汽车设计
前言: 技术参数的确定
一、外形尺寸参数     汽车设计中由设计师去弥定的外形尺寸包括：长、宽、高、轴距、轮距、前后悬长和离地距等。各参数的含义见下图：
此主题相关图片如下：

二、各级汽车的尺寸标准     弥定汽车尺寸所要考虑的因素主要是机械布局和使用要求，其中机械布局视乎厂家各自的设计方案有所差异；使用要求则主要由汽车所针对的目标市场级别而定。下表为我根据经验总结的各主要级别（主要乘用车）的常见尺寸范围：
单位：米         长度         宽度         高度         轴距         典型代表
欧洲、亚洲轿车：         　         　         　         　         　
小型两厢轿车         3.6-4         1.5-1.7         1.3-1.5         2.2-2.5         夏利
小型三厢轿车           4.1-4.4             1.6-1.7             1.3-1.5             2.3-2.6           丰田COROLLA   
中型轿车         4.3-4.7         1.7-1.8         1.3-1.5         2.6-2.8         捷达
中大型轿车         4.6-4.9         1.7-1.9         1.3-1.6         2.7-2.9         日产CEFIRO
大型轿车         4.8-5.2         1.8-2         1.4-1.6         2.8-3.2         奔驰S-CLASS
其他车种：         　         　         　         　         　
中型越野车         4.5-4.9         1.7-2         1.7-2.0         2.5-2.8         三菱PAJERO
中型MPV         4.4-4.8         1.7-1.9         1.5-1.9         2.7-3         丰田PREVIA
中型皮卡（pick up）         4.7-5         1.6-1.8         1.4-1.6         2.7-2.9         丰田HILUX
特殊规格：         　         　         　         　         　
日本轻自动车（K-CAR）         <3.7         <1.5         不限         不限         奥拓
美国标准大型房车         5.2-5.5         1.8-2.1         1.3-1.5         2.8-3.3         林肯TOWNCAR
美国标准多用途车（SUV）         5-5.5         1.8-2.2         1.8-2.2         2.8-3.2         别克GL8
一级方程式赛车         4.2-4.4         <1.8         0.9-1         2.8-3.1        
    其中我们看到美国车的尺寸比欧、日的标准大很多，这主要是因为美国地大车少，油价低廉，对于汽车空间的要求远大于对省油性能的要求。日本则正好相反，为了改善道路拥挤情况，日本政府对汽车的税收等级是以外形尺寸（主要是占地面积长*宽）来划分的，车身越大使用费用越高。因此日本汽车造型设计所追求的是“空间利用率”，即在有限的车身尺寸下争取最大的内厢空间。可以说日本车造得紧凑的目的是为了符合法规；欧洲人也热衷于小型车，但他们造小车的主要目的是省油和使用方便；而美国人的生活环境决定了他们用不着把汽车造得太紧凑。 三、如何弥定具体尺寸     确定汽车尺寸首先要服从机械布局，然后要满足各项应有的功能，如必须具备载客、载货的空间等。下面详谈各尺寸的具体确定方法：
1.      长度长度是对汽车的用途、功能、使用方便性等影响最大的参数。因此一般以长度来划分车身等级。车身长意味着纵向可利用空间大，这是显而易见的；但太长的车身会给调头、停车造成不便。4米长与5米长的汽车在驾驶感觉上会有很大的差异，一般中小型乘用车长4米左右，接近5米长的可算作大型车了。
2.      宽度宽度主要影响乘坐空间和灵活性。对于乘用轿车，如果要求横向布置的三个坐位都有宽阔的乘坐感（主要是足够的肩宽），那么车宽一般都要达到1.8M。近年由于对安全性的要求，车门壁的厚度有所增加，因此车宽也普遍增加。日本车对宽度的限制比较严，大部分在1.8M以下，欧洲车则倾向增大车宽。但是车身太宽会降低在市区行走、停泊的方便性，因此对于轿车来说车宽2M是一个公认的上限。接近2米或超过2米的车都会很难驾驶。道路用车（大货车、大客车）的车宽一般也不能超过2.5米。对于车外倒后镜不能折叠的车辆，规格表上的宽度一般把外伸倒后镜也包括在内，因而有些欧洲轿车规格表上的宽度接近甚至超过2米（例如FIAT MULTIPLA宽度为2010mm），各位明察即可。
