶员视野 地板凸包只需容纳操纵机构杆 件和加强地板 高度即可 改善了后排座椅中间乘员出入的条件 整车装备 质量小 乘客座椅能够布置 在舒适区内 上坡时驱动轮附着 力增大使爬坡能力增强 发机在轴距外时轴距可缩短 有利 于提高机动性 后桥负荷重使汽车具有过多转向倾向 操纵 性变坏 前轮附着力小 高速时转向不稳定 影响操纵稳定 性 行李箱体积不够大 操纵机构复杂 驾驶员不易发现发 动机故障 散热条件差且前风挡玻 璃除霜不利 发动机噪声易 传给乘员 追尾时发动机对后排乘员过构成险 不易改装为 客 货两用或救护车 因存在上述缺点 目前极少采用发动 机 后置后轮驱动方案 3 汽车主要参数的选择 1 汽车外廓尺寸限界规定如下 货车 整体式客车总长 不超过 12m 单铰接式客车不超过 18m 半挂汽车列车不 超过 16 5m 全挂汽车列车不超过 20m 不包括后视镜 汽车 宽不超过2 5m 空 载 顶窗关闭状态下 汽车高不超过 4m 后 视镜等单侧外伸量不超过最大宽度处 250mm 顶窗 换气 装置开启时不得超出车高 300mm 2 汽车质量参数的确 定 1 整车装备质量m0 车上带有全部装备 包括随车工具 备胎等 加满燃料 水 但没有装货和载人时的整车质量 2 载质量me 在硬质良好路面上行驶时所允许的额定载质量 3 质量系数 汽车载质量与整车装备质量的比值 即 me m0 4 总质量ma 装备齐全 并按规定装满客 货时的整车质量 5 轴荷分配 汽车在空载或满载静 止状态下 各车轴对支承平面的垂直负荷 也可以用占 空载或满 载的百分比来表示 3 汽车的动力性参数包 括最高车速 amax 加速时间t 上坡能力 比功率和比转矩 等 1 最高车速vamax 在水平良好的路面上汽车能达到 的最高行驶车速 2 加速时间t 在平直的良好路面上 从原地起步开始以最大加速度加速到一定车速所用时间 3 上坡能力 用满载时在良好路面上的最大坡度阻力系 数imax 来表示 4 比功率Pb 汽车所装发动机的标定最 大功率Pemax与汽车最大总质量ma 之比 即 Pb Pemax ma 5 比转矩Tb 汽车所装发动机的最大转矩 Temax 与汽车总质量ma 之比 即Tb Temax ma 4 燃 油经济性参数 汽车的燃油经济性用汽车在水平的水泥或 沥青路面上 以经济车速或多工况满载 行驶百公里的燃 油消耗量 L 100km 来评价 5 最小转弯直径Dmin 转向盘转至极限位置时汽车前外转向轮轮辙中心在支承平 面上的轨迹圆的直径 6 通过性几何参数有 最小离 地间隙hmin 接近角 1 离去角 2 纵向通过半径 1 等 7 操纵稳定性参数 1 转向特性参数 汽车以 0 4g 的 向心加速度沿定圆转向时 前后轮侧偏角之差 1 2 应 在 1 3 为宜 2 车身侧倾角 汽车以 0 4g 的向心 加速度沿定圆等速行驶时 车身侧倾角应在3 以内 不超过 7 3 制动前俯角 汽车以 0 4g 的减速度制动时车 身的前俯角不大于1 5 8 制动性参数 常用制动距离 s1 平均制动减速度j和行车制动的踏板力及应急制动时 的操纵力来评价制动效能 9 舒适性 包括平顺性 空气调节性能 车内噪声 乘坐环境及驾驶员的操作性能 3 发动机的选择 1 发动机主要性能指标的选择 1 发动机最大功率根据 所设计的汽车应达到的最高车速vamax km h 用下式估 算 emax 1Tagr3600amax D76140amax3 其中 Pemax 为 发动机最大功率 kW T 为传动系效率 ma 为汽车 总质量 kg g 为重力加速度 m s2 fr 为滚动阻力 系数 对乘用车fr 0 0165 1 0 01 va 50 va 用 vamax带入 CD 为空气阻力系数 A为汽车正面投影面积 m2 以上式估算的Pemax 为发动机装有全部附件时测 定得到的最大有效功率 约比发动机外特性的最大功率值 低 12 20 2 发动机最大转矩 