《汽车设计》重点知识点总结（已完结）

这学期的专业课《汽车设计》，听说学长学姐普遍都只考了七八十，我真的麻了。就借这篇文章来督促自己复习总结吧，也希望对期末备考的你有帮助，如有疑问欢迎留言指正！

第一章汽车总体设计

一、汽车设计的特点及要求

1.汽车运行的工作环境和使用条件多变，要求有良好的适应性、可靠性

2.汽车品种多、产量大，零部件数量多，设计要系列化、通用化、标准化

3.汽车使用中要消耗能源、排出污染物，应有良好经济性和低污染

4.作为道路运输工具，汽车必须具有更好的安全性

5.与生活的密切联系，要外部造型美观、色彩协调，拆装与维修方便

好看、好用、好修、好造、好卖，节能、环保、安全、舒适

轻量化、电动化、智能化、网联化、共享化

二、汽车的开发流程

汽车的开发流程主要为市场调研、概念设计、工程设计、工程验证、投产支持。

三、汽车的分类

1.L类：两轮、三轮车

2.M类：载客汽车

3.N类：货车

4.O类：挂车

5.G类：越野车

Q1：M、N类汽车是如何细分的？

主要是按座位数和总重量分类

Q2：微型轿车、普通级轿车、中级轿车是如何分类的？

跟据国标，轿车按排量分为5类，分别是微型轿车、普通级轿车、中级轿车、中高级轿车、高级轿车

Q3：汽车的驱动形式如何表达？

表示法：m $\times$ n，其中m是车轮总数，n为驱动轮数（双胎算一个）

四、汽车的布置形式

1.乘用车的布置形式（重点）

乘用车布置形式主要有5类，分别是前置前驱（FF）、前置后驱（FR）、后置后驱（RR）、中置后驱（MR）、四驱（4WD）

一般家用车常用FF布置形式

乘用车布置形式优缺点比较（考点）：

【解释说明】

爬坡能力：上坡时，质量后移，由汽车理论知识地面对后轴反力大于前轴，因此发动机后置能获得更大驱动力

制动稳定性：虽然制动时发动机质量也会前移，但较大部分质量仍会留在后轴，地面制动力大，因此稳定性较好，不易发生侧滑

转向特性：K（稳态转向系数）值大于0，越倾向于不足转向；K小于0，越倾向于过度转向。前置重心前移，a减小b增大，由K计算公式 $K=\frac{\pi}{L^{2}}（-\left| \frac{a}{k_{2}}\right|+\left| \frac{b}{k_{1}} \right|）$ 可知，前置时K倾向于大于0，故易不足转向

越障能力：越过障碍主要看前轮，前驱能力好

机动性：看转弯半径，半径小转弯需要的空间小，机动性好。转弯半径主要看L，FF、RR布置紧凑，L较小，因此只有FR相对差一点

Q：MR和4WD并没有出现在表格，如何分析？

MR：发动机占用车内空间，日常实用性差

4WD：四轮附着力最大化，爬坡、越障能力、制动稳定性（轴荷更均衡，不容易抱死）最好；但动力布置结构非常复杂，成本高。一般只有越野车采用

2.客车的布置形式

乘用车布置形式主要有3类，分别是前置后驱（FR）、中置后驱（MR）、后置后驱（RR）

乘用车布置形式优缺点比较：

3.货车的布置形式

货车的布置形式主要有三种，分别为长头式、半长头式、平头式

长头式车头呈流线型，风阻系数小，经济性好，维修方便，对乘员安全性好，但车头遮挡视野，占用较大轴距空间，装载量受限，前轴易超载；平头式视野盲区小，装载效率最高，但迎风面积大，发动机位于驾驶室下方，驾驶舒适性差

五、汽车主要参数的确定

1.尺寸参数

包含外廓尺寸（长宽高）、轴距、轮距、前悬、后悬。其中，汽车的总长=轴距+前悬+后悬

对于外廓尺寸有表中规定：

2.质量参数

包含整车整备质量 $m_{0}$ 、载客量与装载质量 $m_{e}$ 、质量系数 $\eta_{m0}$ 、汽车总质量 $m_{a}$ 、轴荷分配

（1）整车整备质量 $m_{0}$ ：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

减小 $m_{0}$ 的主要方法有采用结构优化设计、使用轻量化材料、使用先进加工制造技术

（2）载客量与装载质量 $m_{e}$ ：乘用车的载客量包括驾驶员在内不超过9座，又称为M1类汽车。装载质量 $m_{e}$ 指在良好路面上行驶时所允许的额定装载量（不含乘客质量，专指货车载货）

（3）质量系数 $\eta_{m0}$ ：汽车装载质量 $m_{e}$ 与整车整备质量 $m_{0}$ 的比值。一般装载质量越大的汽车，其质量系数也越大。质量系数大，说明汽车设计水平、工艺水平高

（4）汽车总质量 $m_{a}$ ：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、满载静止状态下，各轴对支承平面的垂直载荷

3.性能参数

包含动力性参数、燃油经济性参数、最小转弯直径 $D_{min}$ 、通过性几何参数、操纵稳定性几何参数、制动性参数、舒适性

（1）动力性参数包括最高车速、加速时间、最大爬坡度、汽车比功率和比转矩

比功率 $P_{b}$ 、比转矩 $T_{b}$ 分别是发动机标定最大功率、最大转矩与汽车总质量 $m_{a}$ 之比。两者越大，汽车动力性越好。一般轿车比功率大于货车

比功率综合反映汽车的动力性，比转矩反应汽车的牵引能力

（2）燃油经济性参数中，一般评价指标为经济车速和百公里燃油消耗量（L/100km），货车的评价指标为单位质量的百公里油耗量[L/(100t km)]

视频讲解

《汽车设计》知识点梳理——第一章汽车总体设计https://www.zhihu.com/video/2032124948299388524

课后习题

1.发动机前置前轮驱动的布置形式，如今在乘用车上得到广泛应用，其原因究竟是什么？而发动机后置后轮驱动在客车上得到广泛应用，其原因又是什么？

2.汽车的主要参数分哪几类？各类又含有哪些参数？各质量参数是如何定义的？

第二章离合器设计

一、设计概述

1.离合器的功用

（1）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

（2）换档时将发动机与传动系分离，减少变速器换挡齿轮间的冲击

（3）限制传动系所承受的最大转矩，防止发动机和传动系过载

（4）有效降低传动系统中的振动和噪声

2.膜片弹簧离合器的优点

（1）具有较理想的非线性弹性特性

（2）结构简单，轴向尺寸小，零部件数目少，质量小

（3）高速旋转时，压紧力降低很少，性能较稳定

（4）压力分布均匀，摩擦片磨损均匀

（5）易于实现良好的通风散热，使用寿命长

（6）动平衡性好

（7）有利于大批量生产，降低制造成本

3.设计要求

（1）在汽车规定工况下能可靠地传递发动机的最大转矩，且传递转矩的能力有适当储备

（2）分离时要彻底迅速

（3）接合时要平顺柔和，以保证汽车起步平稳，没有抖动和冲击

（4）离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换档时齿轮间的冲击，便于换挡

（5）应使汽车传动系统避免危险的扭矩共振，具有吸收振动、缓冲冲击和减少噪声的能力

（6）离合器压盘应有足够热容量，并且散热通风良好，以防止工作温度过高

（7）操纵轻便，以减轻驾驶人的疲劳

（8）在离合器使用过程中，作用在摩擦片上的正压力和摩擦系数变化要小，力求使离合器工作性能保持稳定、可靠、工作寿命长

二、主要参数的选择

1.离合器后备系数 $\beta$

（1）后备系数 $\beta$ 是离合器设计中的一个重要参数，它反映离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。 $\beta=\frac{T_{c}}{T_{emax}}$ ，其中 $T_{c}$ 是离合器所能传递的最大静摩擦力矩， $T_{emax}$ 是发动机最大转矩。根据定义， $\beta$ 一定大于1

（2）常用取值范围

Q：为什么乘用车后备系数取值1.2~1.75？为什么不是越大越好？为什么后面两种车型的后备系数取得更大？

a.为可靠传递发动机最大转矩， $\beta$ 不宜选取太小

b.为减少传动系过载，保证操纵轻便， $\beta$ 不宜取太大

c.汽车总质量越大， $\beta$ 也应选得越大

d.柴油机工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的 $\beta$ 值应比汽油机大些

(3)选取考虑因素

a.摩擦片在使用中磨损后，确保离合器仍能传递发动机最大转矩

b.应能避免离合器在车辆起步过程中出现的过量磨损

c.应能防止传动系统过载

2.单位压力 $P_{0}$

单位压力决定摩擦表面的耐磨性，单位压力越高，摩擦表面的热负荷越大，因此，单位压力对离合器工作性能和使用寿命有很大影响，在选择单位压力时主要考虑摩擦片的材料

三、膜片弹簧设计

1.膜片弹簧的结构：蝶形的弹簧钢片上开径向槽，形成分离指和碟簧两个部分，分离指起杠杆作用，碟簧起弹簧作用

2.膜片弹簧的弹性特性：非线性，子午断面刚性地绕此断面上某中性点O转动。

3.膜片弹簧的强度：根据上图可知，B处应力最大，但是是压应力，产生裂纹和破环源的可能性较小，而A、C是拉应力（虽然不是最高），产生破环的可能性较大

4.主要设计参数的选择

（1）膜片弹簧工作位置的选择：曲线拐点对应膜片弹簧压平位置。新离合器接合时，工作点B一般取在凸点M与拐点H之间，且靠近H处，一般 $\lambda_{1B}=（0.8\sim1.0）\lambda_{1H}$ ，以保证摩擦片在最大磨损限度 $\Delta\lambda$ 范围内压紧力从 $F_{1B}$ 到 $F_{1A}$ 变化不大。当分离时，膜片弹簧工作点从B变到C，为最大限度减小踏板力，C点应尽量靠近N点