3.      高度车身高度直接影响重心（操控性）和空间。大部分轿车高度在1.5米以下 ，与人体的自然坐姿高度相比低很多，主要是出于降低全车重心的考虑，以确保高速拐弯时不会翻车。MPV、面包车等为了营造宽阔的乘坐（头部空间）和载货空间，车身一般比较高（1.6米以上），但随之使整车重心升高，过弯时车身侧倾角度大；这是高车身车种的一个重大特性缺陷。此外在日本，香港等一些地区，大部分的室内停车场都有高度限制，一般为1.6米，这也是确定车高的重要考虑因素。小型车为了在有限的占地面积内扩大车厢空间，近年有向上发展的趋势，如丰田的YARIS（高1500mm）和标致206（1430mm），以及一批超过1.7M的日本K-CAR级RV（如铃木WAGON R），车身都比传统的小型车高出很多，重心升高导致的主动安全性下降是必然的。
4.      轴距在车长被确定后，轴距是影响乘坐空间最重要的因素，因为占绝大多数的2厢和3厢轿车，乘员的坐位都是布置在前后轴之间的。长轴距使乘员的纵向空间增大，直接得益的是对乘坐舒适性影响很大的脚部空间。在行驶性能方面，长轴距能提高直路巡航的稳定性，但转向灵活性下降，回旋半径增大。因此在稳定性和灵活性之间必须作出取舍，取得适当的平衡。
5.      前、后悬 从图一可见：车长=前悬+后悬+轴距。所以轴距越长，前后悬便越短。最短的悬殊长可以短至只有车轮，即为车轮半径1/2。但除了一些小型车要竭力增加轴矩来扩大乘坐空间外，一般轿车的悬长都不能太短，一来轴矩太长会影响灵活性，二来要考虑机械零件的布局。例如前横置引擎前轮驱动的轿车，引擎一般会安置在前轴的前方，因此前悬必须有一定的长度（例一）；但前悬也不应过长，以确保爬坡通过性，越野车为了保证爬坡、越台的能力，前悬都很短（例二）；一些高性能跑车的前后悬取值主要是出于对前后重量平衡和动态重心转移的考虑（例三）。近年为了满足严格的正面撞击测试法规，有加长前悬的趋势，目的是容纳车架的撞击缓冲结构。后悬则可以比前悬稍长一些。
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6.      轮距轮距直接影响汽车的前后宽度比例。与其它尺寸相比，轮距更受机械布局（尤其是悬挂系统类型）的影响，是造型设计师需要在很早期就确定的参数。一般轿车的前轮距比后轮略大（相差约10-50MM），即车身前半部比后半部略宽，这与气流动力学有关（将在以后详述）。但一些特殊机械布局的汽车，如法拉利的512TR，由于后轴安放了大型的水平对向12缸引擎，使其后轮距远大于前轮距，这就需要以特别的造型设计来配合。在操控性方面，轮距越大，转向极限和稳定性也会提高，很多高性能跑车车身叶子板都向外抛，就是为了尽量扩大轮距。
7.      离地距 离地距即车体最低点与地面的距离。后驱车的离地最低点一般在后轴中央，前驱车一般在前轴，也有些轿车的离地距最低点在前防撞杆下缘（气流动力学部件）。离地距必须确保汽车在行走崎岖道路、上下坡时的通过性，即保证不"刮底"。但离地距高也意味着重心高，影响操控性，一般轿车的最低离地距为130mm-200mm，附合正常道路状况的使用要求。越野车离地距普遍大于200mm。赛车由于安装了扰流车身部件，并且要降低重心，离地距可以低至50mm，当然前提是赛车跑道路面平坦，在普通街道上肯定是不可行的。
    最后必须补充一下，汽车的长、宽、高、轴距是影响乘坐空间的四要素，但这只是基础，要在尺寸大的车身上设计出空间充裕的座舱，还必须精心设计车厢轮廓。这就是所谓的“利用率”问题，而它又与全车的整体布局息息相关，这将在后面的章节中综合介绍。
第一课：汽车的总体构
汽车通常由发动机、底盘、车身、电气设备四个部分组成。
　　发动机的作用是使供入其中的燃料燃烧而发出动力。大多数汽车都采用往复活塞式内燃机，它一般是由机体、曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系、润滑系、点火系(汽油发动机采用)、起动系等部分组成。
　　底盘接受发动机的动力，使汽车产生运动，并保证汽车按照驾驶员的操纵正常行驶。底盘由下列部分组成：
　　传动系——将发动机的动力传给驱动车纶。传动系包括离合器、变速器、传动轴、驱动桥等部件。
　　行驶系——将汽车各总成及部件连成一个整体并对全车起支承作用，以保证汽车正常行驶。行驶系包括车架、前轴、驱动桥的壳体、车轮(转向车轮和驱动车轮)、最架(前悬架和后悬架)等部件。
　　转向系——保证汽车能按照驾驶员选择的方向行驶，由带转向盘的转向器及转向传动装置组成。
　　制动装备——使汽车减速或停车，并保证驾驶员离去后汽车能可*地停驻。每辆汽车的制动装备都包括若干个相互独立的制动系统，每个制动系统都由供能装置、控制装置、传动装置和制动器组成。
　　车身是驾驶员工作的场所，也是装载乘客和货物的场所。车身应为驾驶员提供方便的操作条件，以及为乘客提供舒适安全的环境或保证货物完好无损。典型的货车车身包括车前钣制作、驾驶室、车厢等部件。
　　电气设备由电源组、发动机起动系和点火系、汽车照明和信号装置等组成。此外，在现代汽车上愈来愈多地装用各种电子设备：微处理机、中央计算机系统及各种人工智能装置等，显著地提高了汽车的性能。
