德国版汽车工程手册-汽车工程手册：德国版

第一个汽车方案需要同时考虑对汽车的所有设计要求，当然在选择主要参数时要考虑在以后的研发阶段有一定的自由度。以下的设计要求对汽车方案设计有很大影响：

1）主要的竞争对手（当前、预测、未来），包括这些竞争对手的定位、比较。

2）汽车的使用范围（休闲车、商用车、城市车、高档旅游车、越野车、运动车）。

3）各种变型车身。

4）配备防撞结构的粗略的安全方案。

5）座位数、行李舱空间、可变性。

6）对座位的人机工程要求（舒适性要求）。

7）动力装置和传动系方案。

表示在图4.2-2中的汽车方案的各个设计范围将在以下具体说明。

图4.2-2 汽车方案的设计范围

1.外形尺寸和汽车等级

为保证汽车内、外尺寸的可比性，需要统一的、重要的、表示汽车尺寸的定义和尺寸符号^[2，3]（图4.2-3、图4.2-4）。

图4.2-3 汽车在x方向、z方向的外部尺寸和符号名称[3]

根据这些外形尺寸，可在汽车工业内和专业出版物中进行汽车等级分类。按汽车外形尺寸分类的实例表示在表4.2-1中。

众多车型的出现显示这种汽车等级分类的局限性。为此，根据汽车使用量或汽车使用范围对汽车等级分类进行补充。这种分类的实例是：

1）敞篷轿车（包括双门敞篷轿车）。

2）运动车（包括运动双门轿车）。

表4.2-1 汽车分级、实例、外部尺寸（部分的为早先车型的数据）

3）越野车（包括多功能运动车SUV）。

4）厢式车。

从技术和汽车方案角度，按汽车使用数量和使用范围分类不是好的方法，因为这种分类不能覆盖可实现的所有汽车方案。下面将汽车等级分类扩大到汽车的各种使用形式（结构变型）。但要注意这样的等级分类，对汽车的外形尺寸没有一定的限制，而是随时的调整。

2.结构特点和方案的组合

表4.2-2两栏中的第一栏表示各种汽车结构特点与定义的汽车等级结合可以组合成各种汽车方案。目前市场上出现的各种汽车组合方案见表4.2-2。

图4.2-4 汽车在y方向的外部尺寸和符号名称^[3]

表4.2-2 各种汽车的结构特点和应用（×广泛应用，*个别应用）

将结构特点补列到方案组合中反映了汽车市场的现状。方案研究表明，在新的汽车等级中增加了各种结构型式的汽车，以及在市场上还会发现很多混合式结构形式的汽车，参见4.2.6小节“汽车方案的发展”。

3.汽车的基本形状

除结构特点外，还不断地利用不同的汽车基本形状作为汽车差异化的特征。表4.2-3的第1、2、3列为它们间的差别。

表4.2-3 汽车的基本形状和应用范围

第3列是汽车的经典型式。汽车分成发动机室、乘员室和行李舱3部分。

第2列的汽车是客货两用车和双门轿车范围，带可变的后排座椅。乘员室与行李舱隔开，或两室可变。

在第1列中，两个结构形式是不同的。一是常规的第2列结构形式，其外形为第1列汽车的基本形状；另一个是真正的第1列结构形式，发动机室利用“三明治”式车底。这样不需要隔开x方向的空间结构（底部方案）。

特别是在一些汽车组合方案中稍晚出现的竞争对手，通过汽车基本形状寻找汽车差异化的潜能。当前世界汽车工业的趋势是汽车的基本形状正明显地从经典的第3列汽车方案发展为可变的第1列和第2列汽车方案。