图中的C'点是为了与线性弹性相比较

（2）高厚比 $H/h$ 推荐取1.5~2.0，以保证压紧力变化不大和操纵轻便

（3）外内径比 $R/r$ 常取1.2~1.3，比值增大，刚度减小，所能存储的弹性变形能力越小

四、扭转减速器设计

1.扭转减速器主要由弹性元件和阻尼元件组成。弹性元件的主要作用是降低传动系的扭转刚度，改变系统固有振型，尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振。阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量

2.减振弹簧个数一般取偶数，目的是为了达到动平衡

五、离合器的优化设计

1.后备系数 $\beta$ 和单位压力 $p_{0}$ 取决于离合器工作压力F和离合器主要尺寸参数D和d。因此离合器基本参数的优化设计变量选为F、D、d

2.优化设计追求的目标是在保证离合器性能要求的条件下，使其结构尺寸尽可能小

3.限制最外侧线速度的原因是，线速度越大磨损越不均匀

视频讲解

《汽车设计》知识点梳理——第二章离合器设计https://www.zhihu.com/video/2035362672888300564

课后习题

判断题

1. 在一般情况下，换挡时不用将发动机与传动系分离，直接换挡以缩短换挡时间。

2. 离合器在接合时和分离时都要求迅速、彻底。

3. 单片离合器结构简单，轴向尺寸紧凑、散热良好，使用时能保证分离彻底。

4. 膜片弹簧具有较理想的线性弹性特性。

5. 膜片弹簧具有较好的动平衡性能。

6. 离合器的后备系数反映了其传递发动机最大转矩的可靠程度，因此取值越大越好。

7. 汽车总质量越大，后备系数也应选得越大。

8. 离合器的后备系数必须大于或等于1。

9. 一般来说粉末冶金材料的摩擦片单位压力大于石棉基材料的单位压力。

10. 离合器能有效地降低传动系中的振动和噪音。

11. 膜片弹簧是一种压紧弹簧，不具备分离杠杆的作用。

12. 膜片弹簧易于实现良好的通风散热，使用寿命长。

13. 摩擦面数Z为离合器从动盘数的两倍。

14. 汽车离合器膜片弹簧高厚比H/h的取值可取为1.5~2.0。

15. 图中H点的位置为新离合器工作点的位置。

16. 摩擦片的厚度b主要有3.2mm、3.5mm和4.0mm三种。

17. 下图为膜片弹簧切向应力在子午断面中的分布，经分析可知O点的应力值最高。

18. 扭转减振器主要由弹性元件和刚性元件组成。

19. 扭转减振器中弹性元件的主要作用是有效地耗散振动能量。

20. 具有单级线性特性的扭转减振器广泛应用于汽油机汽车中。

21. 为了实现良好的动平衡性能，减振弹簧的个数应选取双数值。

22. 离合器操纵机构中的踏板行程由自由行程和工作行程两部分组成。

答案：

1	×	12	√
2	×	13	√
3	√	14	√
4	×	15	×
5	√	16	√
6	×	17	×
7	√	18	×
8	×	19	×
9	√	20	√
10	√	21	√
11	×	22	√

简答题

1. 离合器的后备系数是什么？如何选取？

2. 画出膜片弹簧的弹性特性曲线，标出工作点位置，并简述工作点的确定方法

答案

第三章变速器设计（外教授课）

一、为什么我们需要变速器？

发动机的工作转速区间和输出功率存在局限性，在低转速（RPM）下的输出扭矩较低，仅靠自身扭矩，不足以让车辆从静止状态爬坡起步

而变速器作为扭矩与转速的转换器，可以调节动力输出，让发动机始终工作在最佳运行区间，实现车辆的目标加速时间与最高车速，匹配全工况行驶需求

二、牵引力计算

1.牵引力（Tractive force）

$牵引力（N）=\frac{传动效率*电机峰值功率(W)}{车速(m/s)}$

2.轮胎牵引力极限（Tyre traction limit）

$轮胎牵引力极限=M_{驱动轮}(驱动轮载荷)\times g\times \mu(路面附着系数)$

受所受垂直载荷影响，载荷转移会改变轮胎垂直载荷，进而影响轮胎牵引力极限

加速工况下的纵向载荷转移（Longitudinal load transfer in acceleration）

$WT_{L}=\frac{Ma_{x}h}{w}$ ， $a_{x}$ 为车辆行驶方向加速度，M为汽车总质量，h为质心高度，w为轴距

Q1：后轮驱动（RWD）车辆，总质量 1700kg，静态后轮载荷分配 65%，轮胎附着系数 1.1。设计目标最大加速度 8.1m/s²（对应 0-100km/h 加速 3.5 秒），轴距 2.5m，质心高度 0.4m，求牵引力极限

后轮载荷=（ $(m_{rear}\times 9.81)+\frac{M*a_{x}*h}{w}$ ）= $(1700\times 0.65\times9.81)+\frac{1700*8.1*0.4}{2.5}$ =13043N

牵引力极限=13043*1.1=14347.53N

Q2：上题其他条件不变，现在该车辆静止于 33% 坡度（对应角度 18.4°）的坡道上，求牵引力极限

后轮载荷= $\frac{(mg\times cos\theta\times Lf)+(mg\times sin\theta \times H)}{L}=\frac{(1700\times cos18.4\times9.81\times 2.5\times0.65)+(1700\times9.81\times0.4)}{2.5}=11128N$

牵引力极限=11128*1.1=12241N

在坡道上，无非就是要用力矩平衡来求解一下反力大小

3.阻力(Resistance forces)

（1）滚动阻力（Tyre rolling resistance）

$R_{R}=m*g*f_{r}$

（2）空气阻力（Aerodynamic drag）

$R_{a}=\frac{1}{2}*\rho*A*Cd*v^{2}$

（3）坡道阻力（Gradient Resistance）

$R_{G}=mgsin\theta$

牵引力曲线与总阻力曲线的交点，代表了该车辆所能达到的最高车速

三、挡位匹配计算

1.驱动力（Driving force）

$F_{tyre}=\frac{\eta（传动效率）\times R_{g}（变速箱传动比）\times R_{f}(主减速器传动比)\times T_{e}（发动机输出转矩）)}{r}$

Q1：某车辆的交点车速（牵引力 = 阻力）为 312 km/h，该点的阻力为 3577 N。发动机在最大功率转速下的扭矩 = 399 N·m，轮胎半径 0.345 m，传动效率 90%。求最终传动比（final drive ratio）

最终传动比= $\frac{最高车速对应阻力\times 车轮半径}{传动效率\times最大功率点扭矩}=\frac{3577\times0.345}{0.9\times399}=3.436：1$ （本质为驱动力计算公式）

这里应用了最高车速的定义，阻力等于驱动力。最终传动比为总传动比

Q2：已知车辆主减速器传动比为 3.436，要求车辆以 100 km/h 行驶时，发动机转速为 2200 RPM，轮胎半径 0.345 m，计算最高挡位传动比 $R_{ghighest}$

$R_{ghighest}=\frac{RPM\times Tyre-circumference}{60\times R_{f}\times V}=\frac{2200\times0.345\times2\pi}{60\times3.436\times100/3.6}=0.832:1$

这里分子发动机转速乘以车轮周长就等于车轮转速，这个公式化简一下就是最高档传动比比上最终传动比等于车轮转速比上最高车速。注意这里的最高档位传动比指的是变速器的

当然，如果你使用汽车理论中的发动机转速-车速的关系式，也是可以计算出同样的数值的，但是注意速度的单位是公里每小时

2.第一挡传动比（first gear ratio）

设计要求：发动机最大扭矩经传动系统放大后的驱动力 = 轮胎附着力极限

如果的一挡传动比过大，驱动力大于附着力，导致起步打滑，动力浪费，加剧轮胎磨损；反之动力不够无法爬坡

$R_{1st}=\frac{traction limit_{tyre}\times r}{T_{max}\times R_{f}\times\eta}$ (其本质仍是驱动力计算式)

Q：轮胎附着力极限为 14,347N，主减速比为 3.436，发动机最大扭矩为 440N*m，传动效率为 90%，轮胎半径为 0.345m，计算一挡传动比

$R_{1st}=\frac{14347\times 0.345}{440\times 3.436\times 0.9}=3.637：1$

3.中间挡位传动比

Q：

首先需要计算转速比s，该值为发动机最大扭矩转速与最大功率转速的比值： $s=\frac{6000}{8250}=0.727$

再计算中间挡位传动比： $n_{p}=n_{1}\times 0.727^{p-1}$

例如，当第一挡传动比为3.637时，四挡传动比为： $n_{4}=n_{1}\times 0.7^{4-1}=3.637\times0.727^{3}=1.399$