　　为满足不同使用要求，汽车的总体构造和布置型式可以是不同的。按发动机和各个总成相对位置的不同，现代汽车的布置型式通常有如下几种：
　　发动机前置后轮驱动(FR)——是传统的布置型式。国内外的大多数货车、部分轿车和部分客车都采用这种型式。
　　发动机前置前轮驱动(FF)——是在轿车上逐渐盛行的布置型式，具有结构紧凑、减小轿车的质量、降低地板高度、改善高速时的操纵稳定性等优点。
　　发动机后置后轮驱动(RR)——是目前大、中型客车盛行的布置型式，具有降低室内噪声、有利于车身内部布置等优点。少数微型或普及型轿车也采用这种型式。
　　发动机中置后轮驱动(MR)——是目前大多数运动型轿车和方程式赛车所采用的布置型式。由于这些车型都采用功率和尺寸很大的发动机，将发动机布置在驾驶员座椅之后和后桥之前有利于获得最佳轴荷分配和提高汽车的性能。
　　此外，某些大、中型客车也采用这种布置型式，把配备的卧式发动机装在地板下面。
　　全轮驱动(nWD)——是越野汽车特有的型式，通常发动机前置，在变速器后装有分动器以便将协力分别输送到全部车轮上。

第二课：发动机的分类
发动机按照它不同的特点有很多种分类方法：　　1.按燃料分　　可分为柴油机、汽油机和天然气机等　　2.按实现循环的行程数分　　a)四冲程发动机：活塞移动四个行程或曲轴转两圈气缸内完成一个工作循环　　b)二冲程发动机：活塞移动两个行程或曲轴转一圈气缸内完成一个工作循环　　3.按冷却方式分　　a)水冷式发动机：以水为冷却介质　　b)风冷式发动机：以空气作为冷却介质(适合缺水地区使用，如沙漠国家) 　　4.按点火方式分　　a)压燃式发动机：利用气缸内空气被压缩后产生的高温，使燃油自燃。如柴油机。　　b)点燃式发动机：利用火花塞发出的电火花强制点燃燃料，使燃料强行着火燃烧。如汽油机、煤气机。　　5.按可燃混合气形成的方法分　　a)外部形成混合气的发动机：燃料和空气在外先混合然后进入气缸。如使用化油器的汽油机。　　b)内部形成混合气的内燃机：燃料在临近压缩终了时才喷入气缸，在气缸内与空气混合。如柴油机。　　6.按进气方式分　　a)自然吸气式发动机：空气*活塞的抽吸作用进入气缸内。　　b)增压式发动机：为增大功率，在发动机上装有增压器，使进入气缸的气体预先经过压气机压缩后再进入气缸。　　7.按气缸数目分　　a)单缸发动机　　b)多缸发动机：按气缸的排列型式又可分为　　i.直列立式发动机：所有气缸中心线在同一垂直平面内。　　ii.直列卧式发动机：所有气缸中心线在同一水平平面内。　　iii. V型发动机：气缸中心线分别在两个平面内，且两平面相交呈V型。　　iv.对置式发动机：V型夹角为180°时又称为对置式。　　v.其它：还有H型，X型、星型等，但在车辆上应用很少。

第三课：发动机的基本名词术语
1.活塞止点与行程：
　　a)活塞在气缸内作往复运动的两个极端位置称为止点。活塞离曲轴放置中心最远位置称为上止点，离曲轴放置中心的位置称为下止点。　　b)上下止点之间的距离称为活塞的行程。曲轴转动半圈，相当于活塞移动一个行程。
　　2.排量
　　a)活塞在气缸内作往复运动，气缸内的容积不断变化。当活塞位于上止点位置时，活塞顶部与气缸盖内表面所形成的空间称为燃烧室。这个空间容积称为燃烧室容积。　　b)活塞从上止点移动到下止点所通过的空间容积称为气缸排量，如果发动机有若干个气缸，所有气缸工作容积之和称为发动机排量。　　c)当活塞在下止点位置时，活塞顶上部的全部气缸容积称为气缸总容积。
　　3.压缩比
　　a)气缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比。压缩比表示了活塞从下止点移动到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度。　　b)压缩比越大，气体在气缸内受压缩的程度越大，压缩终点气体的压力和温度越高，功率越大，但压缩比太高容易出现爆震。　　c)压缩比是发动机的一个重要结构参数。由于燃料性质不同，不同类型的发动机对压缩比有不同的要求。柴油机要求较大的压缩比，一般在12-29之间，而汽油机的压缩比较小，在6-11之间。选用高标号的汽油可以部分地提高压缩比。
第四课：四冲程汽油机的工作原理
四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程，它由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个行程组成。
　　一.进气行程
　　此时，活塞被曲轴带动由上止点向下上止点移动，同时，进气门开启，排气门关闭。当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，气缸内的气体压力下降，形成一定的真空度。由于进气门开启，气缸与进气管相通，混合气被吸入气缸。当活塞移动到下止点时，气缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。
　　二.压缩行程活塞由下止点移动到上止点，进排气门关闭。曲轴在飞轮等惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，气缸内气体容积逐渐减小，气体被压缩，气缸内的混合气压力与温度随着升高。
