影响汽车操控和舒适性的基本结构

一辆操控性好的车辆应该具备的主要特点包括：敏捷而又精准的转向系统；具有卓越性能的行驶系统；较为厚重的底盘质量；输出响应快速的发动机；换档平顺和响应快速的变速器；合理的汽车质心位置；配置丰富的主动安全设备。

一辆舒适性好的车应该具备的主要特点包括：宽松的内部空间、卓越的平顺性能、自动化程度较高的智能化操控功能、上乘的内部装饰材料和精湛的内部装饰工艺、合理的轮胎结构、搭配恰当的悬架质量和非悬架质量。

从这些要求可以看出，影响汽车操控性和舒适性的结构因素包括：转向系统、行驶系统、发动机、变速器、车重及质心位置、轮胎及其前后轮定位（包括转向轮定位与四轮定位、车轮的动平衡等）、车身尺寸、装饰材料及工艺、主动安全电子设备和自动化程度较高的智能化操控功能等。

下面就影响汽车操控性和舒适性的一些主要因素进行介绍和分析。

1.转向器的类型及其“路感”

转向器输出功率与输入功率之比称为转向器传动效率。当功率由转向盘输入，从转向摇臂输出时，所求得的传动效率称为正传动效率；反之，转向摇臂受到道路冲击而传到转向盘的传动效率则称为逆传动效率。正、逆传动效率都很高的转向器（称为可逆式转向器），有利于汽车转向后转向轮的自动回正，但转向盘“路感”很强，也容易在坏路行驶时出现“打手”现象，所以主要应用于经常在良好路面行驶的车辆。正传动效率远大于逆传动效率的转向器（称为极限可逆式转向器），能实现汽车转向后转向轮的自动回正，只有路面冲击力很大时，方能部分地传到转向盘，其“路感”较差，主要应用于中型以上的越野汽车、工矿用自卸汽车等。

一般普通乘用车采用齿轮齿条式转向器和循环球式转向器，循环球式转向器是目前汽车应用最广泛的一种转向器。循环球式转向器在结构上的主要特点是有两级传动副，第一级传动副为螺杆—螺母传动副；第二级传动副为齿条—齿扇传动副。

循环球式转向器传动效率高（正效率最高可达90%～95%），操纵轻便，转向结束后自动回正能力强，使用寿命长。但其逆效率也很高，容易将路面冲击传给转向盘而产生“打手”现象，不过，随着道路条件的改善，这个缺点并不明显。因此，循环球式转向器广泛用于各类汽车上。

2.独立悬架和非独立悬架

悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺地行驶。

悬架主要由弹性元件、减振器、导向元件和横向稳定杆组成。其中，弹性元件的主要作用是减小对车身的冲击；减振器的主要作用是减小车身的振动；导向元件的主要作用是引导车身循着车轮运动轨迹行驶；横向稳定杆的主要作用是整合左右车轮各向运动的一致性。

非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车桥或桥壳相连，车轮连同车桥一起通过弹性元件安装在车架或车身的下面，如图5-4所示，当一边车轮遇到障碍跳动时，另一边车轮也会受到影响而跟着跳动。非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位参数变化小的优点，但其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已很少使用，多用在货车、SUV和大客车上。

独立悬架是每一侧的车轮都是单独地通过弹性元件挂在车架或车身下面，如图5-5所示，当一边车轮遇到障碍跳动时，另一边车轮受到的影响很小。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可采用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和振动。不过，独立悬架存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。现代轿车大都采用独立悬架，按其结构形式的不同，独立悬架又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架等。

图5-4 非独立悬架的结构特点示意图

图5-5 独立悬架的结构特点示意图

也有一些汽车处于对悬架性能的综合考虑，采用拖曳臂式半独立悬架。

在各种独立悬架中，一般认为多连杆式综合性能比较突出。该悬架系统是由3～5根杆件组合起来控制车轮的位置变化的悬架系统。它能使车轮绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线内摆动，是横臂式和纵臂式的折中方案，适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角，可不同程度地发挥横臂式与纵臂式悬架系统的优点，能满足不同的使用性能要求。多连杆式悬架系统的主要优点是：车轮跳动时轮距和前束的变化很小，不管汽车是在驱动、制动状态都可以按驾驶人的意图进行平稳地转向，其不足之处是汽车高速行驶时有轴摆动现象，如图5-6所示。

