轿车总体设计方案论证报告.docx

机电工程学院

毕业设计方案
论证报告

设计题目: 轿车总体设计

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目次
1轿车的发展现状和发展趋势………………………………………………2
2汽车总体设计分析…………………………………………………………3
3汽车形式论证选择…………………………………………………………4
3.1轴数和驱动形式的选择…………………………………………………4
3.2布置形式的选择…………………………………………………………4
4轿车主要参数的选择………………………………………………………8
4.1尺寸参数…………………………………………………………………8
4.2轿车质量参数的选择……………………………………………………9
5轿车发动机的选择…………………………………………………………9
6汽车轮胎的选择……………………………………………………………11
论证结果………………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………13

1轿车的发展现状和发展趋势
目前，我国汽车产品已形成了涵盖轿车、货车和客车等多品种、多车型的比较齐全的汽车产品体系，汽车产业快速发展，已经成为国民经济的重要支柱产业。未来5~10年是我国由汽车工业大国向汽车工业强国转变的重要时期。
20世界90年代以来，我国汽车产业快速发展，产业实力不断增强。随着我国汽车市场需求的快速提高和开放程度的逐步加大，跨国汽车集团调整了对华战略，提高了对中国市场的重视程度，将中国市场看作其全球市场的重要组成部分。为了使我国汽车企业能抓住机遇，深化改革，发展自己，提升企业竞争力，我们很有必要对我国汽车产业现状与发展趋势进行深入分析。
据国家统计局数据显示，2009年，我国汽车市场产销1379.10万辆和1364.48万辆，成为世界第一汽车生产和消费国，汽车工业增加值占全国GDP的比重已达1.4%左右，若加上其对上下游行业的带动，汽车产业对国民经济的拉动作用超过10%。2012年我国汽车产业再创佳绩，产销突破1900万辆，再次刷新全球记录，连续四年蝉联世界第一。全国汽车产销分别为1927.18万辆和1930.64万辆，同比分别增长4.6%和4.3%，比上年同期分别提高3.8和1.9个百分点，增速稳中有进。此外，我国汽车产量已连续三年超过1800万辆，这标志着我国汽车工业已进入总量较高的平稳发展阶段，成为名副其实的世界汽车产销大国。
我国汽车产业在产业政策的推动下逆势增长，以其市场潜力大、产业关联度高、带动就业面广、资金积累能力强等特点，为促进国民经济快速发展作出了重大贡献。可以说在当前和未来一段时间，汽车产业已经成为我国国民经济“保增长、扩内需、调结构”不可或缺的重要产业。
我国汽车产业的发展相对于国外起步较晚，近几年汽车产业发展虽然取得了不俗的成绩，但我国缺乏核心技术和高端研究开发人才，目前国内产品技术多是引进国外技术，自主研发和自主品牌稀缺。只有东风汽车、奇瑞和吉利是我国自主研发的，其他均来自于世界跨国集团。
国内汽车产品按技术来源共分为三类：一是完全引进；二是测绘仿制；三是参照研发。虽然引进消化能够实现较高的国产化率，但在产品技术更新日新月异的今天，因此仅靠引进消化并不能真正培育我国汽车工业的核心能力，主动创新才是提高产业竞争力的关键所在。与汽车产业发达的国家相比，我国的汽车产品国际竞争力依然处于非常弱的地位，强国之路还很漫长。
 汽车销售与国民经济发展、居民收入水平、基础设施建设、产业发展政策和产业发展阶段等因素都有着密切关联。近年来，我国宏观经济持续快速增长，居民生活水平稳步提高，巨大的购买潜力已经陆续变成拉动我国汽车工业快速增长的动力。受此影响，未来几年，随着我国经济快速平稳增长、消费者收入预期和信心的不断增强、城镇化水平的提高和交通设施的持续完善，私人汽车消费正在成为主流，二、三线汽车市场将成为汽车销售的主要增长区域，巨大的消费潜力为汽车市场不断发展提供了可靠的市场保障，我国汽车工业仍将保持持续增长的发展态势，我国将逐渐走入汽车社会。
汽车工业是当今世界上全球化程度以及其他产业关联度最高的产业之一，汽车工业链的培育和发展对汽车工业的发展起着非常关键的作用。最大限度地通过资源和生产要素配置全球化，降低成本、贴近市场将是汽车企业保持活力和国际竞争力的关键。未来几年，我国汽车产业“走出去”的态势将更加明显，参与全球化的程度也将不断加深。我国汽车产业将在开放中逐步加入全球分工体系，通过发挥比较优势而提高国际竞争力。
企业间的兼并重组是一种必然。我国汽车企业间的并购重组是汽车产业结构调整的主要表现，也是其发展的必由之路。相对于小企业，大企业间的并购重组对整个产业结构的影响更为重要。并购重组将会表现为3种形式：一是集团内部的整合兼并；二是集团之间的战略整合；三是民营企业通过购买国有企业股份而进入竞争者行列。
未来几年，在国民经济平稳增长的背景下，我国汽车产业也将保持持续增长的态势，但是，国内汽车市场的竞争也将越来越激烈。随着我国汽车行业的发展以及国民经济水平的提高，我国政府将不断完善和加强行业管理，引导和推动汽车产业在自主创新能力建设、新能源汽车技术研究和汽车服务业等领域的发展，以实现我国由汽车工业大国向汽车工业强国的历史性转变。
2轿车总体设计分析
汽车可以按照用途和结构进行种类划分。我国把汽车分为七类，轿车、货车、越野车、自卸汽车、牵引汽车、专用汽车和客车。上述汽车又根据发动机的排量V或汽车总质量ma或汽车尺寸不同进行进一步区分，如不同发动机排量的轿车，表明汽车动力性和经济性的指标不一样。我国根据发动机排量的不同，将轿车分为五级（如表2-1）。
轿车级别
微型
普通级
中级
中、高级
高级
发动机排量V/L
V≤1.0
1.0＜V≤1.6
1.6＜V≤2.5
2.5＜V≤4.0
V＞4.0
表2-1轿车分类
人们从事生产生活离不开汽车。在日常生活中，汽车特别是轿车是经常食用的交通工具。汽车工业出现的高新技术多在轿车上首先得到应用。目前，轿车的产量、保有量占汽车总产量和保有量的绝对多数。一方面，拥有轿车标志着人们生活水平的提高；另一方面，大量运行着的汽车所造成的公共危害降低了人们的生活质量。因此，人们对汽车提出了越来越高的要求，包括研制节油汽车和开发应用能够新能源；有关法规对汽车的排放和噪声提出更加严格的要求；对汽车安全性提出更高的要求，达到乘坐汽车有安全感、愉悦感，汽车发生碰撞事故时能够妥善的保护乘客；对汽车提出居住性要求，不仅坐在汽车里更舒服，而且能与外界进行更加有效的信息交流。
汽车总体设计应满足以下基本要求：
①汽车外廓尺寸应符合GB1589-89的外廓尺寸界限规定。
②轴荷分布要合理，并应符合有关公路法规的限定要求。
③汽车的各项功能，要求达到设计任务书所给定的指标。
④进行有关运动学方面的校核，保证汽车有正确的运动和避免运动干涉。
⑤拆装与维修方便。
3汽车形式论证选择
3.1轴数和驱动形式
不同类型汽车有不同的轴数和驱动形式，主要根据使用条件、用途、生产条件、制造成本及公路条件等因素进行选择。
最常用的是4×2前驱动式结构。一般乘用车都采用4×2前驱动的布置形式，因为这种汽车结构简单、布置合理、机动性好、成本低、适合于公路使用，是一种典型的，成熟的结构形式。
采用增加轴数的办法，可以提高载重质量而不增加单轴负荷，同时还不会增加车厢底板的离地高度，提高通用化、系列化水平，便与生产、降低成本等。所以汽车厂家多年来一直都采用这种办法变型出更多品种的汽车。
3.2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），中置后驱（MR）等。
①FF型
前置前驱即发动机前置、前轮驱动(Front engine Front drive，简称FF)，这是绝大多数轿车上比较盛行的驱动型式，但货车和大客车基本上不采用该型式。这种布置形式目前主要在发动机排量为2.5L以下的乘用车上得到广泛应用。