Temaxemax 9549 emaxp 其中 Temax 为最大转矩 N m 为转矩适应性系数 Pemax 为发动机最大功 率 kW np 为最大功率转速 r min 要求np nT 在 1 4 2 0之间选取 3 发动机的悬置 1 传统橡胶悬置 结构简单 制造成本低 但动刚度和阻尼损失角的特性曲 线基本上不随激励频率变 化 2 液压悬置 其动刚度 和阻尼角有很强的变频特性 4 车身形式 1 乘用车车身形式 基本形式有折背式 直背式和舱 背式三种 主要全部在车身顶盖与车身后部形状之间 的关系上有差别 折背式有明显的发动机舱 客舱和 行李箱 车身顶盖与车身后部成折线连接 直背式后 风窗与行李箱连接 接近平直 舱背式车身顶盖比折 背式长 后窗与后行李箱盖形成一个整体车门 将折 背式车 身顶盖向后延伸到车尾 形成两厢式的变形乘用车 车身 2 客车车身形式 有单层和双层之分 按车头 形式不同又有平头式和短 长 头式 5 汽车的总体布置 1 整车布置的基准线 面 零线的确定 确定整车的零线 三维坐标面的交线 正负方向及标注 方式 均应在汽车满载状态下进行 并且绘图时应将汽车 前部绘在左侧 1 车架上平面线 纵梁上翼面较长的 一段平面或承载式车身中部地板或边梁的上缘面在侧 前 视图上的投影线 称为车架上平面线 它作为标注垂直尺寸 的基准线 面 z坐 标 线 向 上 为 向下为 该线标记 为 0 为了方便 可将车架上平面线画成水平的 将地面 线画成斜的 2 前轮中心线 通过左 右前轮中心 并垂直于车架平面线的平面 在侧视图和俯视图上的投影 线称为前轮中心线 它作为标注纵向尺寸的基准线 面 即x坐标线 向上为 向下为 该线标记为 0 3 汽车中心线 汽车纵向垂直对称平面在俯视图和 前视图上的投影线 称为汽车中心线 它作为标注 横向 尺寸的基准线 面 即y坐标线 向左为 向右 为 该线标记为 y 0 4 地面线 地平面在侧视 图和前视图上的投影线 称为地面线 它是标注汽车高 度 接近角 离去角 离地间隙和货台高度等尺寸的基 准线 5 前轮垂直线 通过左 右前轮中心 并垂直 于地面的平面 在侧视图和前视图上的投影线 称为前 轮垂直线 它是用来作为标注汽车轴距和前悬的基准线 当车架与地面平行时 前轮垂直线与前轮 中心线重合 如 乘用车 2 各部件的布置 1 发动机的布置 1 发动机 的上下位置 发动机高度位置初定以后 用汽缸体前端面 与曲轴中心线交点K到地面高度尺寸b来标明 2 发动 机的前后位置 应与发动机的上下位置一起确定 前后 位置确定后 用汽缸体前端面与曲轴中心线交点K到 前轮中心线之间的距离来标明 3 发动机的左右位置 发动机曲轴中心线在一般情况下与汽车中心线一致 2 油箱的布置 根据汽车最大续驶里程 一般为 200km 600km 来确定油箱的容积 3 车身内部布置 1 人体基本尺寸 人体尺寸测量所得的统计数据 2 H 点与R点 躯干与大腿相连的旋转点称为 跨点 实车测得的 跨点 位置称为H点 座椅调 整至最后 最下位置时的 跨点 称为R点 六 运动检查包括两方面内容 从整车角度 出发进行运动学正确性的检查 对有相对运动的部件或 零件进 行运动干涉检查 第 2 章 离合器设计 1 离合器的主要功用 切断和实现发动机对传动系的 动力传递 保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接 合 确保汽车平稳起步 换挡时将发动机与其传动系分 离 减少变速器中换挡齿轮之间的冲击 在工作中 受到较大的动载荷时 能限制传动系所受到的最大转矩 以防止传动系各零部件因过载而损坏 有效地降低传 动系中的振动和噪声 2 离合器的结构方案分析 1 从动盘数的选择 1 单片离合器 结构简单 轴向尺 寸紧凑 散热良好 维修调整方便 从动部分转动惯量小 使用时能保证分离彻底 采用轴向有弹性的从动盘可保证 接合平顺 2 双片离合器 