此外，按第1列汽车基本形状设计和“三明治”式车底的汽车是一个好方案，可以集成代用能量载体，如蓄电池或燃料电池，见4.3节。

4.座位、行李舱和车内空间的可变性

现今的车内空间是可变的。主要的变化是紧凑型车和双门敞篷轿车的2座位、小型车和两门轿车的4座位和其他汽车等级的5座位。在厢式车的组合方案中为6～8座位。

在4～5座位范围，大多通过可折叠的第2排座椅实现座位的变化（1/1、1/3-2/3或1/2-1/2），从而增加行李舱空间（表4.2-4）。

表4.2-4 各等级汽车的车内主要尺寸、汽车实例（部分的为早先车型）

有6个或更多座位的厢式车，有两个不同的方案，以实现车内空间的变化。一是拆掉一些座椅（解决旅游时的储存和车内狭窄问题）；二是采用灵活的、经济空间的座椅方案，不用时可翻转座椅。

5.重要的车内尺寸

同车外尺寸一样，需要在国际上规范有关参考点及符号名称的车内尺寸^[2，3]（图4.2-5、图4.2-6）。

表4.2-4列出各汽车等级按它们的车内尺寸大小排列的实例。

图4.2-5 汽车在x和z方向的车内尺寸定义和符号名称[3]

图4.2-6 汽车y方向内部尺寸定义和符号名称^[3]

为设计汽车组装和详细的方案，H30、H61、L34、L50和脚后跟与前车轮中心间的距离（L114-L53）是重要尺寸。为确定尺寸L50，要注意前座椅靠背。

在4.2.3小节中将就这些尺寸的相关性、它们在汽车组装中的重要尺寸链和对发动机室、传动、安全方案和白车身结构的相关性进一步分析、讨论。

在分析车内尺寸时要注意，所有尺寸（如H30、L34、H61、L50）都与R点有关。R点就是乘员髋关节中心，它由汽车生产厂家在规定的边界条件范围作为标准化和检验设计规范（如视野、安全带周围）的基础而定义。

按原来的规定，R点应位于臀部位置，实际上R点位于臀部可调范围1/3处。

此处，在这时期由于流行座椅高度和转向盘可调，使参考尺寸的可对照性越来越困难（详见4.2.3小节）。(www.xing528.com)

6.动力装置和传动系方案

所有的动力装置和传动系方案有一个重要的设计余地，但也有很大的限制或规定[4]。下面几点对确定汽车方案很重要：

1）发动机结构型式（V形、直列、对置）。

2）动力装置布置（发动机纵向或横向布置，发动机前置、后置或中置，传统布置或车底布置）。

3）驱动方案（前驱动、后驱动或全轮驱动）。

4）传动系方案（变速器、中间变速器、车桥变速器和万向轴）。

这里指出的可选择方案数是可达到性能要求的、理论上的最大方案数。各种附加的约束会限制它们的实际使用。

（1）发动机结构型式 发动机方案（见第5章）的下列几点对汽车方案特别重要：

1）基本发动机（裸机）的主要尺寸。

2）曲轴位置（与离合器直径和液力变矩器直径有关）。

3）油底壳、进气系、附件、排气系、废气涡轮增压器（如有）或压缩机外形尺寸。

4）发动机振动特性对动力装置支撑、发动机支撑型式和对副支架的必要性与副支架的型式至关重要（参见3.4节）。

基本发动机（裸机）的主要尺寸可以很容易地从发动机的基本配置（行程、缸径、气缸数和位置、配气机构和辅助装置驱动的位置和型式）得到。其他部件的一些外形尺寸常与汽车有关。基本发动机要与汽车配合。为设计动力装置与汽车的“接口”，需要汽车总方案与发动机方案间的不断协调。

VR、V-VR、W发动机的特点是紧凑；V6发动机、V8发动机的结构特点是短；对置发动机的结构特点是矮、重心低、平衡性好。这些发动机的结构型式和特点详见参考文献[5]。

（2）动力装置布置 动力装置布置随下列情况而变：

1）发动机纵向或横向布置。

2）发动机前置、后置或中置。

3）发动机常规布置或布置在底部。

由于特殊要求（通常是汽车较短），可以在汽车底部安装发动机，但至今只是横置。在汽车底部中置发动机至今几乎没有成批的应用。

各种动力装置布置对所用的发动机都有专门的约束。从汽车方案角度，主要的约束随动力装置安装点和位置而不同。表4.2-5是可能的动力装置布置、各种限制（约束）/缺点和适用的发动机结构型式一览表。

