1.5.2 汽車主要參數及發動機的選擇

汽車的主要參數包括尺寸參數、質量參數和汽車性能參數。

1. 汽車主要尺寸的確定

汽車的主要尺寸參數有外廓尺寸、軸距、輪距、前懸、后懸、貨車車頭長度和車廂尺寸等。

（1）外廓尺寸

汽車的長、寬、高稱為汽車的外廓尺寸。在公路和市區內行駛的汽車的最大外廓尺寸有專門的法律法規進行限制，因此不能隨意確定，而有些非公路用車輛可以不受法規限制。除法規和汽車的用途以外，還有載客量或裝載質量及涵洞和橋梁等道路尺寸條件。汽車長度尺寸小，一些不僅可以減小行駛期間需要占用的道路長度，還可以增加車流密度，在停車時占用的停車場地面積也小。除此之外，汽車的整備質量也相應減小，這有利于提高比功率、比轉矩和燃油經濟性。GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》對車輛長度、寬度和高度作了規定，如貨車長度不應超過12m，單鉸接客車長度不超過18m，半掛車長度不超過13.75m，貨車列車長度不超過20m；半掛車寬度不超過2.55m；低速貨車高度不超過2.5m等。

乘用車的總長La是軸距L、前懸LF和后懸LR之和。它與軸距的關系為

式中，C是比例系數，C=0.52～0.66，對發動機前置前輪驅動汽車，C=0.62～0.66；對發動機后置后輪驅動汽車，C=0.52～0.56。

乘用車寬度尺寸由乘員空間和車門等裝置來決定，同時必須保證發動機、車架、懸架、轉向系統和車輪的布置要求。與車輛總長La的關系為

B=(La/3)+195(mm)±60(mm)

式中，B是乘用車總寬度。對于后座乘三人的乘用車，B不應小于1410mm。

影響乘用車總高Ha的因素主要有軸間底部離地高度hm、地板及下部零件高度hp、室內高度hB和車頂造型高度ht等。軸間底部離地高度hm應大于最小離地間隙hmin。由座位高、乘員上身長和頭部及頭上部空間構成的室內高度hB一般在1120～1380mm之間。車頂造型高度ht在20～40mm之間。

（2）軸距L

軸距對汽車總長、最小轉彎直徑、整備質量、縱向通過半徑及傳動軸長度等都有影響。當軸距短時，上述各指標相應減小。此外，軸距還對軸荷分配、傳動軸夾角等有影響，軸距必須在合適的范圍內選取。過短的軸距會使車廂長度不足或后懸過長；上坡或制動時軸荷轉移過大，汽車操縱穩定性和制動性能變差；車身縱向角振動增大，不利于提升汽車平順性；萬向節傳動軸的夾角增大。

原則上發動機排量大的乘用車以及裝載質量較大的貨車或載客量較大的客車，軸距取得長；對機動性能要求高的汽車，軸距應該取短些。為了滿足市場需求，汽車廠商在標準軸距貨車的基礎上，生產出軸距不同的變型車，其軸距變化推薦為0.4～0.6m。表1-1提供的數據可供初選軸距時參考。

（3）前輪距B1和后輪距B2

汽車輪距B對車廂或駕駛室內寬度、汽車總寬、總質量、最小轉彎直徑、側傾剛度等有影響。增加前輪距，可以增加駕駛室內寬度，有利于增加側傾角，但汽車總寬度和總質量會有所增加，同時會影響到最小轉彎直徑。國家標準規定汽車總寬不得超過2.55m，所以輪距不宜過大。但在取定的前輪距B1范圍內，應能布置相應總成，如發動機、車架、前懸架和前輪等，并保證前輪有足夠的轉向空間，同時轉向桿系與車架、車輪之間有足夠的運動間隙。在確定后輪距B2時應考慮兩縱梁之間的寬度、懸架寬度和輪胎寬度及它們之間應留有必要的間隙。各類汽車的輪距可參考表1-2提供的數據進行初選。