　　三.燃烧膨胀行程此时，进排气门同时关闭，火花塞点火，混合气剧烈燃烧，气缸内的温度、压力急剧上升，高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连杆带动曲轴旋转。在发动机工作的四个行程中，只有这个在行程才实现热能转化为机械能，所以，这个行程又称为作功行程。
　　四.排气行程此时，排气门打开，活塞从下止点移动到上止点，废气随着活塞的上行，被排出气缸。由于排气系统有阻力，且燃烧室也占有一定的容积，所以在排气终了地，不可能将废气排净，这部分留下来的废气称为残余废气。残余废气不仅影响充气，对燃烧也有不良影响。
　　排气行程结束时，活塞又回到了上止点。也就完成了一个工作循环。随后，曲轴依*飞轮转动的惯性作用仍继续旋转，开始下一个循环。如此周而复始，发动机就不断地运转起来。
第五课：【空燃比】空气和燃料的混合比
空燃比A/F(A：air-空气，F：fuel-燃料)表示空气和燃料的混合比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。
　　理论空燃比：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料量之比。燃料的组成成分对理论空燃比的影响不大，汽油的理论空燃比大体约为14.8，也就是说，燃烧1g汽油需要14.8g的空气。一般常说的汽油机混合气过浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。
　　混合气略微过浓时，即空燃比为13.5-14时汽油的燃烧最好，火焰温度也最高。因为燃料多一些可使空气中的氧气全部燃烧。
　　而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为16时油耗最小。因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。
　　从发动机功率上讲，混合气较浓时，火焰温度高，燃烧速度快，当空燃比界于12-13之间时，发动机功率最大。

第六课：涡轮增压器
发动机是*燃料在气缸内燃烧作功来产生功率的，输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量，提高燃烧作功能力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。
　　构造
　　涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器，涡轮室进气口与排气歧管相连，排气口接在排气管上；增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。
　　原理
　　涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
　　技术
　　涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料和加工技术都要求很高。其中制造难度最高的是支承涡轮轴运转的“浮式轴承”，它工作转速可达10万转/分以上，加上环境温度可达六、七百度以上，决非一般轴承所能承受，由于轴承与机体内壁间有油液做冷却，又称“全浮式轴承”。
　　缺点
　　另外涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用，但也有它的缺点，其中最明显的是，“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7秒，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。
　　改进
　　但是涡轮增压器毕竟是无本生利的事情，它是利用发动机的废气工作的，这些废气的能量如果不加以利用也会白白地浪费掉。因此，自从涡轮增压器面世以来，人们就经常对它进行技术改造，例如提高加工精度，尽量减少涡轮与涡轮室内壁的间隙，以便提高废气能量利用率；采用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐热高，刚度强，重量轻的优点，可以将涡轮增压器做得更加紧凑，体积更少，而且能减少涡轮的“滞后响应”时间。
在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了一些自然吸气式发动机的先天不足，会发动机在不改变气缸工作容积的情况下可以提高输出功率10%以上，因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率，藉以实现轿车的高性能化。
第七课：汽油机与柴油机的对比
发动机按所使用的燃料进行分类，可以分为汽油机和柴油机。
　　汽油与柴油相比较，汽油的沸点低、容易气化，而柴油的自燃温度低。
　　柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃测试，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。德国人狄塞尔想出了这个办法并取得了专利权，所以柴油机又叫狄塞尔发动机。