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《汽车设计》知识点梳理——第三章变速器设计https://www.zhihu.com/video/2035363246157342422

课后习题

1.（多选）对燃油车的机械变速器，它的主要功能有哪些

A.使车辆能倒退

B.改变发动机传递给车轮的扭矩和转速

C.能够半离合，柔和的传递动力，使车辆顺利起步

D.能够挂空挡

2.（多选）变速器是车辆动力系统的一部分，下面哪些因素会直接影响变速器的选型和设计计算？

A.车辆的转弯半径

B.车辆的最高车速

C.车辆的最大爬坡度

D.车辆的造型和风阻系数

E.车轮半径

F.车辆的悬架特性

G.发动机动力参数

3.相比内燃机汽车，为什么大部分纯电动汽车不需要变速器？

答案

1	ABD
2	BCDEG

第四章万向节与传动轴设计

一、万向节设计

1.万向节工作原理：万向节通过十字轴，允许两轴相对角度任意变化，同时依靠滚针轴承承受弯矩和扭矩，实现连续、可靠、变角度的动力传递

2.万向节功用：主要用于工作过程中相对位置不断变化的两轴间动力传递

3.万向节的设计要求（考点）

（1）保证所连接两轴的相对位置在预定范围内变动时，能可靠地传递动力

（2）保证所连接的两轴尽可能地等速旋转，使得由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声在允许范围内，不产生共振现象

（3）传动效率高、寿命长、结构简单、容易维修

4.分类

首先按照扭转方向是否有明显弹性形变，可以分为刚性万向节和挠性万向节。以角速度划分，刚性万向节又分为不等速万向节、准等速万向节、等速万向节。

（1）不等速万向节

由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承、轴箱定位件和橡胶密封件组成

特点：结构简单、强度高、耐久性好、传动效率高、成本低，但夹角不宜过大

破坏形式：十字轴轴颈和滚针轴承的磨损，十字轴轴颈和滚针轴承碗工作面的压痕与剥落，因此润滑和密封直接影响其使用寿命

（2）准等速万向节（双联式、三销轴式）

准等速万向节是根据双万向节可以实现等速传动的原理设计的，实现近似等速传动，以适应重载等工况

双联轴式万向节实际由两个十字万向节组合而成

优点：允许两轴间的夹角较大（可达50度），轴承密封性好、效率高、工作可靠、不需要特殊的工艺设计

缺点：外形尺寸较大、零件数目多，传递的扭矩受滚针轴承许用挤压应力的限制

用途：中吨位以上的越野汽车

三销轴式万向节由两个偏心拨叉、两个三销轴和6个滚针轴承组成，允许的最大夹角为45度，可以使汽车获得较小的转弯半径，提高机动性；但与此同时外形尺寸大，结构复杂，两端承受附加弯矩和轴向力，毛坯需精锻。一般用于个别重型越野车

（3）等速万向节（球叉式、球笼式）

等速传动原理：工作过程中传力点永远位于两轴夹角的平分线上。两个同样的锥齿轮相互啮合传动，从动齿轮与主动齿轮的转速必然是相同的

通过这种设计，该类万向节实现了完全等速，允许大夹角，适应复杂工况，缺点是成本较高

球叉式万向节分为圆弧槽球叉式和直槽滚道球叉式。圆弧槽球叉式的传动夹角小于32度，磨损快，用于轻中型越野车转向驱动桥；直槽滚道球叉式传动夹角小于20度，两轴间允许一定量的滑动，用于断开式驱动桥，在许多轿车上的转向驱动桥中，该万向节可补偿半轴在摆动时的长度变化，而不需要传动花键

球笼式万向节是目前应用最广泛的一种等速万向节，可分为带分度机构和不带分度机构两种。钢球由球笼保持在同一平面内，当万向节的夹角变化时，靠分度杆拨动导向盘，并带动球笼使6个钢球处于轴间夹角的平分面上。万向节6个钢球全部传递转矩，两轴间的最大夹角可达35度到37度

Birfield（固定型球笼）型等速万向节是Rzeppa的改进版，靠不同心的内外滚道交叉定位钢球，实现等速传动。特点是承载强、效率高、结构紧凑，广泛用于独立悬架转向驱动桥的车轮侧，但对滚道加工精度要求较高、成本高

伸缩型球笼万向节外滚道为直槽，可伸缩，省去滑动花键，结构简单，效率高，最大允许20度的工作夹角

5.万向节输入轴和输出轴等速旋转的条件（考点）

（1）两个十字轴万向节

（2）与传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面内

（3）两万向节与转动轴夹角相等

为什么第二个式子把主动从动反过来写？是因为两个万向节正好抵消单个万向节的不等速特性，第二个万向节所连接的第三根轴要和第一根轴等速

6.万向传动轴的应用

（1）变速器与驱动桥的主减速器之间（十字轴万向节）

（2）车轮与差速器之间（等速万向节）

（3）驱动桥

（4）多轴驱动

（5）方向盘和转向器

二、传动轴设计

1.传动轴的临界转速

传动轴的临界转速，就是当传动轴的工作速度接近于其弯曲固有频率振动时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。临界转速是旋转轴失去稳定性的最低转速

2.传动轴临界转速的计算

$n_{k}=1.2\times 10^{8}\frac{\sqrt{D^{2}+d^{2}}}{L^{2}}$

其中D为传动轴外径，d为内径，L为传动轴两支承点之间的长度，单位都是毫米

视频讲解

《汽车设计》知识点梳理——第四章万向节与传动轴设计https://www.zhihu.com/video/2033297225359606917

课后习题

判断题

1. 万向节能保证所连接的两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能可靠而稳定地传递动力。

2. 根据在受压的方向上是否有明显的弹性，万向节可以分为刚性万向节和挠性万向节。

3. 等速万向节是指所连接的两轴夹角大于零时，输出轴和输入轴的瞬时角速度不同，但平均角速度相等的万向节。

4. 十字轴万向节结构简单、强度高、耐久性好、传动效率高、成本低，所连接的两轴间的夹角可达到45度。

5. 球叉式万向节是一种准等速万向节。

6. 当输入轴转速很高，且输入、输出轴之间的夹角较大时，从动叉所产生的惯性力矩可能会超过结构许用值。

7. 经过合理布置，双万向节传动可以消除万向节叉所受的附加弯矩。

8. 为减小附加弯矩，多万向节传动在设计时应使空载和满载两种工况下的当量夹角不超过5度。

9. 万向传动轴的计算载荷可以取按发动机最大转矩且变速器处于一档时的转矩和驱动轮打滑时的转矩二者中的较大值。

10. 传动轴的临界转速取决于它的材料、尺寸、结构及支承情况。

11. 传动轴总成的不平衡是传动系弯曲振动的一个激励源，会引起振动和噪声。

12. 双联式万向节实际上是由两个十字轴万向节组合而成，允许两轴间的夹角较大。

13. 球笼式万向节是目前应用最为广泛的一种等速万向节，可分为带分度机构和不带分度机构两种。

14. Birfield型等速万向节主要用于独立悬架转向驱动桥靠近主减速器一侧。

15. 为补偿由于前轮跳动引起的轮距变化，伸缩型万向节内要设置伸缩花键。

16. Birfield型等速万向节允许的最大工作夹角大于伸缩型球笼式万向节。

17. 十字轴的主要失效形式是滚针的受压断裂。

18. 万向传动轴的计算载荷可以按发动机最大转矩和末档传动比确定。

19. 临界转速是指旋转轴失去稳定性的最低转速。

20. 为提高传动轴的刚度和强度，宜采用实心轴。

21. 在长轴距汽车上，将传动轴分段可以提高传动系的弯曲刚度，改善传动系的弯曲振动特性，减少噪音。

1	√	7	×	13	√	19	√
2	×	8	×	14	√	20	×
3	√	9	×	15	×	21	√
4	×	10	×	16	√
5	×	11	√	17	√
6	√	12	√	18	×

简答题

1. 简要描述万向节的功用，以及分类?

