1.5 汽车现代设计

1.5.1 汽车形式的确定

汽车总体设计的首要任务之一就是确定汽车的型号和形式。汽车的形式主要是指其轴数、驱动和布置形式。下面介绍确定汽车布置形式的基本方法。

1. 汽车的轴数

汽车可以采用两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。影响选取轴数的因素主要有汽车的总质量、轮胎的负荷能力和道路法规对轴载质量的限制以及汽车的结构等。

随着设计汽车的乘员数增多或装载质量增加，汽车的整备质量和总质量也在增大。在轴数不变的情况下，汽车总质量增加以后，公路承受的负荷也增加。一旦负荷超过了公路设计的承载能力，公路就会产生损坏，使用寿命也将缩短。为了提高公路寿命、保护公路，有关部门制定了道路法规，对汽车的轴载质量加以限制。当所设计的汽车总质量增加到轴荷不符合道路法规的限定值时，设计师可选择增加汽车轴数来解决。汽车轴数增加后，车轮、制动器、悬架等部件也要相应增多，使整车结构变得更加复杂，整备质量以及制造成本增加。若转向轴数不变，汽车的最小转弯直径又增大，后轴轮胎的磨损速度也加快，所以增加汽车轴数是不得已的选择。包括乘用车以及汽车总质量小于19t的公路运输车辆和轴荷不受道路、桥梁限制的不在公路上行驶的车辆，如矿用自卸车等，均采用结构简单、制造成本低廉的两轴方案。总质量在19～26t的公路运输车采用三轴形式，总质量更大的汽车宜采用四轴和四轴以上的形式。

2. 汽车的驱动形式

汽车的驱动形式常用如下代号表示，如4×2、4×4、6×6等，其中第一个数字代表车轮总数，第二个数字代表驱动轮数。下面介绍各类汽车的常用驱动形式。

（1）公路车辆（轿车、运输车）

一般采用非全轮驱动形式（即在车轮总数中有非驱动轮），常用的形式有：

① 4×2，其特点是结构简单、制造成本低，在轿车及总质量m<18t的公路用车（见图1-8）上得到广泛应用。

② 6×4或6×2，在总质量m超过18t、低于26t（18t<m<26t）的运输车上得到广泛应用。

③ 8×4，在总质量m>26t的运输车上得到了广泛应用。

（2）重型矿用自卸车

这类车辆的使用特点是活动场地小，要求机动性高，即转弯半径小，多采用短轴距的4×2形式，少数采用4×4或6×4。

（3）越野车

为提高通过性，一般采用全轮驱动形式。主要有：轻型越野车一般采用4×4形式，如图1-9所示；中型越野车一般采用4×4或6×6形式；装载质量>5t的军用越野车普遍采用6×6或8×8形式。采用全轮驱动可以提高通过性，但结构复杂、质量大、传动系效率低、油耗大。

3. 布置形式

汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身或驾驶室的相互关系和布置特点。汽车的使用性能除取决于整车和各总成的有关参数以外，其布置形式对使用性能也有重要影响。

（1）乘用车布置形式

乘用车的布置形式主要有发动机前置前轮驱动（FF）、发动机前置后轮驱动（FR）、发动机后置后轮驱动（RR）三种，如图1-10所示。少数乘用车采用发动机前置全轮驱动。

1）发动机前置前轮驱动（FF）。这种布置形式目前在发动机排量为2.5L以下的乘用车上得到广泛应用，主要是因为有下述优点：与后轮驱动的乘用车比较，前轮驱动乘用车的前桥轴荷大，有适度的不足转向性能；因为前轮是驱动轮，所以具有较高的越过障碍的能力；主减速器与变速器在一个壳体内，形成紧凑的动力总成结构，且在变速器与主减速器之间不需要传动轴，可降低车内地板的凸包高度，有利于乘坐舒适性的提高；发动机布置在轴距外时，可以缩短汽车的轴距，有利于提高汽车的机动性；在汽车前部布置汽车散热器，散热条件好，有利于发动机冷却；行李舱布置在汽车后部，空间较大；容易改装为救护车或客货两用车；供暖机构简单，管路短，供暖效率高；发动机、离合器、变速器与驾驶人位置近，操纵机构简单；发动机横置时能缩短汽车的总长，消除了传动轴等因素的影响，减少了汽车消耗的材料，降低了整备质量；发动机横置时，原主减速器用圆柱齿轮取代了锥齿轮，降低了制造难度，在装配和使用时也不必对齿轮进行调整，变速器和主减速器可以使用同一种润滑油。