　　与汽油机相比，柴油机的优点是柴油价格便宜，经济性好，并且它没有点火系统，所以故障较少。
　　但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。
所以，现在的轿车中主要装备汽油机。

第八课：汽车传动系
传动系概述
    传动系的基本功用是将发动机发出的动力传给汽车的驱动车轮，产生驱动力，使汽车能在一定速度上行驶。　　对于前置后驱的汽车来说，发动机发出的转矩依次经过离合器、变速箱、万向节、传动轴、主减速器、差速器、半轴传给后车轮，所以后轮又称为驱动轮。驱动轮得到转矩便给地面一个向后的作用力，并因此而使地面对驱动轮产生一个向前的反作用力，这个反作用力就是汽车的驱动力。汽车的前轮与传动系一般没有动力上的直接联系，因此称为从动轮。　　传动系的组成和布置形式是随发动机的类型、安装位置，以及汽车用途的不同而变化的。例如，越野车多采用四轮驱动，则在它的传动系中就增加了分动器等总成。而对于前置前驱的车辆，它的传动系中就没有传动轴等装置。
传动系的布置型式 　　机械式传动系常见布置型式主要与发动机的位置及汽车的驱动型式有关。可分为：
　　1.前置前驱—FR：即发动机前置、后轮驱动
　　这是一种传统的布置型式。国内外的大多数货车、部分轿车和部分客车都采用这种型式。2.后置后驱—RR：即发动机后置、后轮驱动
　　在大型客车上多采用这种布置型式，少量微型、轻型轿车也采用这种型式。发动机后置，使前轴不易过载，并能更充分地利用车箱面积，还可有效地降低车身地板的高度或充分利用汽车中部地板下的空间安置行李，也有利于减轻发动机的高温和噪声对驾驶员的影响。缺点是发动机散热条件差，行驶中的某些故障不易被驾驶员察觉。远距离操纵也使操纵机构变得复杂、维修调整不便。但由于优点较为突出，在大型客车上应用越来越多。
　　3.前置前驱—FF：发动机前置、前轮驱动
　　这种型式操纵机构简单、发动机散热条件好。但上坡时汽车质量后移，使前驱动轮的附着质量减小，驱动轮易打滑；下坡制动时则由于汽车质量前移，前轮负荷过重，高速时易发生翻车现象。现在大多数轿车采取这种布置型式。
　　4.越野汽车的传动系
　　越野汽车一般为全轮驱动，发动机前置，在变速箱后装有分动器将动力传递到全部车轮上。目前，轻型越野汽车普遍采用4×4驱动型式，中型越野汽车采用4×4或6×6驱动型式；重型越野汽车一般采用6×6或8×8驱动型式。
离合器
　　离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上，离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。
　　离合器接合状态离合器切断状态
　　离合器的功用主要有：
　　1.保证汽车平稳起步
　　起步前汽车处于静止状态，如果发动机与变速箱是刚性连接的，一旦挂上档，汽车将由于突然接上动力突然前冲，不但会造成机件的损伤，而且驱动力也不足以克服汽车前冲产生的巨大惯性力，使发动机转速急剧下降而熄火。如果在起步时利用离合器暂时将发动机和变速箱分离，然后离合器逐渐接合，由于离合器的主动部分与从动部分之间存在着滑磨的现象，可以使离合器传出的扭矩由零逐渐增大，而汽车的驱动力也逐渐增大，从而让汽车平稳地起步。
　　2.便于换档
　　汽车行驶过程中，经常换用不同的变速箱档位，以适应不断变化的行驶条件。如果没有离合器将发动机与变速箱暂时分离，那么变速箱中啮合的传力齿轮会因载荷没有卸除，其啮合齿面间的压力很大而难于分开。另一对待啮合齿轮会因二者圆周速度不等而难于啮合。即使强行进入啮合也会产生很大的齿端冲击，容易损坏机件。利用离合器使发动机和变速箱暂时分离后进行换档，则原来啮合的一对齿轮因载荷卸除，啮合面间的压力大大减小，就容易分开。而待啮合的另一对齿轮，由于主动齿轮与发动机分开后转动惯量很小，采用合适的换档动作就能使待啮合的齿轮圆周速度相等或接近相等，从而避免或减轻齿轮间的冲击。
　　3.防止传动系过载
　　汽车紧急制动时，车轮突然急剧降速，而与发动机相连的传动系由于旋转的惯性，仍保持原有转速，这往往会在传动系统中产生远大于发动机转矩的惯性矩，使传动系的零件容易损坏。由于离合器是*磨擦力来传递转矩的，所以当传动系内载荷超过磨擦力所能传递的转矩时，离合器的主、从动部分就会自动打滑，因而起到了防止传动系过载的作用。

变速器
　　变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。
　　它的功用是：
　　1.在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。
　　由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。例如在高速路上车速应能达到100km/h，而在市区内，车速常在50km/h左右。空车在平直的公路上行驶时，行驶阻力很小，则当满载上坡时，行驶阻力便很大。而汽车发动机的特性是转速变化范围较小，而转矩变化范围更不能满足实际路况需要。2.实现倒车行驶