2. 万向节主要应用在汽车上哪些位置？

答案

第五章车桥设计

一、概述

1.车桥的特点及功用

车桥通过悬架与车架（或承载式车身）相连，两端安装车轮。其功用是传递车轮与车架（或承载式车身）之间各方向的作用力及其转矩

2.车桥的分类及组成

（1）转向桥：前梁、转向节及主销

（2）驱动桥：主减速器、差速器、车轮传动装置（半轴或万向节）、驱动桥壳（或变速器壳体）等

（3）转向驱动桥：综合以上两种

另外还有支持桥（FF轿车后桥）

3.驱动桥的功用及设计要求

（1）功用：a.增扭、降速，改变转矩传递方向（主减速器），将转矩合理分配给左右驱动轮（差速器）b.承受作用于路面与车架或车身之间的力和力矩（桥壳）

（2）设计要求：

1）主减速比 $i_{0}$ 应保证汽车有最佳的动力性和燃油经济性。其值越大，加速时间越短，但经济性下降

2）差速器保证左右驱动轮差速滚动外，还能将转矩连续平稳传递给驱动轮

3）当左右驱动轮与路面附着条件不一致时，充分利用汽车驱动力

4）桥壳应有足够的强度刚度，保证齿轮正确啮合，并承受和传递车轮与悬架之间的各种力；质量小，提高行驶平顺性

5）外廓尺寸小，保证足够的最小离地间隙 $h_{min}$ ，保证通过性

6）工作平稳，噪声小

7）传动效率高

8）与悬架导向机构运动协调，对转向驱动桥，还应与转向机构运动协调

9）结构简单，工艺性好，制造容易，维修、调整方便

4.驱动桥结构形式

分为整体式和断开式

形式	整体式	断开式
结构特点	1.用刚性整体桥壳连接左右车轮 2.主减速器、差速器、半轴安装在桥壳中（簧下）	1.没有刚性整体桥壳 2.两侧驱动轮可以独立相对车架或车身上下摆动 3.主减速器等固定在车架/车身上（簧上质量）
簧下质量	驱动桥、驱动轮	部分车轮传动装置、驱动桥、驱动轮
适用悬架	非独立悬架	独立悬架

方案分析

二、主减速器设计

结构形式分类

1.主减速器齿轮类型

分为弧齿锥齿轮，双曲面齿轮，圆柱齿轮，蜗杆涡轮

（1）弧齿锥齿轮

特点：主、从动齿轮轴线垂直相交于一点，齿线为圆弧或摆线，至少两对以上的轮齿同时啮合，主动齿轮螺旋角 $\beta_{1}$ =从动齿轮螺旋角 $\beta_{2}$ ，传动比 $i_{0h}$ = $r_{2}/r_{1}$ (两者分别为从、主动齿轮平均分度圆半径)

（2）双曲面齿轮

特点：主、从动齿轮轴线垂直而不相交，齿线为双曲线，主动齿轮螺旋角 $\beta_{1}$ >从动齿轮螺旋角 $\beta_{2}$ ,因此主从、动齿轮圆周力也不相等

偏移距E：主动齿轮轴线相对于从动齿轮轴线向上或向下偏移的距离

偏移角 $\varepsilon$ ： $\epsilon$ = $\beta_{1}-\beta_{2}$

传动比：双曲面齿轮传动比大于弧齿锥齿轮传动比

$i_{0s}=(F_{2}r_{2})/(F_{1}r_{1})=(F_{2}/F_{1})\times(r_{2}/r_{1})=(cos\beta_{2}/cos\beta_{1})\times(r_{2}/r_{1})=K\times i_{0h}$

$由于\beta_{1}>\beta_{2},所以K>1,所以i_{0s}>i_{0h}$

优点：

根据上面的公式，在主、从动齿轮分度圆半径分别相等时，双曲面齿轮传动比大；当传动比、从动齿轮分度圆半径相等时，双曲面齿轮主动齿轮半径大，弯曲应力小，有较高的轮齿强度；传动比、主动齿轮分度圆半径相等时，双曲面从动齿轮尺寸小，驱动桥可以获得较大离地间隙

a.主减速比大：双曲面齿轮主动齿轮螺旋角较大，不产生根切的最小齿数可减少，可以选用较少的齿数 $z_{1}$ ，有利于增加主减速比

b.运转平稳：因存在偏移距E，双曲面齿轮存在沿齿高方向的侧向滑动，沿齿长方向的纵向滑动，后者可改善齿轮的磨合过程，提高运转平稳性

c.加工刀具寿命长：主动轮齿较大，加工时所需刀盘刀顶距较大，切削刃寿命长

d.齿轮弯曲强度和接触强度大：因存在偏移距E，主动齿轮螺旋角大，同时啮合齿数多，重合度较大（啮合齿数多，共同分担载荷），因此弯曲强度大；主动齿轮 $D_{1}$ 及螺旋角 $\beta_{1}$ 较大，可降低齿面接触应力（与 $D_{1}$ 成反比），齿面接触强度提高

e.偏移距有利于汽车总体布置：上偏移有利于多轴驱动桥的贯通，增大传动轴离地高度；下偏移能降低万向传动轴的高度，有利于降低车身高度和质心高度

缺点：

a.主动齿轮轴承负荷增大：因其螺旋角大，具有较大轴向力

b.传动效率低：沿齿长方向的纵向滑动会使摩擦损失增加，传动效率降低

c.抗胶合能力较低：齿面间大的压力和摩擦功，导致油膜破坏和齿面烧结坏死

（3）圆柱齿轮传动

特点：两齿轮轴线平行

（4）蜗轮蜗杆传动

特点：主、从动件的轴线垂直而不相交

优点：传动比大，工作平稳无噪声，传递载荷大，结构简单、拆装方便，便于汽车总布置

缺点：材料成本较高，传动效率较低

四种主减速器齿轮类型的比较

2.主减速器的减速形式

（1）单级减速器

结构简单、质量小、制造成本低、使用简单，应用于主减速比 $i_{0}\leq$ 7.6的汽车。主减速比较大时，从动轮直径增大，离地间隙减小，通过性降低，且从动齿轮热处理困难。主要用于轿车和轻中型货车

（2）双级主减速器

在保证离地间隙的同时，传动比更大（一般为7.6~12），但尺寸、质量较大，结构复杂，制造成本高，一般用于总质量较大的中、重型商用车和部分越野汽车

（3）双速主减速器

在双级的基础上增加了一套换挡机构，让主减速器可以切换两档传动比，但结构较为复杂；主要应用于单桥驱动且总质量较大的汽车，如重型车、越野车等

（4）单双级减速配轮边减速器

尺寸小，离地间隙大，主减速比可达16~26，但每桥两套轮边减速器，结构复杂、制造成本高，应用于 $i_{0}$ >12的驱动桥（如低地板公交车、重型货车）

3.齿轮支承形式

（1）主动锥齿轮的支撑

悬臂式传动轴刚度小，承载能力小，结构简单，布置容易，适用于轿车和轻型货车；跨置式则情况相反，适用于重型货车

（2）从动锥齿轮的支撑

用于具有较大主减速比和径向尺寸较大的主减速器中

三、差速器设计

1.功用

允许两输出轴以不同角速度转动，合理分配两输出轴间转矩，适应复杂路况

2.工作原理

两侧车轮阻力相同，行星齿轮不自转，跟随差速器壳体一起公转，两侧转速相同；转弯、阻力不均时，行星齿轮自转实现差速

3.结构形式选择

（1）普通锥齿轮式差速器

组成：由差速器壳体、行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴等

锁紧系数 $K=T_{r}/T_{o}$ （其中 $T_{r}$ 为差速器内部摩擦力矩， $T_{o}$ 是差速器传给半轴的转矩）

K值越大，差速器锁止能力越强

转矩比 $K_{b}$ = $T_{2}/T_{1}$ = $(1+K)/(1-K)$

由于普通锥齿轮式差速器内部摩擦较小，缩紧系数K几乎为0，因此转矩比接近于1，所以当一侧车轮转矩较低时，另一侧车轮的转矩也无法达到较高值，牵引力受限

（2）摩擦片式差速器（K=0.6， $K_{b}$ =4）

出现转速差时，摩擦片之间产生摩擦力矩，阻碍差速，把更多转矩传递给不打滑的车轮

特点：转矩比大，牵引力大，但摩擦片寿命有限，成本高

（3）强制锁止式差速器

差速锁包含内、外接合器，当内外接合器相互接合时，将半轴齿轮与差速器壳体连为一体，差速器失去差速功能，两侧车轮以相同速度转动，传递给两侧驱动轮的转矩可不同

K=1，差速器锁住时，汽车所能发挥的最大牵引力为 $F_{t}=左驱动轮最大牵引力+右驱动轮最大牵引力=（G_{2}/2）\varphi_{1}+（G_{2}/2）\varphi_{2}=（G_{2}/2）（\varphi_{1}+\varphi_{2}）$