发动机前置前轮驱动乘用车的主要缺点是：

前轮驱动的转向结构和制造工艺均复杂，需要安装等速万向节；前桥负荷比后轴负荷重，并且前轮又是转向轮，故前轮工作条件恶劣，轮胎寿命短；上坡行驶时因驱动轮上的附着力减小，汽车爬坡能力降低，特别是在爬泥泞的坡道时，驱动轮容易出现打滑并使汽车丧失操纵稳定性；由于后轴负荷小且制动时轴荷前移，后轮易抱死，引起汽车侧滑；发动机横置时受空间限制，总体布置工作困难，维修与保养时的接近性变差；若发生正面碰撞事故，因发动机及其附件损失较大，维修费用高。

发动机前置前轮驱动时，发动机可以横置或纵置，也可以布置在轴距外、轴距内或者前桥上方。不同的发动机布置方案，对前排座椅的位置、汽车总长、轴距、车身造型、轴荷分配、整备质量、主减速器齿轮形式以及发动机的接近性等均有影响。当发动机横置或纵置在前桥前方时，前排座椅及前围板可以前移，特别是发动机横置时允许的前移量较大，汽车的轴距及总长均能缩短，整备质量随之减小。发动机纵置在前桥前会使汽车前悬、前轴荷增加，所以此时宜采用轴向尺寸短些的发动机。若发动机布置在前轴之后，受此影响前围板和座椅需后移，同时汽车的轴距和总长均增长、整备质量增加，但前悬缩短，发动机的可接近性变好，且这种方案的轴荷分配较为合理。

2）发动机前置后轮驱动（FR）。发动机前置后轮驱动乘用车主要优点如下：轴荷分配合理，有利于提高轮胎的使用寿命；前轮不做驱动轮，因而不需要采用等速万向节，有助于节约制造成本；操纵机构简单；采暖机构简单，且管路短供暖效率高；发动机冷却条件好；上坡行驶时，驱动轮附着力增大，爬坡能力增强；比较容易改装为客货两用车或救护车；有足够大的行李舱空间；因变速器与主减速器分开，故拆装、维修容易；发动机的可接近性良好。

发动机前置后轮驱动乘用车的主要缺点是：因为车身地板下方有传动轴，所以地板上有凸起的通道，导致后排座椅中部座垫的厚度减薄，降低乘坐舒适性；汽车与其他物体出现正面碰撞时，易导致发动机进入客舱，对前排乘员造成严重伤害；汽车的总长、轴距均较长，整车整备质量增大，同时对汽车的燃油经济性和动力性产生不利影响。发动机前置后轮驱动乘用车因客舱较长，乘坐空间较为宽敬，行驶平稳，故在发动机排量较大的乘用车上得到应用。

3）发动机后置后轮驱动（RR）。对于发动机后置后轮驱动乘用车，除了动力总成（包括发动机、离合器、变速器和主减速器）布置成一体而使结构紧凑以外，还有下述优点：因为发动机后置，汽车前部高度有条件降低，改善了驾驶人视野；同时排气管不必从前部向后延伸，加上可以省掉传动轴，故客舱内地板凸包只需要有较低的高度用来容纳操纵机构的杆件和加强地板刚度即可，这就改善了后排座椅中间座位乘员出入的条件；整车整备质量小；乘客座椅能布置在舒适区内；上坡行驶时，由于驱动轮上附着力增加，提高了爬坡能力；当发动机布置在轴距外时轴距短，汽车机动性能好。