图5-6 多连杆悬架

横臂式悬架以其优越的性能排在多连杆式悬架之后，横臂式悬架是指车轮可在汽车横向平面内自由摆动的独立悬架，按横臂数量的多少又分为双横臂式（图5-7）和单横臂式悬架。

单横臂式具有结构简单，侧倾中心高，具有较强的抗侧倾能力的优点。但随着现代汽车速度的提高，侧倾中心过高会引起车轮跳动时轮距变化大，轮胎磨损加剧，而且在急转弯时左右车轮垂直力转移过大，导致后轮外倾角增大。而且其减少了后轮侧偏刚度，从而产生高速甩尾的危险工况。单横臂式独立悬架多应用在后悬架上，由于不能适应汽车高速行驶的要求，目前应用不多。

双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种形式。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大（与单横臂式相类似），造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。目前不等长双横臂式悬架已广泛应用在轿车的前后悬架上，部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬架结构。

纵臂式独立悬架是指限制车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架结构，如图5-8所示。纵臂式独立悬架又分为单纵臂式和双纵臂式两种形式。单纵臂式悬架当车轮上下跳动时会使主销后倾角产生较大的变化，因此单纵臂式悬架不用在转向轮上。双纵臂式悬架的两个摆臂一般做成等长的，形成一个平行四杆结构，这样，当车轮上下跳动时主销的后倾角保持不变。双纵臂式悬架多应用在转向轮上。

图5-7 双横臂式独立悬架

图5-8 纵臂式独立悬架

麦弗逊式悬架是沿着主销滑动的悬架，如图5-9所示。它的主销是可以摆动的。麦弗逊式悬架是摆臂式与烛式悬架的结合。与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性；由于取消了上横臂，给发动机及转向系统的布置带来方便；与烛式悬架相比，它的滑柱受到的侧向力也有较大的改善。

由于占用空间小，麦弗逊式悬架多应用在中小型轿车的前悬架上，国内常见的广州本田飞度、东风标致307、一汽丰田卡罗拉、上海通用君越、一汽大众迈腾、保时捷911、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等前悬架均采用了麦弗逊式独立悬架。虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量很高的悬架结构，但实践证明它是一种经久耐用的独立悬架，具有很强的道路适应能力。

图5-9 麦弗逊式独立悬架

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图5-10 拖曳臂式半独立悬架

拖曳臂式悬架又称为半独立悬架，如图5-10所示。从被动悬架的分类来看，悬架可以被分成两大类，即：独立悬架和非独立悬架，但是在单纵臂扭转梁悬架上，这两个分类变得有些模糊。从悬架结构来看属于非独立悬架，因为左右纵向摇臂被一根粗大的扭转梁焊接在一起，但是从悬架性能来看，这种悬架实现的是具有更高稳定性的全拖式独立悬架的性能。拖曳臂式悬架本身具有非独立悬架存在的缺点但同时也兼有独立悬架的优点，拖曳臂式悬架的最大优点是左右两轮的空间较大，而且车身的外倾角没有变化，减振器不产生弯曲应力，所以摩擦小。在使用中，这种悬架的舒适性和操控性均受到其结构的限制，表现得不尽人意。

3.车轮与轮胎

车轮的摆振现象、轮胎的侧偏特性以及轮胎的规格、品质、材料、形式和质量及由此所决定的车轮回正能力、轮胎的动平衡、轮胎的气压等都直接影响汽车的操控性。

4.车重及质心位置

汽车的质量过大，汽车的操控就会显得不灵敏，而过轻的汽车质量则会在高速时产生要“起飞”的感觉，驾驶人在转弯时会感觉“发飘”。因此，适度的自重与动力搭配对汽车的操控性非常重要。

汽车在竖直方向的质心位置取决于车身高度。显然，车身越低，汽车越稳定，过高的车身对汽车的操控性能不利。

为了使汽车在过弯道时呈现良好的转向特性，最为理想的轴荷分配是50∶50，即让汽车的质心尽量靠近车体的几何中心。当然，理想的轴荷分配又与汽车的总布置和传动系布置形式等有关。

比较典型的传动系统布置形式主要有发动机前置后轮驱动（FR）、发动机前置前轮驱动（FF）、发动机中置后轮驱动（MR）、发动机后置后轮驱动（RR）以及四轮驱动（4WD）。