因此其能够较好的利用转矩，保证牵引力，但缺点是高速锁止会损坏传动系统且无法转弯

Q：不是总说减速增扭吗？那为啥差速器能改变轮速分配不能改变扭矩大小呢？

有传动比才会改变扭矩大小，差速器虽有行星齿轮但并没有形成传动比

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课后习题

选择题

1【单选题】前置后驱货车的后桥是（）。

A、驱动桥

B、转向桥

C、支持桥

D、转向驱动桥

2【单选题】主减速比增大，则汽车的动力性（）。

A、增强

B、不确定

C、减弱

D、不变

3【单选题】驱动桥外廓尺寸增大，则汽车通过性（）。

A、减弱

B、不变

C、不确定

D、增强

4【单选题】前置前驱轿车爱丽舍的后桥是（）。

A、转向桥

B、转向驱动桥

C、驱动桥

D、支持桥

5【单选题】主减速比增大，则汽车的油耗（）。

A、不确定

B、减少

C、不变

D、增加

6【单选题】前置后驱货车的前桥是（）。

A、转向驱动桥

B、转向桥

C、驱动桥

D、支持桥

7【多选题】（）属于转向驱动桥的零部件。

A、主销

B、转向节

C、差速器

D、主减速器

8【多选题】转向桥主要由（）组成。

A、转向节

B、转向器

C、主销

D、前梁

9【多选题】驱动桥主要由（）组成。

A、驱动桥壳

B、车轮传动装置

C、主减速器

D、差速器

10【单选题】当双曲面齿轮传动与弧齿锥齿轮传动的主、从动齿轮尺寸分别相同时，双曲面齿轮传动比（）弧齿锥齿轮传动比。

A、不确定

B、等于

C、小于

D、大于

11【单选题】单级主减速器的主减速比为10.3，则可采用的齿轮类型为（）。

A、双曲面齿轮

B、圆柱齿轮

C、弧齿锥齿轮

D、蜗轮蜗杆

12【单选题】当双曲面齿轮传动与弧齿锥齿轮传动的传动比相同，主动齿轮尺寸也相同时，前者从动齿轮直径（）后者从动齿轮直径。

A、小于

B、不确定

C、等于

D、大于

13【单选题】齿轮类型为（）时，主减速器传动效率最低。

A、双曲面齿轮

B、弧齿锥齿轮

C、蜗轮蜗杆

D、圆柱齿轮

14【单选题】当双曲面齿轮传动与弧齿锥齿轮传动的传动比相同，从动齿轮尺寸也相同时，前者主动齿轮直径（）后者主动齿轮直径。

A、小于

B、大于

C、等于

D、不确定

15【单选题】下列主减速器齿轮传动形式图中，（）是双曲面齿轮传动。

A、A

B、C

C、D

D、B

16【单选题】主、从动齿轮的轴线垂直相交于一点的是（）。

A、蜗轮蜗杆传动

B、圆柱齿轮传动

C、弧齿锥齿轮传动

D、双曲面齿轮传动

17【单选题】双曲面齿轮主减速器中，主动齿轮螺旋角β1（）从动齿轮螺旋角β2。

A、大于

B、等于

C、不确定

D、小于

18【多选题】主、从动件的轴线垂直而不相交的是（）。

A、双曲面齿轮传动

B、弧齿锥齿轮传动

C、蜗轮蜗杆传动

D、圆柱齿轮传动

19【多选题】主、从动件的螺旋角相等的是（）。

A、双曲面齿轮传动

B、蜗轮蜗杆传动

C、弧齿锥齿轮传动

D、斜齿圆柱齿轮传动

20【单选题】下列差速器中，锁紧系数最大的是（）。

A、普通锥齿轮式差速器

B、摩擦片式差速器

C、强制锁止式差速器

D、涡轮式差速器

答案

1	A	7	ABCD	13	C	19	BCD
2	A	8	ACD	14	B	20	C
3	A	9	ABCD	15	D
4	D	10	D	16	C
5	D	11	D	17	A
6	B	12	A	18	AC

判断题

1【判断题】整体式驱动桥的抗侧滑能力优于断开式驱动桥。

2【判断题】整体式驱动桥可配用于独立悬架。

3【判断题】转向驱动桥的半轴是整体式的一根轴。

4【判断题】整体式驱动桥的主减速器为簧上质量。

5【判断题】断开式驱动桥的平顺性优于整体式驱动桥。

6.【判断题】发动机纵置且前置前驱动的乘用车驱动桥可采用圆柱齿轮传动的主减速器。

答案

1	×
2	×
3	×
4	×
5	√
6	×

简答题

1.按齿轮类型分类，驱动桥主减速器有哪几种结构形式？按减速形式分类，驱动桥主减速器有哪几种结构形式？按齿轮支承形式分类，驱动桥主减速器有哪几种结构形式？简述上述各种结构形式的主要特点及其应用

2.何谓双曲面齿轮传动主减速器？有何特点？如何从驱动桥外部即可判定是弧齿锥齿轮传动还是双曲面齿轮传动？

3.有一辆15座小公共汽车采用普通锥齿轮差速器，其锁紧系数K为0.15。设驱动桥上的一个车轮1位于冰面上，附着系数φmin为0.1，另外一个车轮2位于水泥路面上，附着系数φmax为0.7，驱动桥轴荷G2为20000N。试确定在该驱动桥上可以发出的最大驱动力

答案

第六章悬架系统设计

一、概述

1.悬架系统的功用

（1）弹性连接车架（车身）与车轴（车轮）

（2）传递作用在车轮与车架（车身）之间的一切力和力矩

（3）缓和路面传递给车架（车身）的载荷和振动，保证行驶平顺性

（4）保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力

2.悬架系统的组成

弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器

3.设计要求

（1）保证有良好的行驶平顺性（固有频率、非线性弹性）

（2）具有合适的衰减振动能力（减振器）

（3）保证有良好的操纵稳定性

（4）保证稳定（制动或加速），减少车身纵倾（转弯）

（5）具有良好的隔声能力

（6）结构紧凑、占用空间尺寸小

（7）可靠传递各种力和力矩，保证有足够的强度和寿命（满足零部件质量小）

二、悬架结构形式

1.两大形式

独立悬架：左右车轮用各自的轴和悬架与车架（车身）连接

非独立悬架：左右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（车身）连接

（1）非独立悬架

优点：结构简单、制造容易、维修方便、工作可靠

缺点：平顺性较差（钢板弹簧、刚度大），高速行驶时操作稳定性差

（2）独立悬架

优点：簧下质量小、占用空间小、弹簧刚度小（频率低、平顺性好）、整车质心下降（行驶稳定性好）、良好的地面附着力（车轮不会相互影响运动）

缺点：结构复杂、成本较高、维修困难

2.悬架的分类

1）双横臂（双叉臂）式悬架

操控上限高，轮距变化小，适合性能车，但结构复杂、占空间

2）单横臂式悬架

结构简单成本低，但轮距变化大、轮胎磨损快，乘用车已基本淘汰

3）单纵臂式悬架

省空间、轮距不变，但横向刚度弱，多用于老式后驱车

4）斜置单臂式悬架

单横、纵臂的折中方案，结构简单，现在很少用在乘用车上

5）麦弗逊（滑柱摆臂）式悬架

家用车主流，省空间、成本低，操控够用，极限性能弱于双叉臂；但滑柱受侧向力大，对减震器寿命不利，上支点较高，不适于有车架的车身

6）扭转梁随动臂悬架

家用车后悬常用，结构简单省空间、成本低，舒适性和操控弱于多连杆

3.评价指标

（1）侧倾中心高度

侧倾中心为左右车轮中心接地点与减震器连线的交点。侧倾中心越高，侧倾中心就与质心接近，侧倾力矩就小，可以提高操纵稳定性。过高的侧倾中心会导致轮距变化量剧增，加剧磨损的同时会引起干涉风险

（2）车轮定位参数的变化

主销后倾的作用是产生回正力矩。主销后倾角越大，转向轮胎的摆振就越剧烈，影响稳定性

外倾角越大，影响直线行驶稳定性、轮距变化（侧滑）和轮胎磨损率

（3）悬架侧倾角刚度

侧倾角刚度是车身产生单位侧倾角所需要的侧倾力矩，即悬架抵抗车身侧倾的能力。刚度越大，则侧倾越小，稳定性好，但过大会使轮胎接地特性变差，舒适性下降；刚度越小，则失控风险高

（4）横向刚度

横向刚度不足时，车轮受侧向力会产生较大的横向位移，导致轮胎侧偏角不稳定，引发方向盘摆振，影响汽车操纵稳定性

（5）占用的空间尺寸

占用空间过大，会影响发动机布置，且拆装维修困难；占用空间小则可给行李箱留出空间

4.前、后悬架方案的选择

（1）前后轮均采用非独立悬架

如上图，向左转弯，内侧悬架（右侧）处于减载状态而外侧悬架（左侧）处于加载状态，于是内侧悬架受拉伸，增加了过多转向趋势（甩尾）；外侧悬架受压缩，使不足转向趋势增加

改进措施：将钢板弹簧的前部吊耳支架做得比后部低，使悬架的顺势运动中心下降，外侧悬架与车桥连接处的运动轨迹为oa段，内侧悬架偏移量得到明显降低，不再具有过多转向趋势

（2）前轮和后轮均采用独立悬架

前悬架：麦弗逊式，结构紧凑、制动稳定性好（可以形成负主销偏移距，产生更大回正力矩，增加不足转向特性）

后悬架：扭转随动式，使后轮产生同向随动转向，解决了过多转向的危险；同时结构简单，空间平整，适应汽车后排空间布置

5.辅助元件

（1）横向稳定器：提升侧倾刚度，抑制车身侧倾

（2）缓冲块：限制悬架最大压缩行程，防止金属部件接触

三、悬架主要参数

1.静挠度、动挠度的选择

静挠度：汽车满载时悬架上的载荷与此时悬架刚度之比

动挠度：从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移

选择要求：

（1）使悬架系统有较低的固有频率

（2）希望前后悬架的静挠度接近，但不能相等，防止共振；同时希望前悬架静挠度大于后悬架静挠度，如果后悬架静挠度大，车身的振动大，不利于汽车加速

若汽车以较高车速驶过单个路障， $n_{1}/n_{2}<1$ 的车身纵向角度振动要比 $n_{1}/n_{2}>1$ 时小，故推荐取 $f_{c2}=(0.8\sim0.9)f_{c1}$