与单片离合器相比 传递 转矩的能力较大 接合更为平顺 柔和 传递相同转矩的 情况下 径向尺寸较小 踏板力较小 中间压盘通风散热 性差 易引起摩擦片过热 加快磨损甚至烧坏 分离行程 较大 不易分离彻底 轴向尺寸较大 结构复杂 从动部 分转动惯量较大 3 多片离合器 多为湿式 接合更 平顺 柔和 摩擦表面温度较低 磨损较小 使用寿命长 但分离行程大 分离不彻底 轴向尺寸和从动部分转动惯 量大 2 压紧弹簧的选择 周置弹簧离合器 中央弹簧离 合器 斜置弹簧离合器和膜片弹簧离合器 3 离合器主要参数的选择 离合器的静摩擦力矩为 c 12031 3 其中 f为摩擦面间的 静摩擦因数 计算时一般取 0 25 0 30 Z为摩擦面数 单 片离合器的Z 2 双片离合器的Z 4 p0 为摩擦面承受的单位 压力 D为摩擦片外径 c为摩擦片内 外径之比 即 c d D 一般在 0 53 0 70之间 为了保证离合器在任何工 况下都能可靠地传递发动机的最大转矩 设计时Tc 应大 于发动机最大转矩 即 c emax 式中 Temax 为发动机最大 转矩 为离合器的后备系数 1 后备系数 离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动 机最大转矩之比 反映了离合器传递发动机最大 转矩的可 靠程度 2 单位压力p0 决定摩擦表面的耐磨性 3 摩擦片外径D 内径d和 厚 度b离合器结构形式及摩擦片 材料已定 发动机最大转矩已知 适当选取后备系数和 单位压力 可估 算摩擦片外径 即 12emax01 33 也可根 据发动机最大转矩按如下经验公式选用 Demax 式中KD 为 直径系数 外径D确定后摩擦片内径d可根据d D在 0 53 0 70之间来确定 厚度b主要有 3 2mm 3 5mm和 4 0mm三种 4 摩擦因数f 摩擦面数Z和离合器间隙 t摩擦片的摩擦 因数f取决于摩擦片的材料及其工作温度 单位压力和滑 磨速度等因素 其材料主要有石棉基材料 粉末冶金材料 和金属陶瓷材料等 摩擦面数Z为离合器从动盘数的两倍 离合器间隙 t是指离合器处于正常接合状态 分离套筒被 回位弹簧拉到后极限位置时 为保证摩擦片正常磨损过程 中离合器仍能完全接合 在分离轴承和分离杠杆内端之间 留有的间隙 该间隙 t一般为 3 4mm 4 膜片弹簧 1 膜片弹簧工作点位置的选择 曲线上拐点H对应膜片弹 簧的压平位置 而且 1 H 1 H 1 H 2 新离合器 在接合状态时膜片弹簧工作点B一般在凸点M和拐点H之 间 且靠近或在H点处 一般 1 B 0 8 1 0 1 H 以保证摩擦片在最大磨损限度 t范围内的压紧力从F1 B 到F1 A 变化不大 当分离时 膜片弹簧工作点从B变到 C 为最大限度地减小踏板力 C点应尽量靠近N点 2 膜片弹簧的材料及制造工艺 国内膜片弹簧一般采用 60Si2MnA 或 50CrVA 等优质高精度钢板材料 为提高 承载能力 进行强压处理和对凹面或双面进行喷丸处理 为提高分离指的耐磨性 可对其端部进行高频淬火 喷镀铬合金和镀镉或四氟乙烯 为防止其与压盘接触圆 形处由于拉力作用而产生裂纹 可对该处进行挤压处 理 以消除应力源 5 扭转减振器 1 扭转减振器具有如下功能 1 降低发动机曲轴与传 动系接合部分的扭转刚度 调谐传动系扭振固有频率 2 增加传动系扭振阻尼 抑制扭转共振响应振幅 并衰 减因冲击而产生的瞬态扭振 3 控制动力传动系总成 怠速时离合器与变速器轴系的扭振 消减变速器怠速噪声 和主减速器与变速器 的扭振及噪声 4 缓和非稳定工 况下传动系的扭转冲击载荷 改善离合器的接合平顺性 2 扭转减振器的主要参数 减振器的扭转刚度k 和阻尼 摩擦元件间的阻尼摩擦转矩T 是两个主要参数 决定了 减振器的减振效果 其设计参数还包括极限转矩Tj 预 紧转矩Tn 和极限转角 j 等 1 极限转矩Tj 减振器 在消除了限位销与从动盘毂缺口之间的间隙 