图3-1发动机前置前驱
优点
①省略了传动轴装置，减轻了车重，结构比较紧凑；
②有效地利用了发动机舱的空间，驾驶室内空间更为宽敞，并有利于降低地板高度，提高乘坐舒适性；
③发动机靠近驱动轮，动力传递效率高，燃油经济性好； 
④发动机等总成前置，增加前轴的负荷，提高了轿车高速行驶时的操纵稳定性和制动时的方向稳定性； 
⑤简化了后悬架系统； 　
⑥在积雪或易滑路面上行驶时，靠前轮牵拉车身，有利于保证方向稳定性； 
⑦汽车散热器布置在汽车前部，散热条件好，发动机可得到足够的冷却； 
⑧行李箱布置在汽车后部，所以有足够大的行李箱空间。
缺点
①启动、加速或爬坡时，前轮负荷减少，导致牵引力下降；
②前桥既是转向桥，又是驱动桥，结构及工艺复杂，制造成本高、维修保养困难。
③前桥负荷较后轴重，并且前轮又是转向轮，故前轮工作条件恶劣，轮胎寿命短。
④前轮驱动并转向需要等速万向节，其机构和制造工艺较为复杂。
⑤一旦发生正面碰撞事故，因其发动机及其附件损失较大，维修费用高。
代表车型：大众迈腾、丰田凯美瑞、奥迪A3、奔驰B级等。
前置后驱
前置后驱，即发动机前置、后轮驱动(Front engine Rear—drive，简称FR)，这是一种最传统的驱动型式。国内外大多数货车、部分轿车(尤其是高级轿车)和部分客车都采用这种驱动型式，但采用该型式的小型车则很少。