考虑到货车前、后轴荷的差别和驾驶员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值，推荐 $f_{c2}=(0.6\sim0.8)f_{c1}$

为了改善微型轿车后排乘客的乘坐舒适性，有时取后悬架的偏频低于前悬架的偏频（也就是后悬架的静挠度大于前悬架的静挠度）

（3）动挠度 $f_{d}$ 要合适，根据不同车和路面条件选择。要求悬架有足够的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块，引发平顺性恶化和零件损坏

乘用车的核心需求是提升舒适性，所以更大的动挠度可以有效减少冲击带来的平顺性损伤；客车需优先保证操纵稳定性，动挠度选的比乘用车小，对应更短的行程、更硬的悬架，有效抑制车身侧倾和俯仰

2.悬架的弹性特性

悬架的弹性特性是指悬架受到垂直外力F与由此引起的车轮中心相对于在车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线

悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种

（1）线性弹性特性：悬架变形f与垂直外力F成比例变化，刚度为常数，随载荷变化平顺性会剧烈变化，适用于简易车型

（2）非线性弹性特性：悬架变形f与垂直外力F不成比例变化。静载荷附近刚度小，以达到最大限度缓和冲击的目的；中间段曲线平缓，刚度小，平顺性好；两端对应空载和极限行程，刚度大，防止过度拉伸或压缩，保护结构

与线性弹性特性相比，非线性弹性特性能在动挠度范围内得到更多的动容量，吸收更多路面冲击能量；通过变刚度，保持振动频率和车身高度基本稳定，适应全工况载荷波动

3.货车后悬的主、副簧的刚度匹配

货车后轴从空载到满载的簧上质量波动极大，采用主、副簧分级式非线性悬架，通过主、副簧先后实现变刚度，适配大载荷波动。主簧刚度小，主要是考虑到平顺性

空载、轻载阶段，主簧单独工作；重载、满载时，主、副簧同时工作，刚度较大，能够抵抗较大冲击载荷

4.悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配

侧倾角刚度影响侧倾角，侧倾角过大过小都不好。过小会感知不到侧翻的潜在危险，过大不安全、不舒适

为保证不足转向特性（避免甩尾），需让前悬架侧倾角刚度大于后悬架侧倾角刚度。前侧倾角刚度大，前轴载荷转移大，先打滑，不足转向；后轴轴荷转移小，抓地力变化小，不易打滑

四、独立悬架导向机构设计

1.定义与作用

导向机构设是在悬架系统中能够传递各种力和力矩，引导车轮按一定规律相对于车架（身）运动的机构。其作用是用来决定车轮相对车架或（车身）的运动关系，并传递纵向力、侧向力及其引起的力矩。由控制臂和推力杆组成

2.设计要求

对前轮独立悬架导向机构的要求：

（1）悬架上载荷变化时，保证轮距变化小于等于4.0mm

（2）悬架上载荷变化时，前轮定位参数（前轮主销后倾角、前轮外倾角等）有合理变化特性，车轮不应产生纵向加速度（有纵向加速度就有纵向冲击，就会引起惯性力作用在转向节上，使方向盘力矩变化）

（3）转弯时，车身侧倾角小，并使车轮与车身同向倾斜，以增强不足转向效应

（4）制动时，应使车身有抗前俯的作用；加速时，应使车身有抗后仰的作用

对后轮独立悬架导向机构的要求：

（1）悬架上载荷变化时，轮距无明显变化

（2）转弯时，应使车身侧倾角小，并使车轮与车身的倾斜反向，减少过多转向效应

导向机构还应有足够强度，并可靠传递除垂直力以外的各种力和力矩

3.布置参数

（1）侧倾中心：在侧向力作用下，车身通过左、右车轮中心的横向平面内发生侧倾时，相对于地面的瞬时摆动中心

确定方法：几何图解法

对双横臂式独立悬架，分别延长上横臂、下横臂轴线，两线交点即为车轮相对于车身的瞬时转动中心，再连接车轮与地面接触点，连线与车身对称中心交点即为侧倾中心

对麦弗逊式独立悬架，延长下横臂轴线，并作减震器滑柱轴线的垂线，两者交点为车轮相对于车身的瞬时转动中心，再连接车轮与地面接触点，连线与车身对称中心交点即为侧倾中心

（2）侧倾轴线：汽车前后侧倾中心的连线称为侧倾轴线

要求：大致与地面平行（保证前后侧倾刚度均衡，避免单侧过载）、离地面高些（减少车身侧倾幅度，提升舒适度）

（3）纵倾中心

（4）抗制动纵倾性

（5）抗驱动纵倾性

（6）悬架横臂定位角

视频讲解

《汽车设计》知识点梳理——第六章悬架系统设计https://www.zhihu.com/video/2032930140242621842

视频中有个错误：扭转随动式属于独立悬架，讲解的时候说成了独立悬架，相关内容已在本文更正

课后习题

简答题

1.悬架的作用？

2.汽车悬架设计有哪些要求？

3.悬架的主要参数有哪些？并给出各自的定义，并详细说明偏频如何匹配？

4.独立悬架导向机构的设计要求？

5.前、后悬架均采用常规的非独立悬架时会出现什么现象？请具体解释

6.解释麦弗逊式独立悬架设计时，使其注销轴线、滑柱轴线和弹簧轴线三者不共线的原因？

第七章转向系统设计

一、概述

1.功用

（1）保持或者改变汽车行驶方向

（2）转向时保证各转向轮之间有协调的转角关系

2.组成

（1）转向操纵机构、转向器、转向传动机构（三个主要的机构）

转向操纵机构：包括转向盘、转向轴、转向万向节和转向传动轴，用于将驾驶员的操作意图传递到转向系统

转向器：将转向操纵机构的运动转换为适合转向传动机构的运动形式

转向传动机构：由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、梯形臂和转向横拉杆等组成，负责将转向器的输出传递到转向轮

（2）防伤机构、转向减振器

（3）动力转向系统

3.分类

机械转向器纯靠手力，动力转向靠手力和助力机构，现在的线控转向纯靠转向电机。齿轮齿条式结构简单、结构紧凑，适用于小型车；循环球式结构复杂，偏转角受限，承载能力强，主要用于重型车

与此同时，转向传动机构又分为整体式和断开式，整体式适配整体式悬架，断开式适配断开式悬架

4.设计要求

（1）转弯行驶时，全部车轮应绕汽车瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑（否则会发生磨胎，降低行驶稳定性）

（2）转向后，转向轮应能自动回正，以使车辆具有稳定的直线行驶能力（通过前轮定位参数和转向器逆效率实现）

（3）转向轮无自振，转向盘无摆动（通过转向减振器实现）

（4）转向传动机构和悬架导向机构共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小

（5）保证汽车较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力（按前外轮轨迹计算，最小转弯半径应能达到2-2.5倍轴距）

（6）操纵轻便

（7）逆效率低，反冲小

（8）转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构

（9）应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置

（10）保证转向盘与转向轮的转动方向一致（运动校核）

二、动力转向系统设计

1.动力转向机构的要求

（1）工作可靠。动力转向系统失灵时，仍可用机械系统操纵车轮转向

（2）有随动作用。转向轮随转向盘转动和停止，前者转动的角度和速度与后者成正比

（3）转向灵敏。转向盘转动后，系统内压力能迅速增长到最大值

（4）良好的路感。能及时把转向轮阻力成比例地反映到转向盘上

（5）具有自动回正能力。转向后转向盘能自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行驶状态

2.液压式动力转向机构

液压式动力转向是以液体压力为动力来完成转向加力动作，它具有油液工作压力高、动力缸尺寸小、质量轻、结构紧凑的特点，油液阻尼可吸收路面冲击，无需润滑。但结构复杂，对加工和密封要求高

液压式助力转向系统主要可分为机械式和电控式。机械式主要依靠人的动作和反应，而电动式降低了能耗，增加了速度感应模块，解决了不同车速下的助力问题

3.电动助力转向机构

（1）电动助力转向系统由机械转向器与电动助力部分构成，通过转矩传感器感知转向力矩，ECU 结合车速控制电机输出助力，经减速机构辅助转向，实现轻便操控。

在原有的机械转向系统基础之上，电动助力转向系统通常需要增加以下三个核心部件：

电动机：将电能转化为机械能，为转向系统提供额外助力，可以安装在转向轴、主动小齿轮或齿条上，分别称为转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式

ECU：接收来自转矩传感器和车速传感器的信号，并据此计算出所需的助力大小和方向，然后发送指令给电动机。ECU与各转向系统部件之间主要通过线束连接

转矩传感器：测量驾驶员施加在转向盘上的力矩，并将其转化为电信号供ECU处理，一般安装在转向轴上，利用扭杆原理检测转向轴两端的相对转角来确当转向力矩大小

（2）电动助力转向的助力特性

理想的助力特性：低速转向时有足够的轻便性能和高速转向时良好的路感（低速时需要更大转向力，高速时如果助力太大驾驶员对路面感知变弱，容易操作失误）

车速感应型助力特性：车速感应型助力特性

助力矩是转向盘力矩和车速的双变量函数，随车速升高而逐渐降低。车速一定时，转向盘力矩越大，助力矩越大；转向盘力矩一定时，车速越低，助力矩越大；助力矩一定时，车速越低，所需的转向盘力矩越小