发动机后置后轮驱动乘用车的主要缺点是：后桥负荷重，使汽车具有过多转向倾向，操纵性变差；前轮附着力小，不利于高速行驶时转向，影响操纵稳定性；行李舱在前部，受转向轮转向时要占据一定空间和改善驾驶人视野的影响，行李舱体积不够大；因动力总成在后部，距驾驶人较远，导致操纵机构复杂；驾驶人不易发现发动机故障；发动机后置不利于发动机冷却和前风窗玻璃除霜，而且发动机工作噪声容易传给乘员，汽车发生追尾又会对后排乘员构成危险；受发动机高度影响，改装为客货两用车或救护车困难。因此目前乘用车极少采用发动机后置后轮驱动方案。

（2）商用车布置形式

1）客车布置形式。客车的布置形式有发动机前置前轮驱动、发动机前置后轮驱动、发动机后置后轮驱动和发动机中置后轮驱动等。

① 发动机前置前轮驱动。发动机前置前轮驱动的布置形式比较少见，一般用于特种客车，如机场摆渡车等。此类客车一般具有较大轴距和较长的车体，驾驶区一般需要单独隔离，故常采用发动机前置前轮驱动。采用这种布置形式的主要优点是操纵方便，乘客区较为宽敞，方便上下车辆，乘客区噪声较低等。缺点是由于发动机前置，离合器、变速器和主减速机构等全部集中于车身前部，转向等机构聚集在一起，使结构复杂，布置困难；前转向驱动桥的产量较低，价格较高。

② 发动机前置后轮驱动。早期的客车大多由货车底盘改装而来，沿用货车的发动机前置后轮驱动形式。采用这种布置形式的主要优点是与货车通用部件多，便于由货车改装生产，便于发动机的冷却以及动力和操纵机构相对简单等。缺点是布置座椅时会受到发动机的限制，地板平面距地面较高，传动轴长，难以隔离发动机的振动，舒适性差；采用前开门布置会使前悬加长，同时可能使前轴超载。

③ 发动机后置后轮驱动。发动机后置后轮驱动是目前客车中较为常见的布置形式，当发动机纵置时，能较好地隔离发动机的噪声、气味、热量，方便检修发动机，轴荷分配合理，使车厢后部的乘坐舒适性得到改善。当发动机横置时，车厢面积得到较好的利用，并且发动机对座椅布置影响较小；缺点是发动机冷却条件不好，且动力总成操纵机构复杂，发动机故障不易被发现。

④ 发动机中置后轮驱动和发动机侧置后轮驱动。发动机中置后轮驱动是旅游客车中较为常见的布置形式，采用这种布置形式的主要优点是轴荷分配合理，传动轴短，车厢面积利用最好且座椅布置不受发动机的限制。缺点是发动机必须采用水平对置式，且需要布置在地板下部，给发动机检修带来不便；发动机在寒带的保温条件和热带的冷却条件均不好；动力总成操纵机构复杂。

2）货车布置形式。按驾驶室与发动机相对位置的不同，货车可以分为长头式、短头式和平头式等形式。

① 长头式。长头式货车的发动机位于驾驶室前部，发动机完全凸出在驾驶室前部，有独立的发动机舱和盖罩，如图1-11a所示。这种布置形式的主要优点是驾驶室相对靠后，正面碰撞的缓冲区长，安全系数高；发动机维修的接近性好；驾驶室离发动机较远，振动、噪声和热量对驾驶室的影响较小；发动机散热性能好；驾驶室的地板高度较低，上下车比较方便，驾驶室布置容易；汽车的操纵机构简单，易于布置；轴荷分配比较合理。缺点是车身前部较长；转弯半径较大；由于车头部分体积较大，货厢相对整车的面积利用率较低；由于车头凸出，前部视野差。

② 短头式。发动机的一部分伸入驾驶室内，一部分凸出在驾驶室之前，如图1-11b所示。这种布置形式的主要优点是相对于长头式货车，其视野有显著提高；货箱的面积利用率提高；改善了长头式货车机动性能不好和外形尺寸过大的不足。缺点是由于驾驶室前移，发动机占用了部分驾驶空间，故需抬高驾驶室地板，影响驾乘人员出入的方便性；发动机的接近性和维修方便性变差；发动机的振动、噪声和热量较容易传入驾驶室；驾驶室布置较困难。