（4）前懸LF和后懸LR

汽車的前懸和后懸尺寸根據總布置要求最后確定。前懸尺寸對汽車通過性、駕駛人視野、碰撞安全性、前鋼板彈簧長度、上車和下車的方便性以及汽車造型等均有影響。增加前懸尺寸，將減小汽車的接近角，降低汽車通過性，并使駕駛人視野變差。對平頭汽車，前懸還會影響從前門上、下車的方便性。對于長頭車，前懸主要受到前保險杠、發動機、風扇、散熱器等部件的影響，長頭貨車前懸一般在1100～1300mm的范圍內。后懸尺寸對汽車通過性、汽車被追尾時的安全性、貨箱長度或行李艙長度以及汽車造型等都有影響，并取決于軸距和軸荷分配的要求。后懸變長會使汽車離去角減小，導致通過性降低；而后懸短的乘用車行李艙尺寸較小。客車后懸長度不得超過軸距的65%，絕對值不大于3500mm；總質量為1.8～14.0t的貨車后懸一般在1200～2200mm之間，特長貨箱的汽車后懸可達到2600mm，但不得超過軸距的55%。

（5）貨車車頭長度

貨車車頭長度是指從汽車的保險杠到駕駛室的距離。車頭長度尺寸對汽車外觀、駕駛室的容積、發動機維修的方便性都有很大影響。一般來說，長頭型貨車車頭長度一般控制在2500～3000mm，平頭型貨車車頭長度一般控制在1400～1500mm。

（6）貨車車廂尺寸

貨車車廂的尺寸要求在運送集裝箱和袋裝貨物時能裝至額定噸數。車廂邊板高度影響汽車質心高度和裝卸貨物的方便性，范圍一般在450～650mm內。在汽車外寬符合國家標準的前提下車廂內寬應適當取大些，有利于縮短車廂長度和邊板高度。行駛時能達到較高車速的貨車，使用過寬的車廂會增加汽車迎風面積，導致空氣阻力增加。在能滿足運送額定噸位貨物的前提下車廂內長應盡可能取小些，以利于減小整備質量。

2. 汽車質量參數的確定

汽車質量參數包括汽車的載客量和裝載質量me、整車整備質量m0及估算、汽車總質量ma、質量系數和軸荷分配等。

（1）汽車的載客量和裝載質量me

1）汽車的載客量：乘用車的載客量包括駕駛人在內不超過9個（9座），屬于M1類汽車，其他M2、M3類汽車的座位數、乘員數及汽車的最大設計總質量參見國家標準GB/T 15089—2001。

2）汽車的裝載質量是指在硬質良好路面上行駛時所允許的額定裝載量。汽車在碎石路面上行駛的裝載質量為在好路面上行駛的75%～85%。越野汽車的裝載質量是指越野行駛時或在土路上行駛時的額定裝載量。為確定貨車裝載質量m0，首先應確認企業商品規劃，其次要考慮到汽車的用途和使用條件。原則上貨流大、運距長或礦用自卸車應采用大噸位貨車；為了提高經濟性，貨源變化頻繁、運距短的市內運輸車采用中小噸位的貨車。

（2）整車整備質量m0及估算

整車整備質量是指車上帶有全部裝備（包括隨車工具、備胎等），加滿燃料和水，但沒有裝貨且未載人時的整車質量。整車整備質量影響汽車的成本和使用經濟性。目前，盡可能減小整車整備質量是為了通過降低整備質量增加裝載量或載客量，抵消因滿足安全標準、排氣凈化標準和噪聲標準所帶來的整備質量的增加，節約燃料。減小整車整備質量的措施包括用計算機優化設計；增加鋁與復合材料在汽車上的應用比例；改善汽車各總成以及零件的結構，充分發揮強度，減小結構尺寸和用料量；采用承載式車身；提高輪胎的可靠性，去掉備胎等。減小整車整備質量，是汽車設計工作中必須遵守的一項重要原則。估算整車整備質量時，主要考慮的是既要保持先進性又要保持可行性。在總體設計階段，往往需要預先估算這一數值，其方法如下：