三、线控转向系统

线控转向系统取消了传统的机械转向装置，使转向盘和转向轮之间无机械连接，主要组成部分为转向盘模块、转向执行模块和ECU

转向盘模块：主要由转向盘、转向盘扭矩传感器、转向盘转角传感器、路感电机及其传感器组成，主要功能为接收驾驶员的转向输入，提供实时路感反馈，使驾驶员感受路面状况，并通过传感器采集信息供ECU处理

转向执行模块：主要由车轮转角传感器、转向电机、转向电机控制器组成，功能为在ECU的指令下驱动转向电机，使前轮按照目标角度转向，并实时检测前轮实际转角，并将数据反馈给ECU，形成闭环控制

ECU：接收来自转向盘模块和转向执行模块的数据，分析车辆运动状态，计算所需的转向角度和路感反馈

线控转向系统一般还装有辅助模块，主要包含电源系统（供电）和自动防故障系统（监控并检测故障，发生故障时启用冗余控制策略，确保车辆安全行驶；一旦检测到关键部件如ECU或转向电机故障，立即切换到备用模式，防止转向失控）。

从电控、动力转向的演化中，线控系统省去了液压线束、机械传动连接，增加了电源系统、转向执行模块（如车轮转角传感器、直线位移传感器等）、自动防故障系统、ECU，同时考虑硬件冗余（备份装置）和软件冗余（对故障剩余正常工作的转向系统装置进行控制）

无人驾驶条件下，线控系统可省去所有与人相关的部件，如方向盘、转向（管柱）传动轴、万向节、转向器（电机直接驱动转向节，不需要转向器）等

视频讲解

《汽车设计》知识点梳理——第七章转向系统设计https://www.zhihu.com/video/2033251793304547873

课后习题

选择题

1.以下不属于转向系统设计要求的是（）
A. 使车辆具有稳定的直线行驶能力
B. 转向传动机构和悬架导向机构共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小
C. 汽车转向时具有操纵轻便性和转向机动性
D. 应设计安全气囊和安全带等防伤装置，以使驾驶员免遭或减轻伤害
2.汽车转向后转向轮的自动回正能力与（）无关。
A. 主销后倾角
B. 逆效率
C. 传动比
D. 主销内倾角

答案

1	D
2	C

判断题

1.转向系统转向梯形的选型受汽车悬架的制约。

2.提高转向系统的操纵轻便性可通过提高转向器的正效率、提高转向系统传动比、加装动力转向和减小转向轴负荷等手段实现。

3.对于转向操纵装置，乘用车转向盘尺寸设计应参照 400mm; 转向轴应设计为吸能结构，在受到冲击时，转向轴的下半部分可以首先变形吸能，以防止转向盘对驾驶员的冲击和伤害。

4.线控转向在转向盘到转向轮之间不需要任何机械连接，使发动机布置空间加大且安装方便，提高了转向系统总布置的灵活性。此外转向载荷直接施加在车轮上，可以增大转向轮转角，提高车辆的机动性。由于没有转向传动轴，碰撞发生时能够减轻转向系统对驾驶员的伤害。

答案

1	√	3	×
2	×	4	√

简答题：

1.请列出构成完整机械转向系统的三个主要机械机构，并简要说明每个机构的核心功能。

2.以当前主流的电动助力转向系统为例，说明在原有机械转向系统基础上，至少需要增加的三个核心部件，并简要解释它们是如何与原有机械系统集成的。

助力特性：介绍理想的助力特性曲线？（助力特性图）

3.线控转向系统取消了方向盘与转向执行机构之间的刚性机械连接，改为电信号连接。线控转向主要由几大模块构成？他们的主要功用分别什么？

答案

第八章制动系统设计

一、概述

1.功用

（1）使汽车以适当的减速度降速行驶至停车

（2）下坡行驶时，使汽车保持稳定车速

（3）使汽车可靠停在原地或坡道上

2.类型

（1）按功能分类：行车制动、驻车制动、应急制动、辅助制动

（2）按制动能量传输方式分类：人力制动、动力制动、伺服制动

（3）按制动能源分类：机械制动、液压制动、气压制动、电磁制动

3.工作原理

（1）摩擦生热，将动能转化为热能

（2）利用车身（或车架）相连的非旋转元件与车轮（或传动轴）相连的旋转元件的相互摩擦来阻止车轮的转动或转动的趋势

4.设计要求

（1）足够的制动效能

行车制动能力：用某一制动初速度制动时，制动距离和减速度两项指标评定

驻坡能力：汽车在良好路面上能可靠地停驻的最大坡度

（2）工作可靠

至少有两套独立的制动器管路，当一套失效时，另一套行车制动能力不低于没有失效时的30%

（3）任何速度制动时，汽车不丧失操纵性和方向稳定性

前轮抱死，丧失操纵性，因此要求前后轴制动器制动力矩有合适比例，并能随轴荷转移而变化

制动时汽车不跑偏，同一轴上左右轮制动力应相同，差值最大不超过15%

（4）防止水和污泥进入制动器工作表面

水与泥使制动能力下降，工作面磨损变大

有水，摩擦系数下降，称为水衰退

（5）制动能力的热稳定性好

下长坡连续和缓制动以及频繁重复制动可使温度上升，f下降，制动能力下降，称为热衰退

热稳定性良好，即不易衰退，衰退后能迅速恢复

（6）操纵轻便，并且具有良好的随动性

（7）公害小

制动噪声小，减少石棉纤维的散发量

（8）作用滞后性尽可能好

作用滞后性是指制动反应时间，以制动踏板开始工作至达到给定的制动效能所需要的时间来评价

（9）摩擦衬片应有足够的寿命

（10）摩擦副间隙可调，且调整间隙工作容易

（11）驱动机构有故障时，应有报警

二、制动系统的性能计算

1.设计制动器时应考虑的性能要求

（1）制动器效能

定义：制动器在单位输入压力或力的作用下所输出的力或者力矩称为制动器效能

用制动器效能因数K来评比各式制动器的效能，其含义为在制动毂或制动盘的作用半径R上所得的摩擦力矩 $M_{\mu}/R$ 与输入力 $F_{0}$ 之比，其中 $M_{\mu}$ 为制动器输出的制动力矩

（2）制动器效能的稳定性

定义：效能因子K对摩擦因数f的敏感性（ $\frac{dK}{df}$ ）

f随摩擦副材质、粗糙度、温度和水湿度等变化，尤其f随温度升高，f衰退明显

要求制动器的效能稳定性好，即其效能对f的变化敏感性小，应该选择良好的抗热衰退性和恢复性的摩擦材料，保证足够的热容量和散热能力

由图可知，领蹄的效能因数大于从蹄，但热稳定性比从蹄差，盘式制动器效能最稳定

（3）制动器间隙调整的简便性

制动器结构形式和安装位置应保证调整间隙操作简便，尽可能采用间隙自动调节装置，减少使用制动器磨损后调整间隙的作业次数

（4）制动器尺寸小，质量轻

减少非簧载质量，提高汽车行驶平顺性

（5）减少噪声

噪声产生的主要原因是摩擦材料的材料特性，且制动器输入的压力越大，噪声越大，温度对噪声也有一定影响

2.摩擦衬片（衬块）的摩擦特性

摩擦衬片（衬块）的磨损受温度、摩擦力、滑摩速度、制动鼓（盘）及加工精度，以及衬片材质等因素影响，其中最主要的因素是摩擦表面的温度和摩擦力

评价指标：比能量耗散率和比摩擦力

（1）比能量耗散率（单位功负荷）

定义：单位衬片摩擦面积在单位时间内耗散的能量

比能量耗散率过高，衬片急剧磨损，制动鼓（盘）产生裂纹

（2）比摩擦力 $f_{0}$

定义：衬片（块）单位摩擦面积的制动器摩擦力

比摩擦力越大，磨损越严重

3.前后轮制动器制动力矩

根据汽车满载在沥青、混凝土路面上紧急制动到前轮抱死拖滑，计算出前轮制动器的最大值动力矩；根据已确定的前后轮制动力矩的比值，计算后轮制动器的最大值动力矩

三、制动器的结构设计

1.制动器的分类

制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式

电磁式：作用滞后性好，易于连接，接头可靠成本高，用于总质量较大的商用车

液力式：一般作为缓速器

摩擦式：目前广泛使用

摩擦制动器按照摩擦副结构形式不同，可分为鼓式、盘式和带式。带式一般用于中央制动器，靠带的张紧力产生摩擦，稳定性差，磨损快，已基本淘汰；鼓式和盘式制动器的结构形式有多种