图5-11 发动机前置后轮驱动

（1）发动机前置后轮驱动（FR） （图5-11）FR的优点是：车轮附着力大，易获得足够的驱动力，整车的前后重量比较平衡，操控稳定性较好。缺点是：传动部件多、传动系统质量大，贯穿乘坐舱的传动轴占据了舱内的地台空间。

发动机前置后轮驱动方式是比较理想的驱动方式。目前，大部分高级轿车或跑车都采用这种驱动方式。采用这种驱动方式的汽车能够达到最理想的前后轴静态质量分布50∶50，汽车转向性能很好，弯道通过性能最佳。这也是宝马汽车经常夸耀的“50∶50 Perfect Weight Distribution（50∶50完美轴重分配）”的原因。

发动机质量越大体积越大，50∶50完美轴重分配设计难度越大，而且车头长度也会越长，留给驾驶舱的空间就越少。超长的前后轮轴距还会带来车架刚度的问题，汽车轴距越长需要的车架刚度越高。随着车身科技的发展，多连杆悬架系统的出现也大大减少了不平衡车重分布对操控性的负面影响，主动/半主动悬架系统的出现也有助于平衡车重的设计，现在汽车车架刚度比过去已有大幅提高。

（2）发动机前置前轮驱动（FF） （图5-12）FF的优点是：降低了车厢地台，操控性有明显的转向不足特性，另外其抗侧滑的能力也比FR强。缺点是：上坡时驱动轮附着力会减小；前轮用于驱动兼转向，导致结构复杂、工作条件恶劣。

发动机横置放置在前轮轴之上的布局成本最低，动力损失和后置发动机后轮驱动一样都是最少的。由于发动机横向放置在车头，能够给乘员舱空出尽量多的空间，同时由于质量主要集中在前车轴（转向轮）上，所以FF车拥有非常大的附着力。目前，许多廉价家庭用车或跑车甚至中价商务房车都采用了FF的布局方式。

虽然FF布置有非常多的先天优势，但FF布置的缺点也是非常明显的：转向不足的倾向。由于质量分布集中在前轮轴，驱动轮同时是转向轮，即使FF车天生拥有非常高的附着力，但转向反应还是非常迟钝，惰性很大，“不肯转弯”，在制动时由于质量分布前移，质量集中在前轮轴的FF汽车该项缺点就更加明显。随着能够做一定角度“辅助转向”的半拖曳臂（Semi Trailing Arm）式的半独立后悬架的出现，让设计反应敏捷的FF布置方式的汽车成为可能，这方面经典的车型有高尔夫MarkⅠ/Ⅱ、标致205 GTI/306 GTI、雷诺Clio Sport等。

图5-12 发动机前置前轮驱动

随着20世纪90年代中后期多连杆式后悬架系统的技术日趋成熟，多连杆后悬架系统开始出现在中高档的FF汽车上，复杂高效的多连杆系统让FF车操控上的弊病几乎得到了根治，比如福特福克斯/蒙迪欧、最新一代本田西维克/雅阁/英特格拉等都使用了FF布置和多连杆后悬架系统。在汽车拉力赛场上，前置发动机配合4轮驱动更是如虎添翼，例如，著名的4WD/AWD系统都是以前置发动机前轮驱动为蓝本（保持发动机在前轮轴之前/靠前位置），利用先进的4WD系统增强在越野路面的抓地力和动力分布，并利用先进的输出装置分布控制克服FF车转向不足的缺点，典型车型有蓝瑟EVO、斯巴鲁STI等。

（3）发动机中置后轮驱动（MR） MR的优点是轴荷分配均匀，具有很中性的操控特性，缺点是发动机占去了乘座舱的空间，降低了空间利用率和实用性，因此MR大都是追求操控表现的跑车。

发动机放置在前后轮轴之间的布局一般出现在超级跑车和方程式赛车上。由于汽车在转弯时，汽车各个部分因为离心力的作用会有向弯道外侧运动的趋势，而发动机是质量最大的部分，因此发动机所受离心力对汽车转弯有至关重要的影响。