③ 平头式。

a. 发动机位于前轴之上、驾驶室的正下方。该布置形式的发动机完全伸入到驾驶室内，发动机舱盖位于正副驾驶人座位中间，如图1-11c所示。其优点是可以获得最短的轴距和车长，由于减小了车身的尺寸，可以降低整车整备质量；机动性和视野良好；驾驶区缩短，可以大大提高后货箱面积的利用率。缺点是驾驶室容易受到发动机振动、噪声、热量等的影响；发动机占用部分驾驶室空间，发动机舱盖凸出于驾驶室内正副驾驶人座位之间，中间不易布设座位；大多数采用翻转式驾驶室，操纵机构相对复杂；驾驶室地板高，一般采用多级踏步，上下车不便。

b. 发动机位于前轴之后、驾驶室的后下方。这种布置形式将发动机布置于驾驶室后下方，如图1-11d所示，这也属于平头车的一种。该方式可以布置三人座椅，且中间座椅处没有很高的凸起，目前应用广泛。

3）越野车布置形式。越野车特别是轴数多的越野车，主要是在传动系、轴距和采用转向轮的方案上有较大的区别。不同方案对传动系的复杂程度、汽车的通过能力、最小转弯直径以及零件的互换性等有影响。根据驱动桥数不同，越野车分为4×4、6×6、8×8等形式。图1-12为拥有非贯通式驱动桥的6×6越野汽车，特点是动力由发动机传至分动器，然后从分动器传给各桥时，是经分动器的三个输出轴和万向节传动轴分别传给三个桥。

图1-13为具有贯通式驱动桥的8×8越野汽车布置方案简图。其布置特点是从分动器输出的动力传至各桥时所经过的各传动轴，皆布置在同一纵向铅垂平面内，且通往一或四驱动桥的传动轴要穿过第二或第三驱动桥。这种布置方案的万向节使传动轴数不仅少而且桥壳、半轴等零部件有互换的可能（视转向轮的方案而定）。图1-14所示为8×8越野汽车传动机构侧边布置示意图。除此之外，还有采用传动轴混合式布置方案的。

在桥数相同的条件下，桥数多的越野汽车有多个轴距。如图1-12所示，三桥越野汽车的第一桥与第二桥和第二桥与第三桥之间各有轴距L1和L2，而图1-13和图1-14所示的四桥越野汽车有三个轴距L1、L2和L3。对三桥越野汽车，图1-12a所示的轴距布置方案为常见方案：L1>L2；为了提高汽车通过能力，有些越野汽车采用减小轴距、增加轴距L2并使L1=L2的布置方案（图1-12b）；也有的越野车采用方案L2>L1（图1-12c）。8×8越野汽车可选用的轴距布置方案较多，如图1-13a～d所示。

当越野汽车桥数多且轴距长时，常因为使用条件不好而要求有较小的最小转弯直径来提高汽车的机动性。采用多桥转向能减小最小转弯直径。6×6越野汽车采用图1-12a所示方案时，其前桥为转向驱动桥；而采用图1-12b所示方案时，可采用第一桥和第二桥或第一桥和第三桥的车轮转向；采用图1-12c所示方案时应采用第一桥和第二桥车轮转向。对于图1-13b、c，应采用第一桥和第二桥车轮转向方案；而对于图1-13a，可以用第一桥和第二桥或第一桥和第四桥车轮转向；对于图1-13d，采用第一桥和第四桥车轮转向是合理的。增加转向轮不仅能减小汽车最小转弯直径，还有利于减少轮胎磨损。但是随着转向轮数的增加，采用等速万向节的数量也相应增多，并且转向传动机构也更复杂、转向沉重，此时必须采用动力转向，增加了制造成本。4×4越野汽车因车桥少，与6×6或8×8越野汽车比较，结构简单，制造成本低，在总质量比较小的越野汽车上得到广泛的应用。6×6越野汽车的总体结构要比4×4越野汽车复杂，但在总质量较大的越野车上得到应用。