2.鼓式制动器

鼓式制动器的各种结构形式如下（要会画图、分析受力）：

（1）领从蹄式

每块蹄片都有自己的固定支点，且两固定支点位于两蹄的同一端

（2）单向双领蹄式

两块蹄片都有自己的固定支点，且两固定支点位于不同的两端。适用于前进制动时前轴动负荷及附着力大于后轴，而倒车制动时则相反的汽车前轮上，一般不用于后轮

（3）双向双领蹄式

两块蹄片浮动，各有两个活塞的两轮缸张开蹄片，若用于后轮，需另设中央驻车制动器（浮动蹄片无法驻车）

（4）双从蹄式

两蹄片各有一个固定支点，且两固定支点位于不同两端；各有一个活塞的两轮缸张开蹄片；效能稳定性最好，制动器效能最低

（5）单向增力式

两块蹄片只有一个固定支点，两蹄下端经推杆相互连接成一体；仅有一个轮缸迎来产生推力张开蹄片；制动效能最高、效能稳定性差、磨损不均匀

（6）双向增力式

两块蹄片端部都有一个制动时不同时使用的共用支点，两蹄下端经推杆相互连接成一体；支点下方有一轮缸，内装两个活塞同时驱动张开蹄片

3.鼓式制动器主要参数

（1）制动鼓内径

内径大，制动力矩大，衬片摩擦面积大，散热好；内径小，易于减小质量

（2）包角

包角越大，摩擦面积越大，能有效减小单位压力，增加衬片寿命。小的包角更容易散热，因为大包角衬片面积大，遮挡制动鼓，阻碍空气流通

（3）摩擦衬片宽度
宽度尺寸过窄，则磨损速度快、寿命低；宽度尺寸过大，质量大、不易加工，增加成本，且难以保证与制动鼓全面接触

4.制动鼓与制动蹄的设计要求

（1）制动鼓要求：足够大的刚度、强度和热容量，耐磨损性能良好，与摩擦衬片材料相配合，且具备较高的摩擦因数

（2）制动蹄要求：

1）足够大的刚度

货车制动蹄刚度应足够大。小型汽车用钢板制成的制动蹄，弯曲刚度可小些，以保证制动时蹄与鼓接触良好，并减少尖叫声

2）质量小

3）足够的使用寿命

4）效率高

（3）制动蹄的分类：主要分为钢板焊接和铸造，前者重量轻，成本低，主要用于小型汽车；后者广泛用于重型货车，因为铸件具有更高的强度和刚度

（4）制动蹄与摩擦片的连接

1）铆接：噪声小、可靠性高，便于更换，但允许摩擦的厚度较小，摩擦衬片利用率低

2）粘接：衬片更换前允许磨损的厚度较大，工艺复杂，不容易更换

5.盘式制动器和鼓式制动器的对比分析

鼓式制动器的摩擦方式是蹄片内张摩擦制动鼓内壁（摩擦面积更大，刹车力更大），而盘式制动器是摩擦片两侧夹紧制动盘，也就是前者是内张式制动（封闭结构，容易过热），后者为对向夹紧式制动（开式结构）

6.制动器间隙的自动调整

鼓与衬片之间或盘与衬块之间应保留尽可能小的间隙。制动时因衬片（块）与鼓（盘）的磨损间隙会增大，会导致：

（1）制动滞后时间增长

（2）各制动器磨损不同，间隙也不同，各制动器产生的制动作用时间也有差别，导致同步制动器性能变化

（3）增加了压缩空气、制动液消耗量，踏板（手柄）行程变大

视频讲解

《汽车设计》知识点梳理——第八章制动系统设计https://www.zhihu.com/video/2034586782575112277

课后习题

选择题

1.下列哪项不是汽车制动系的主要功用
A. 使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车
B. 下坡行驶时，使汽车保持稳定车速
C. 实现漂移
D. 使汽车可靠地停在原地或坡道上

2.按制动能源分类，下列哪种制动不属于此分类
A. 机械制动
B. 动力制动
C. 气压制动
D. 液压制动

3.轿车制动能力参数设计标准是
A. 车速 80km/h，减速度 5.8~7m/s²
B. 车速 80km/h，减速度 4.4~5m/s²
C. 车速 50km/h，减速度 5.8~7m/s²
D. 车速 50km/h，减速度 4.4~5m/s²

4.下列那种结构不属于制动器中的机械式张开装置。
A. 非平衡凸轮式
B. 平衡凸轮式
C. 气顶液式
D. 楔块式

5.各类制动器中，哪种制动器的制动效能稳定性最好。
A. 领从蹄鼓式制动器
B. 增力式蹄鼓式制动器
C. 双从蹄式鼓式制动器
D. 盘式制动器

6.制动鼓与轮辋之间间隙的要求为
A. <20mm
B. ≥20mm
C. <30mm
D. ≥30mm

7.制动鼓设计过程中，乘用车制动鼓与轮辋直径之比 D/Dr 的范围是
A. 0.50~0.64
B. 0.64~0.74
C. 0.70~0.83
D. 0.80~0.90

8.盘式制动器的制动盘直径 D 应为汽车轮辋直径的
A. 50~59%
B. 60~69%
C. 70~79%
D. 80~89%

答案

1	C	5	C
2	B	6	B
3	A	7	B
4	C	8	C

判断题

1.按制动能量传输方式分类，制动系可以分为机械制动、液压制动、气压制动、电磁制动和组合制动。

2. 按功能分类，汽车制动系可以分为行车制动、驻车制动、应急制动、辅助制动。

3. 汽车制动系需要有足够得制动效能主要指得是行车制动能力和驻车制动能力。

4.汽车制动系至少有两套独立的驱动制动器管路。当一套失效时，另一套行车制动能力不低于没有失效时的 70%。

5.制动器效能因数指的是在制动鼓或制动盘的作用半径 R 上所得的摩擦力矩（Mμ/R）与输入力 F₀之比，Mμ 为制动器输出的制动力矩。

6.制动蹄领的效能因素等于从蹄效能因素。

7.减轻制动器的重量，有利于减少簧载质量，提高汽车行驶的平顺性。

8.电磁式制动器一般用于小型轿车。

9.摩擦式制动器按照摩擦副结构形式不同，可分为鼓式、盘式和带式。

10.制动蹄与摩擦衬片连接时采用粘接工艺，便于更换摩擦衬片。

11.制动钳安装在轴后能使制动时轮毂轴承的合成载荷减少。

答案

1	×	6	×
2	√	7	√
3	√	8	×
4	×	9	√
5	√	10	√

简答题

1.请写出制动系统需要满足的设计要求？

2.请写出制动蹄的设计要求，分类，制动蹄与摩擦片的不同连接方式及其优势。

答案

编辑于 2026-05-28 · 著作权归作者所有

东风奕派：“大道至简”背后的文化输出与设计升维你发现过汽车的哪些设计缺陷？有哪些惊艳到你的汽车设计？有哪些惊艳到你的汽车设计？国产汽车外观大规模抄袭？设计师告诉我这锅他们不背汽车设计真的在倒退吗？零跑 A10 “笑脸” 大灯：汽车设计的暖心创新？致敬汽车百人当“撞脸”成为常态，阿维塔的原创为何值得被看见？世界上有哪些顶尖汽车设计师？为什么国内汽车厂商更愿意花大价钱聘请国外的汽车设计师？为什么BBA现在的车设计这么丑？是因为设计师被中国企业挖走的原因吗？从“致敬”到趋同，汽车只剩比价一条路吗？砸了 10 亿，车怎么越长越像？汽车设计真的在倒退吗？汽车设计真的在倒退吗？如何看待中产家庭大学生买车？郑丽文和西班牙首相前后脚参观小米，是否意味着小米已经成为国家的一张新名片？合资车企到底做了什么恶，怎么在中国口碑这么差？很多人都厌恶？比亚迪发布第二代刀片电池及闪充技术，5 分钟充好，9 分钟充饱，这在业内是什么水平？哪些信息值得关注？

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第一章 汽车总体设计

一、汽车设计的特点及要求

二、汽车的开发流程

三、汽车的分类

四、汽车的布置形式

五、汽车主要参数的确定

视频讲解

课后习题

第二章 离合器设计

一、设计概述

二、主要参数的选择

三、膜片弹簧设计

四、扭转减速器设计

五、离合器的优化设计

视频讲解

课后习题

第三章 变速器设计（外教授课）

一、为什么我们需要变速器？

二、牵引力计算

三、挡位匹配计算

视频讲解

课后习题

第四章 万向节与传动轴设计

一、万向节设计

二、传动轴设计

视频讲解

课后习题

第五章 车桥设计

一、概述

二、主减速器设计

三、差速器设计

课后习题

第六章 悬架系统设计

一、概述

二、悬架结构形式

三、悬架主要参数

四、独立悬架导向机构设计

视频讲解

课后习题

第七章 转向系统设计

一、概述

二、动力转向系统设计

三、线控转向系统

视频讲解

课后习题

第八章 制动系统设计

一、概述

二、制动系统的性能计算

三、制动器的结构设计

视频讲解

课后习题

第一章汽车总体设计

第二章离合器设计

第三章变速器设计（外教授课）

第四章万向节与传动轴设计

第五章车桥设计

第六章悬架系统设计

第七章转向系统设计

第八章制动系统设计

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