　　汽车发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此，往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。
　　3.实现空档
　　当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。例如可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位。
　　变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。变速传动机构的主要作用是改变转矩和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的变换，即实现换档，以达到变速变矩。
　　机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。如在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。
分动器
　　越野车需要经常在坏路和无路情况下行驶，尤其是军用汽车的行驶条件更为恶劣，这就要求增加汽车驱动轮的数目，因此，越野车都采用多轴驱动。例如，如果一辆前轮驱动的汽车两前轮都陷入沟中(这种情况在坏路上经常会遇到)，那汽车就无法将发动机的动力通过车轮与地面的磨擦产生驱动力而继续前进。而假如这辆车的四个轮子都能产生驱动力的话，那么，还有两个没陷入沟中的车轮能正常工作，使汽车继续行驶。
　　分动器的功用就是将变速器输出的动力分配到各驱动桥，并且进一步增大扭矩。分动器也是一个齿轮传动系统，它单独固定在车架上，其输入轴与变速器的输出轴用万向传动装置连接，分动器的输出轴有若干根，分别经万向传动装置与各驱动桥相连。
　　大多数分动器由于要起到降速增矩的作用而比变速箱的负荷大，所以分动器中的常啮齿轮均为斜齿轮，轴承也采用圆锥滚子轴承支承。
万向传动器
　　万向传动装置一般由万向节、传动轴和中间支承组成。其功用是在轴线相交且相对位置经常变化的两转轴之间可*地传递动力。
　　在现代汽车的总体布置中，发动机、离合器和变速箱连成一体固装在车架上，而驱动桥则通过弹性悬架与车架连接。由此可见，变速器输出轴轴线与驱动桥的输入轴轴线不在同一平面上。当汽车行驶时，车轮的跳动会造成驱动桥与变速器的相对位置(距离、夹角)不断变化，故变速器的输出轴与驱动桥的输入轴不可能刚性连接，必须安装有万向传动装置。此外，由于越野汽车的前轮既是转向轮又是驱动轮。作为转向轮，要求在转向时可以在规定范围内偏转一定角度；作为驱动轮，则要求半轴在车轮偏转过程中不间断地把动力从主减速器传到车轮。因此，半轴不能制成整体而必须分段，中间用等角速万向节相连。
　　万向节按其刚度的大小可分为刚性万向节和挠性万向节，前者的动力是*零件的铰链式联接传递的；而后者的动力则是*弹性零件传递的，如橡胶盘、橡胶块等，由于弹性元件的变形量有限，因而挠性万向节一般用于两轴间夹角不大以及有微量轴向位移的轴间传动。刚性万向节分为不等速万向节(如常见的十字轴式)、准等速万向节(双联式、三销轴式)和等速万向节(球*式、球笼式等)。
驱动桥--主减速器
　　驱动桥由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等几部分组成，其功用是将万向传动装置传来的发动机转矩传给驱动车轮，实现降速以增大转矩。
　　主减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件。对发动机纵置的汽车来说，主减速器还利用锥齿轮传动以改变动力方向。
　　汽车正常行驶时，发动机的转速通常在2000至3000r/min左右，如果将这么高的转速只*变速箱来降低下来，那么变速箱内齿轮副的传动比则需很大，而齿轮副的传动比越大，两齿轮的半径比也越大，换句话说，也就是变速箱的尺寸会越大。另外，转速下降，而扭矩必然增加，也就加大了变速箱与变速箱后一级传动机构的传动负荷。所以，在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器，可使主减速器前面的传动部件如变速箱、分动器、万向传动装置等传递的扭矩减小，也可变速箱的尺寸质量减小，操纵省力。
　　现代汽车的主减速器，广泛采用螺旋锥齿轮和双曲面齿轮。双曲面齿轮工作时，齿面间的压力和滑动较大，齿面油膜易被破坏，必须采用双曲面齿轮油润滑，绝不允许用普通齿轮油代替，否则将使齿面迅速擦伤和磨损，大大降低使用寿命。 驱动桥--差速器
    驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接，则两轮只能以相同的角速度旋转。这样，当汽车转向行驶时，由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大，将使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖，而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。即使是汽车直线行驶，也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等（轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不等）而引起车轮的滑动。　　车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损、增加功率和燃料消耗，还会使汽车转向困难、制动性能变差。为使车轮尽可能不发生滑动，在结构上必须保证各车辆能以不同的角速度转动。通常从动车轮用轴承支承在心轴上，使之能以任何角速度旋转，而驱动车轮分别与两根半轴刚性连接，在两根半轴之间装有差速器。这种差速器又称为轮间差速器。　　多轴驱动的越野汽车，为使各驱动桥能以不同角速度旋转，以消除各桥上驱动轮的滑动，有的在两驱动桥之间装有轴间差速器。　　现代汽车上的差速器通常按其工作特性分为齿轮式差速器和防滑差速器两大类。　　齿轮式差速器当左右驱动轮存在转速差时，差速器分配给慢转驱动轮的转矩大于快转驱动轮的转矩。这种差速器转矩均分特性能满足汽车在良好路面上正常行驶。但当汽车在坏路上行驶时，却严重影响通过能力。例如当汽车的一个驱动轮陷入泥泞路面时，虽然另一驱动轮在良好路面上，汽车却往往不能前进（俗称打滑）。此时在泥泞路面上的驱动轮原地滑转，在良好路面上的车轮却静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮与路面之间的附着力较小，路面只能通过此轮对半轴作用较小的反作用力矩，因此差速器分配给此轮的转矩也较小，尽管另一驱动轮与良好路面间的附着力较大，但因平均分配转矩的特点，使这一驱动轮也只能分到与滑转驱动轮等量的转矩，以致驱动力不足以克服行驶阻力，汽车不能前进，而动力则消耗在滑转驱动轮上。此时加大油门不仅不能使汽车前进，反而浪费燃油，加速机件磨损，尤其使轮胎磨损加剧。有效的解决办法是：挖掉滑转驱动轮下的稀泥或在此轮下垫干土、碎石、树枝、干草等。　　为提高汽车在坏路上的通过能力，某些越野汽车及高级轿车上装置防滑差速器。防滑差速器的特点是，当一侧驱动轮在坏路上滑转时，能使大部分甚至全部转矩传给在良好路面上的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力来产生足够的驱动力，使汽车顺利起步或继续行驶。

驱动桥--半轴
　　半轴是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其内端一般通过花键与半轴齿轮连接，外端与轮毂连接。
　　现代汽车常用的半轴，根据其支承型式不同，有全浮式和半浮式两种。
　　全浮式半轴只传递转矩，不承受任何反力和弯矩，因而广泛应用于各类汽车上。全浮式半轴易于拆装，只需拧下半轴突缘上的螺栓即可抽出半轴，而车轮与桥壳照样能支持汽车，从而给汽车维护带来方便。
　　半浮式半轴既传递扭矩又承受全部反力和弯矩。它的支承结构简单、成本低，因而被广泛用于反力弯矩较小的各类轿车上。但这种半轴支承拆取麻烦，且汽车行驶中若半轴折断则易造成车轮飞脱的危险。 驱动桥--桥壳
　　驱动桥壳是安装主减速器、差速器、半轴、轮毂和悬架的基础件，主要作用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等。同时，它又是行驶系的主要组成件之一，故还具有如下功用：
　　1.和从动桥一起承受汽车质量
　　2.使左、右驱动车轮的轴向相对位置固定
　　3.汽车行驶时，承受驱动轮传来的各种反力、作用力和力矩，并通过悬架传给车架
　　驱动桥壳可分为整体式和分段式两类。
　　整体式桥壳是桥壳与主减速器壳分开制造，二者用螺栓连接在一起。它的结构优点是在检查主减速器和差速器的技术状况或拆装时，不用把整个驱动桥从车上拆下来，因而维修比较方便，普遍用于各类汽车。
　　分段式桥壳是桥壳与主减速器壳铸成一体，且一般分为两段由螺栓连成一体。这种桥壳易于铸造，但维护主减速器和差速器时必须把整个桥拆下来，否则无法拆检主减速器和差速器。现已很少使用，北京2020采用这种桥壳。

第九课：汽车行驶系
行驶系分为四大主要部分：车桥、车轮、车架和悬架。
　　车桥(也称车轴)通过悬架和车架(或承载式车身)相连，两端安装汽车车轮。其功能是传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向作用力。
　　车桥可以是整体式的，有如一个巨大的杠铃，两端通过悬架系统支撑着车身，因此整体式车桥通常与非独立悬架配合；车桥也可以是断开式的，象两把雨伞插在车身两侧，再各自通过悬架系统支撑车身，所以断开式车桥与独立悬架配用。
　　根据驱动方式的不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种。其中转向桥和支持桥都属于从动桥。大多数汽车采用前置后驱动(FR)，因此前桥作为转向桥，后桥作为驱动桥；而前置前驱动(FF)汽车则前桥成为转向驱动桥，后桥充当支持桥。
　　转向桥的结构基本相同，由两个转向节和一根横梁组成。如果把横梁比做身体，转向节就是他左右摇晃的脑袋，脖子就是我们常说的主销，车轮就装在转向节上，仿佛脑袋上带了个草帽。不过，行驶的时候草帽转，脑袋却不转，中间用轴承分隔开，脑袋只管左右晃动。脖子——主销是车轮转动的轴心，这个轴的轴线并非垂直于地面，车轮本身也不是垂直的，我们将在车轮定位一节具体论述。