1 时所能传 递的最大转矩 即限位销起作用时的转矩 2 扭转角 刚度k 决定于减振弹簧的线刚度及其结构布置尺寸 3 阻尼摩擦转矩T 一般根据Temax初选 4 预紧转 矩Tn 根据Temax 初选 不应大于T 5 减振弹簧 的位置半径R0 应尽可能大些 6 减振弹簧个数Zj 根据摩擦片外径D选取 7 减振弹簧总压力F 根据减 振弹簧传递的最大转矩Tj 和减振弹簧的位置半径R0 计算 8 极限转角 j 通常取 3 12 六 离合器操纵机 构的形式 常用的离合器操纵机构主要由机械式 液压 式 机械式和液压式操纵机构的助力器 气压式和自 动操纵机构等 第 3 章 机械式变速器设计 1 变速器的主要功用 改变发动机传到驱动轮上的转 矩和转速 使发动机在最有利的工况范围内工作 在起步 滑行或停车时使发动机的动力停止向驱动轮传 输 使汽车获得倒驶能力 需要时 还有动力输出 功能 2 变速器传动机构布置方 1 固定轴式变速器的分类 两轴式变速器和中间轴式变速 器 2 倒挡布置方案 多数方案均采用直齿滑动齿轮方 式换倒挡 也有少数变速器采用结构复杂的和使成本增 加的啮合套或同步器方案换倒挡 b 的优点是利用了中间 轴上的一挡齿轮 缩短了中间轴的长度 但换挡时要求两 对齿轮同时啮合 使换挡困难 c 能获得较大的倒挡传动 比 但换挡程序不合理 d 对前者作了修改而取代了该方 案 e 将一 倒挡齿轮做成一体 f 适用于全部齿轮副均 为常啮合的齿轮 g 缩短了变速器轴向长度 但操纵机 构角复杂 一挡与倒挡应靠近轴的支撑处 然后按从抵 挡到高挡的 顺序布置各挡齿轮 因倒挡使用时间非常短 有些方案将一挡布置在靠近轴的支撑处 再布置倒挡 3 齿轮形式 变速器用齿轮有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱 齿轮两种 变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱 齿轮 直齿圆柱齿轮仅用于抵挡和倒挡 3 变速器主要参数的确定 1 挡数的确定 通常变速器的 挡位数在 6 挡以下 挡位数超过 6 挡时 可在 6 挡以下的 主变速器基础上 再行配置副变速器 通过两者的组合 获得多挡变速器 在最低挡传动比不变的条件下 增加 变速器的挡数会使变速器相邻的抵挡与高挡之间的传动 比比值减小 使换挡工作容易进行 近年来 为了降低 油耗 变速器的挡数有增加的趋势 2 中心距 对中间轴 式变速器 是将中间轴与第二轴轴线之间的距离称为变速 器中心距A 对两轴式变速器 将变速器输入轴与输出轴 轴线之间的距离称为变速器中心距A 中心距越小 齿轮 的接触应力越大 齿轮寿命越短 因此 最小允许中心距 应由保证齿轮有必要的接触强度来确定 发动机前置前 驱动和发动机前置后驱动的乘用车变速器中心距可根据 发动机排量与变速器中心距的统计数据初选 3 齿轮 的变位 有高度变位和角度变位 高度变位齿轮副的一 对啮合齿轮的变位系数之和等于零 可增加小齿轮齿根 强度 但不能同时增加一对齿轮的强度 也很难降低噪 声 角度变位齿轮副的八位系数之和不等于零 其既 具有高度变位的优点 又避免了其缺点 4 同步器设计 1 同步器的种类 有常压式 惯性式和惯性增力式三种 得到广泛应用的是惯性式同步器 2 惯性式同步器有锁 销式 滑块式 锁环式 多片式和多锥式几种 它们都 有摩擦元件 锁止元件和弹性元件 3 锁销式同步器 工作原理 换挡过程由三个阶段组成 第一阶段 同步 器离开中间位置 轴向移动靠在摩擦面上 在摩擦力 矩的作用下锁销 4 相对滑动齿套 1 转动一个不大的角度 占据锁止位置 此时锁 止面接触 阻止滑动齿套向换挡 方向移动 第二阶段 来自手柄传至换挡拨叉并作用在 滑动齿套上的 力经锁止元件作用到摩擦面上 在摩擦力 矩作用下 滑动齿套 1 和齿轮 3 的转速逐渐接近 第三阶 段 滑动齿套 1 和齿轮 3 的