发动机前置还有一个优点，在汽车前部碰撞时发动机可及时地起到支撑作用。

发动机后置和中置的优点是在汽车前部的自由碰撞长度不受发动机限制。但在汽车前部布置燃油箱时会受到其他方面的限制。

（3）驱动方案和传动路线 驱动桥与动力装置布置的组合可实现各种传动路线，见表4.2-6（详见5.4节传动路线和5.5节全轮驱动）。

表4.2-5 各种动力装置布置的优点和限制

（续）

注：×=合理；○=例外，合理；n=不合理。

表4.2-6 驱动桥和常用的动力装置布置

以下就发动机前置可能的传动系方案作进一步说明。传动系方案严重影响汽车总体设计。

（4）传动系方案 表4.2-7是发动机前置时所有流行的传动系方案。关系到整车重大设计方案在于：布置发动机、变速器、差速器和万向轴。

表4.2-7 前置发动机的传动系方案实例

（续）

1）发动机前置、纵向安装、前驱动。纵向安装发动机与前驱动组合，其主要限制是变速器输出轴与发动机/变速器法兰间的距离以及万向轴的弯角，因为在前面会形成较长的通道。

2）发动机前置、横向安装。发动机前置、横向安装时传动系的主要优点是有实现很短的汽车前部的潜力，使整车的外形十分紧凑^[6]。在低档汽车上几乎都采用这一方案。

3）标准驱动。标准驱动可以使前桥靠近汽车前部。当驱动更多的传输通道时，这种传动系方案易于实现发动机中间靠前的布置。较宽的尺寸W20和W25可以补偿较宽的通道。如果不能实现这种补偿，就无法在对称于人体中心的位置安置踏板。

4）传动轴。传动轴—传动系易于实现短的汽车前部和良好牵引力的轴载分布。该方案与全轮驱动的组合无任何意义。传动轴—传动系严重影响汽车后部方案，特别是燃油箱的布置。

5）全轮驱动。在由标准驱动派生而来的全轮驱动方案中，汽车前部的空间限制由于分动器、车桥变速器和万向轴（在发动机下面或“通过”发动机）而变得更加严重。

在由发动机前置派生而来的全轮驱动方案中，汽车前部保持不变（具有全部的优点和缺点）。在汽车后部需要考虑在燃油箱、后行李舱以及后桥周围为布置万向轴、差速器和万向节附加的结构空间要求。由发动机前置、横向安装派生的全轮驱动由于牵引力的原因，需要大的发动机功率。发动机前置、横向安装、后驱动的传动系方案没有意义。

7.混合动力方案

除常规的传动系方案外，混合动力方案对汽车方案提出新挑战。混合动力汽车是电动机、相应的储能技术与常规内燃机的组合。混合动力方案基本上可分3级：

1）低混合动力方案（起动—停车系统、起动发电机）。

2）中混合动力方案（只提升功能）。

3）全混合动力方案（可纯电力行驶）。

这些混合动力方案根据对汽车方案的影响不同而有区别。全混合动力方案要注意下列部件：

1）电动机。

2）电能储存器（蓄电池、超级电容器CAPs）。

3）功率电子器件、各种电控单元。

4）离合器、联轴节传动机构。

5）混合动力部件的冷却系统。

在布置电动机并联连接到传动线路（系统）时，有功率分支混合动力（电动机总是在功率流中）和并联混合动力两种方案。并联混合动力方案是电动机与内燃机并联，通过力矩叠加器将功率汇流。

混合动力汽车方案有直接按混合动力驱动研发而成的（如丰田普锐斯）^[26]，或将其事后组合到已有的汽车方案中（如雷克萨斯RX 400h）^[27]。在部件方面可期待有更多的混合动力部件组合到常规的模块中（如将电动机组合到主要变速器中）。

目前，混合动力技术还不能取得快速的创新突突，特别是储能器。在未来几年，混合动力技术的进步会在汽车方案上有更大的自由度（发展空间）。