　　转向驱动桥与转向桥的区别就是一切都是空心的，横梁变成了桥壳，转向节变成了转向节壳体，因为里面多了根驱动轴。这根驱动轴因被位于桥壳中间的差速器一分为二，而变成了两根半轴。两个草帽也不是简单地套在脑袋上，还要与里面的两根半轴直接相连。半轴在“脖子”的位置也多了一个关节——万向节，因此半轴也变成了两部分，内半轴和外半轴。 转向轮的定位
　　转向轮的转向轴心——主销并非垂直于地面，而是朝两个方向产生倾角，即主销内倾角和主销后倾角。车轮本身也有一个外倾角和前束。先说主销后倾角。站在车身左侧，观察车的左前轮，我们会发现主销是向后倾倒的。这样做的主要目的是为了让主销的延长线与地面的交点在车轮触地点的前面。
　　这种设计是为了使车轮在滚动的过程中保持稳定，不致左右摇摆。我们不作过多的理论解释，只举一个例子：也许有的读者小时候玩过推铁环的游戏，我们用一个头部带圈的长铁杆从后面推一个大铁环使其滚动，由于铁环很容易翻倒而使得这个游戏具有一定的挑战性。但如果我们换一种推法，让铁杆与铁环的接触点在铁环与地面接触点的前面，我们会发现这样做使得这个游戏的挑战性大大降低了，铁环不再那么容易晃动甚至翻倒了。这就是主销后倾角的妙用。
下面看看主销内倾角。站在车的后部，观察车的右前轮，我们发现主销向左倾倒，也即向内侧倾倒。
　　这样做的目的是为了在转弯的时候让车轮产生倾斜。还是举一个生活中的例子：我们在骑自行车拐弯的时候，会自然地将车子向所转的方向倾斜，让车轮与地面有一个夹角，学过物理的人知道，这样做是为了产生足够的向心力。汽车也是一样，右侧车轮在右转弯的时候在主销内倾角和后倾角的共同作用下会向右侧倾倒，而左侧车轮虽也有主销内倾角，却不会向左侧倾倒，因为还有主销后倾角，把它又拉了回来，甚至也能向右微微倾斜。不仅如此，两侧车轮的转动还使右侧车身降低，左侧车身抬高，整个车身也向右倾斜，于是产生了足够的向心力。
　　除了上述的主销后倾和内倾两个角度以保证汽车稳定直线行驶外，车轮中心平面也不是垂直于地面的，而是向外倾斜一个角度，称为车轮外倾角。因为假如空车时车轮正好垂直于地面，则满载时，车桥因受压产生变形，中间下沉，两端上翘，车轮便随之变为内倾，这样将加速轮胎的磨损。另外，内倾的车轮从两端向内挤压轮毂上的轴承，加重了它的负荷，降低了使用寿命。因此在安装车轮时要预先使车轮有一定的外倾，这也使其与拱行路面相适应。
　　车轮有了外倾以后，在滚动时就会导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，于是车轮在无法按照自己的预想轨迹滚动的情况下，势必产生横向滑动，从而加重了轮胎的磨损。为了消除这种不良影响，在安装车轮时，使汽车两前轮并不平行，俯视车轮，会发现两前轮就象人的内八字脚一样。这称为车轮前束。
　　在外倾角和前束的共同作用下车轮基本上可以沿直线滚动而没有什么横向影响了。以上就是车轮定位的四个要素：主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束。轮胎的结构与规格
　　轮胎是汽车行驶系中重要的部件。
　　无内胎的充气轮胎近年来在轿车和一些货车上的使用日益广泛，因此这里讨论的基本上是以目前最常用的无内胎轮胎，即通常所谓的真空胎为对象。
　　轮胎的结构分为三部分：胎体、帘布、外胎面。
　　胎体较柔软，外胎面刚性较大，中间的帘线起到加强胎体强度和定型的作用，多加以金属丝提高轮胎的弹力性能。
　　轿车轮胎大致分为子午线轮胎和斜线轮胎。斜线轮胎的帘线按斜线交*排列，故而得名。胎体构成了轮胎的基本骨架，从外胎面到胎侧的柔软度是一致的。虽然斜线轮胎的噪音小，外胎面柔软，低速行驶时乘坐舒适性好，且价格便宜，但其综合性能不如子午线轮胎，汽车厂家都是以子午线轮胎为前提研制新车的，随着子午线轮胎的不断改进，斜线轮胎将基本上被淘汰。
　　子午线轮胎的帘布层相当于轮胎的基本骨架，其排列方向与轮胎子午断面一致，由于行驶时轮胎要承受较大的切向作用力，为保证帘线的稳固，在其外部又有若干层由高强度、不易拉伸的材料制成的带束层(又称箍紧层)，其帘线方向与子午断面呈较大的交角(70-75度)，材料多选用玻璃纤维、聚酰胺纤维或钢丝等高强度材料，既起到固定帘线的作用，同时利用束带来提高胎面的刚性。轮胎侧面的刚性小于胎面的刚性，所以在转弯时轮胎侧面因受地面横向力作用发生变形，从而保证了外胎面的触地面积基本保持不变。
　　子午线轮胎与普通斜线胎相比，弹性大，耐磨性好，滚动阻力小，附着性能好，缓冲性能好，承载能力大，不易刺穿；缺点是胎侧易裂口，由于侧向变形大，导致汽车侧向稳定性稍差，制造技术要求高，成本高。
　　下面我们举两例来说明斜线轮胎与子午线轮胎的规格及其标识。斜线轮胎：5.60-13 4PR 5.60 :轮胎宽(5.6英寸) 13：适合轮辋直径(13英寸) 4PR :轮胎强度(相当于四层帘布)子午线轮胎：195/60R 14 85 H 195：轮胎宽(195mm) 60 :扁平率(轮胎子午断面高宽比)(60%) R：轮胎结构(Radial) 14：适合的轮辋直径(14英寸) 85：允许载荷代码H：极限速度符号(H=210km/h)