1）對同級構造的相似樣車及其部件的質量進行測定和分析，在此基礎上初步估計出整車整備質量。

2）在沒有樣車參考時，首先為新車選擇一個適當的質量系數，此系數定義為汽車裝載質量me與整車整備質量m0之比，即

該系數反映了汽車的設計水平和工藝水平，值越大，說明該汽車的結構和制造工藝越先進。要達到較高的質量系數，就需要努力減輕零部件的自身重量，為達到這種目的，在材料、制造以及設計方面都要采取有效措施。在參考同類型汽車選定（表1-2）以后，可根據給定的me，計算整車整備質量m0。

乘用車和商用客車的整車整備質量，也可按每人所占汽車整車整備質量的統計平均值估算，見表1-3。

（3）汽車總質量ma

汽車總質量是指裝備齊全，并按規定載滿客、貨時的整車質量。乘用車和商用客車的總質量由整車整備質量m0、乘員和駕駛人質量以及乘員的行李質量三部分構成，其中乘員和駕駛人每人以65kg計，即

式中，n是包括駕駛人在內的載客數；α是行李系數，可按表1-4提供的數據選用。

商用貨車的總質量ma由整備質量m0、載質量me和駕駛人及隨行人員質量三部分組成，即

式中，n1是包括駕駛人及隨行人員在內的人數，應等于座位數。

（4）軸荷分配

汽車的軸荷分配是指汽車在空載或滿載靜止狀態下，各車軸對支承平面的垂直負荷，也可以用占空載或滿載總質量的百分比來表示。

軸荷分配是汽車的重要質量參數，它對汽車的輪胎壽命和汽車的許多使用性能都有影響。對軸荷分配有如下要求：考慮到要使各輪胎磨損均勻和壽命相近，各個車輪的負荷應相差較小；為了確保汽車有良好的動力性和通過性，驅動橋的負荷應足夠大，而從動軸上的負荷可以適當減小，以利于減小從動輪滾動阻力和提高在壞路面上的通過性；為了保證汽車有良好的操縱穩定性，又要求轉向軸的負荷不應過小。

由上可知，各使用性能對軸荷分配參數的要求是相互矛盾的，這就要求設計時應根據對整車的性能要求、使用條件等，合理地選取軸荷分配。汽車的驅動形式與發動機位置、汽車結構特點、車頭形式和使用條件等均對軸荷分配有顯著影響。如發動機前置前輪驅動乘用車和平頭式商用貨車的前軸負荷較大，而長頭式貨車的前軸負荷較小。常在壞路上行駛的越野汽車，前軸負荷應該小些。當總體布置進行軸荷分配計算不能滿足預定要求時，可通過重新布置某些總成、部件（如油箱、備胎、蓄電池等）的位置來調整。必要時，改變軸距也是可行的方法之一。各類汽車的軸荷分配見表1-5。

3. 汽車性能參數的確定

（1）動力性參數

汽車動力性參數包括最高車速vamax、加速時間t、上坡能力、比功率和比轉矩等。

1）不同車型的最高車速vamax的范圍見表1-6。

2）汽車在平直的良好路面上，從原地起步開始以最大加速度加速到一定車速所用去的時間，稱為加速時間。對于最高車速vmax>100km/h的汽車，加速時間常用車輛從靜止加速到100km/h所需的時間來評價，例如發動機排量大于1.6L的乘用車，此值一般為8～17s，發動機排量小些的乘用車為12～25s。對于vmax低于100km/h的汽車，加速時間可用車輛從靜止加速到60km/h所需的時間來評價。

3）上坡能力用汽車滿載時在良好路面上的最大坡度阻力系數imax來表示。因乘用車、貨車、越野汽車的使用條件不同，對它們的上坡能力要求也不一樣。通常要求貨車能克服30%坡度，越野汽車能克服60%坡度。