实验证明，如果把发动机横置放在后轮轴之前的中偏后位置，动力传输最直接，动力流失最少，而且发动机的质量带来的重力直接作用在后轮轴上，大大增强了驱动轮的附着力，这样赛车的起步和加速能力都会有显著提高。同时并不占驾驶舱的空间，还可以把车体做得很短小或者保留宽敞的驾驶舱。20世纪60年代的方程式赛车和勒芒赛车开始采用这种布局，那时，直列式/水平对置发动机非常流行，“横中置”的布局成为当时最热门的布局方式，超级跑车上第一辆采用这种布局的是兰博基尼（Lamborghini）的开山之作Miura。常见的还有MR2/MG-F/LOTUS ELISE等小型中置发动机小跑车。

横中置优点固然很多，但缺点也很明显：发动机横向放置大大限制了发动机的尺寸，而且增大了赛车的宽度，增加了风阻。由于多气缸V形发动机如V12横置在后轮轴上并不能发挥V形发动机本身的尺寸整体优势，同时V形发动机横中置提高了发动机在后轮轴上的重心，由于发动机的质量实际上还是偏置在后轮轴上，所以这种布置形式离真正的“中置发动机”还是有差距。

由于这个原因，一个新的布局中纵置布置形式就应运而生了。中纵置布局顾名思义就是把发动机纵置安装在后车轮轴之前，这样，多气缸的V形或者水平对置发动机能够发挥体积小的优势，同时不会增加车体宽度，减少了正面迎风面积。最重要的是，发动机因此更接近车体的中心，让更多质量集中在车体中心靠后的位置。这样既获得比横中置好的操控性，同时也因为发动机依然处在车体中心靠后的位置，发动机质量带来的重力依然作用在后车轴，所以高附着力的优点也得到保留，现在的F1赛车、勒芒原型车和各种中置发动机的超级跑车均采用这种布局。中纵置的布局在转弯时质心（发动机）实际非常靠近车体的中心，拥有非常中性的操控性，是目前最理想的布局形式。

由于发动机实际上是占用了驾驶舱部分位置，所以一般这种布局的超级跑车只有前座座位。而且发动机靠近驾驶舱带来的振动、隔热、隔声问题都很让设计师头痛，这种布局会让车体变长，必须提高车架的刚度配合，因此一般只在超级跑车、顶级赛车才会见到这种设计。

中纵置布局可以有两种布局方式：一是变速器完全在后驱动轴之前（普遍方式），二是变速器成为后驱动轴结构的一部分，大部分的变速器处在后车轮车轴上，用以改变车体质量分布。如SALEEN S7就是用这种方法改变质量分布，主要在于提升后轮的附着力（让更多质量靠后）。使用这种结构的跑车、赛车尾部都会很长。

（4）发动机后置后轮驱动（RR） RR的优点是结构紧凑，没有沉重的传动轴，也没有复杂的前轮转向兼驱动结构。缺点是后轴负荷较大，在操控性方面会产生与FF相反的转向过度倾向。

后置发动机后轮驱动的经典车型当属甲壳虫和保时捷911，这种布置方式使汽车能够获得更大的驱动轮附着力，因此动力输出更直接更快。因为质量集中在后轮轴，同时拥有相对短的轴距（事实上，新一代的911的轴距和新迷你一样长），911拥有非常敏捷的转向反应，在转弯中由于车尾惯性的带动有明显的甩尾倾向。当911处于制动状态时，车身质量分布前移，这时原来还是37∶63的911在制动瞬间质量分布实际上变为50∶50。这个50∶50是动态的，50∶50的瞬间质量分布正是制动时最理想的质量分布，也只有尾重头轻的汽车才能在制动的瞬间达到。

由于后置发动机能够带来制动可靠性和循迹性等方面的优势，保时捷在耐力赛和拉力赛都有骄人成绩。保时捷第一代911测试原型车就赢得了Monte Carlo的冠军。

后置发动机带来的过分“后倾”的特性虽然让人忠爱，但其在一般汽车上必须要设后悬架系统配合，否则马力一大就成“脱缰野马”。而且在赛车上过分的转向过多倾向意味着严重的后轮磨损和非中性的极限操控性。同时后置发动机的发动机舱细小，只能容下水平对置一类的小体积发动机，限制了发动机的气缸数目和排量，对散热也不利，而且维修难度也比较大。

5.发动机和变速器

发动机的动力输出稳定、平顺，有较大转矩和功率输出，且转矩和功率输出随转速变化小；变速器档位清晰、换档平顺等是汽车实现良好操控性的动力基础。没有良好的发动机和变速器输出动力，汽车的操控性将无从谈起。