4）汽車比功率Pb、比轉矩Tb。比功率Pb是汽車所裝發動機的標定最大功率Pmax與汽車最大總質量ma之比，即Pb=Pemax/ma。它綜合反映了汽車的動力性，比功率大的汽車的最高車速、加速性能要好于比功率小的汽車。乘用車的比功率明顯大于貨車和客車。發動機排量較大的乘用車的比功率要大于排量較小的乘用車，而貨車的比功率隨總質量ma的增加而減小。為保證路上行駛車輛的動力性不低于一定的水平，防止某些動力性能差的車輛阻礙交通，應對車輛的最小比功率作出規定。我國GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》規定：低速汽車及拖拉機運輸機組的比功率應大于等于4.0kW/t，除無軌電車、純電動汽車外的其他機動車的比功率應大于等于5.0kW/t。比轉矩T是汽車所裝發動機的最大轉矩Temax與汽車總質量ma之比，Tb=Temax/ma。它能反映汽車的牽引能力。不同車型比功率和比轉矩范圍見表1-7。

（2）燃油經濟性參數

汽車的燃油經濟性用汽車在水平的水泥或瀝青路面上，以經濟車速或多工況滿載行駛百公里的燃油消耗量（L/100km）來評價。該值越小，燃油經濟性越好。發動機排量小的乘用車要求百公里燃油消耗量要低于排量大的乘用車（表1-7）。未來的發展趨勢是百公里油耗量繼續減少，如正在研制的超經濟型乘用車的目標百公里燃油消耗量為3L/100km。

貨車有時用單位質量的百公里燃油消耗量來評價（表1-8）。

（3）汽車最小轉彎直徑Dmin

影響汽車Dmin的因素有兩類：與汽車本身有關的因素和法規及使用條件對Dmin的限定。前者包括汽車軸距、輪距、汽車轉向輪最大轉角以及轉向輪數（如全輪轉向）等對汽車最小轉彎直徑均有影響，除此之外，有關的國家法規規定和汽車的使用道路條件對Dmin的確定也是重要的影響因素。轉向輪最大轉角越大，軸距越短，輪距越小和參與轉向的車輪數越多時，汽車的最小轉彎直徑越小，表明汽車在停車場上調頭和通過彎道半徑較小路段的能力越強。對機動性要求高的汽車，Dmin應取小些。

各類汽車的最小轉彎直徑Dmin見表1-9。

（4）通過性幾何參數

總體設計要確定的通過性幾何參數有：最小離地間隙hmin，接近角γ1，離去角γ2，縱向通過半徑ρ1等。各類汽車根據車型和用途通過性參數也不同，其范圍見表1-10。

（5）操作穩定性參數

汽車操縱穩定性的評價參數較多，與總體設計有關并能作為設計指標的有：

1）轉向特性參數。為了保證有良好的操縱穩定性，汽車應具有一定程度的不足轉向。通常汽車以0.4g的向心加速度沿著一個定圓轉向時，前、后輪側偏角之差δ1-δ2，作為評價參數，此參數在1°～3°為宜。

2）車身側傾角。汽車以0.4g的向心加速度沿定圓等速行駛時，車身側傾角控制在3°以內較好，最大不允許超過7°。

3）制動前俯角。為了不影響乘坐舒適性，要求汽車以0.4g的減速度制動時，車身的前俯角不大于1.5°。

（6）制動性參數

汽車制動性是指汽車在制動時，能在盡可能短的距離內停車且保持方向穩定，下長坡時能維持較低的安全車速并有在一定坡道上長期駐車的能力。目前常用制動距離st、平均制動減速度j和行車制動的踏板力及應急制動時的操縱力來評價制動效能。GB 7258—2017規定的制動距離和制動穩定性要求見表1-11。

（7）舒適性

舒適性應包括平順性、車內噪聲、空氣調節性能（溫度、濕度等）、乘坐環境（活動空間、車門及通道寬度、內部設施等）及駕駛人的操作性能。

其中，垂直振動參數常用于評價汽車行駛平順性，包括頻率和振動加速度等，此外懸架動撓度也用來作為評價參數之一。各類汽車的懸架靜撓度、動撓度和偏頻見表1-12。

4. 發動機選擇

（1）發動機形式選擇

發動機詳細分類如圖1-15所示。

1）發動機種類的選擇。目前絕大多數燃油汽車安裝的都是往復式內燃機。在此討論的發動機選型就是針對這種發動機的。

往復式內燃機可分為汽油機和柴油機兩大類。目前，汽油機主要用于輕型汽車，例如轎車、微型和小型客車、微型和輕型貨車等。這主要是因為汽油機具有質量和尺寸小、轉矩適應性好、單位功率大、振動和噪聲小、工作柔和、成本較低等優點。大型汽車已經柴油化，中型汽車也多采用柴油機。主要原因是與汽油機相比，柴油機的燃油經濟性更好、使用成本低。柴油機的缺點主要是尺寸和質量大、轉速低、單位功率較低、振動和噪聲比較大、成本高、易生黑煙等，這限制了其在轎車等輕型汽車上的應用。近年來，隨著柴油機技術的進步，上述缺點在一定程度上得到了克服，并且提高了轉速，使其在一些輕型車和轎車上得到了應用，特別是在歐洲。但是，目前用在輕型車和轎車上的主流發動機還是汽油機。

2）發動機氣缸排列形式的選擇。按照氣缸排列方式的不同，內燃機可以分成直列式、水平對置式和V形發動機。直列式發動機具有結構簡單、寬度小，布置方便的特點，應用最為廣泛。但是發動機氣缸數增多時長度增大，影響在汽車上的布置。因此，直列式發動機的氣缸數不超過6個。V形發動機的優點有長度短、高度低、曲軸剛度大等，被廣泛應用在大型轎車和發動機長度受限的重型貨車上。但是，由于其寬度比較大，在很多車輛上布置困難，造價也高。水平對置式發動機的主要優點是平衡好、高度低，在一些微型車及跑車上得到了應用。

3）發動機冷卻方式的選擇。發動機的冷卻有風冷和水冷兩種方式。風冷的優點是冷卻系統簡單、維修方便、對沙漠和異常氣候的適應性好。但是，其存在冷卻不均勻、功率消耗大、噪聲大等缺點，故在汽車上應用不多。如今大部分汽車都采用水冷發動機。水冷的優點包括冷卻均勻、工作可靠、噪聲小、功率消耗小、能解決車內供暖等。

（2）發動機性能參數選擇

1）發動機最大功率Pemax和相應轉速np。根據所設計汽車應達到的最高車速vamax(km/h)，估算發動機最大功率為

式中，Pemax為發動機最大功率（kW）；ηT為傳動系效率，對驅動橋用單級主減速器的4×2汽車可取為90%；ma為汽車總質量（kg）；g為重力加速度（m/s2）；fr為滾動阻力系數，對乘用車fr=0.0165×[1+0.01(va-50)]，對貨車取0.02，礦用自卸車取0.03，va用vamax代入；CD為空氣阻力系數，乘用車取0.30～0.35，貨車取0.80～1.00，客車取0.60～0.70；A為汽車正面投影面積（m2）。

按式（1-6）估算的Pemax為發動機裝有全部附件時測定得到的最大有效功率，約比發動機外特性的最大功率值低12%～20%。最大功率Pemax對應轉速np的范圍如下：汽油機的np在3000～7000r/min，因乘用車最高車速高，np值多在4000r/min以上；總質量小些的貨車的np值在4000～5000r/min之間，總質量居中的貨車的np值更低些。柴油機的np值在1800～4000r/min之間。乘用車和總質量小些的貨車用高速柴油機，np值常取在3200～4000r/min之間；總質量大些的貨車的柴油機np值在1800～2600r/min之間。采用高轉速發動機雖然能提高功率，同時也有使活塞運動的平均速度增快、熱負荷增加、曲柄連桿機構的慣性力增大并導致磨損加劇、壽命降低和振動及噪聲等均增加的缺陷。

2）發動機最大轉矩Temax及相應轉速nT。Temax為

式中，Temax為最大轉矩（N·m）；α為轉矩適應性系數，一般在1.1～1.3之間選??；Pemax為發動機最大功率（kW）；np為最大功率轉速（r/min）。

要求np與nT之間有一定差值，如果它們很接近，將導致直接擋的最低穩定車速偏高，使汽車通過十字路口時換檔次數增多。因此，要求np/nT在1.4～2.0之間選取。