图3-2发动机前置后驱
优点
①在良好的路面上启动、加速或爬坡时，驱动轮的负荷增大(即驱动轮的附着压力增大)，其牵引性能比前置前驱型式优越；
②轴荷分配比较均匀，因而具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性，并有利于延长轮胎的使用寿命；
 ③发动机、离合器和变速器等总成临近驾驶室，简化了操纵机构的布置；
 ④转向轮是从动轮，转向机构结构简单、便于维修。
缺点
 ①由于采用传动轴装置，不仅增加车重，同时降低动力传动系的传动效率，影响了燃油经济性；
 ②纵置发动机、变速箱和传动轴等总成的布置，使驾驶室空间减小，影响乘坐舒适性；同时，后排地板中央有突起；
 ③在雪地或易滑路面上启动加速时，后轮推动车身，易发生甩尾现象。
代表车型：丰田锐志、宝马3系、奔驰C级、法拉利599等。
后置后驱
  后置后驱即发动机后置、后轮驱动(Rear—engine Rear—drive，简称RR），是目前大、中型客车流行的布置型式，而现代乘用车采用后置发动机的仅有保时捷911系列和Smart fortwo。

图3-3发动机后置后驱车型
优点：
①由于横摆力矩小，车辆操纵非常灵活；
②良好的起动和爬坡性能，而且几乎与负荷状态无关；
③由于发动机、变速器和差速器连成一体，所以力的传递路线很短；
④由于前轮负荷小，所以转向轻便；
⑤制动力分配合理；
⑥前悬架构造简单；
⑦发动机易于拆卸；
⑧车身底板上，没有隆起的通道或者只有很小的通道；
⑨前面可以使用小悬挂。
缺点：
①直线行驶性能一般（主销后倾角的出厂值达8°）；
②侧风敏感性大；
③由于前轮负荷小，在冰面上行驶时转向困难；
④转弯行驶时呈现明显的过度转向；
⑤发动机悬置需承受的力矩为发动机转矩乘以总传动比；
⑥由于管路短，排气装置设计难度大；
⑦发动机消声问题难以解决；
⑧复杂的换挡机构；
⑨当散热前置时，需要很长的水管；
⑩由于用强制冷却，散热器所需功率大，电动风扇仅在散热器前置时才能使用；
⑪暖风装置的暖水管或暖风管较长；
⑫燃油箱难以布置在安全区域；
⑬行李箱空间受到很大限制。
应用在乘用车上，后置发动机可以说是没有任何优点，由于后部的重量过大，在快速过弯时，整车的抓地需求绝大部分交付给了后轮，此时后轮的负担是很大的，因此一旦后轮因为速度过高，或者路况较差等原因打滑，后轮就会失控，导致无法让车辆保持既定运行轨迹。
中置后驱
  中置后驱即发动机中置、后轮驱动(Middle—engine Rear—drive，简称MR)，发动机置于座椅之后、后轴之前，大多数高性能跑车和超级跑车都采用这种型式。
优点
①可获得最佳的轴荷分配，操纵稳定性和行驶平顺性较好。
②发动机临近驱动桥，无需传动轴，从而减轻车重，具有较高的传动效率。
③重量集中，车身平摆方向的惯性力矩小，转弯时，转向盘操作灵敏，运动性好。
缺点
①发动机的布置占据了车厢和行李箱的一部分空间，通常，车厢内只能安放2个座椅。
②对发动机的隔音和绝热效果差，乘坐舒适性有所降低。
代表车型：法拉利458、兰博基尼盖拉多LP550-2、帕加尼Zonda、保时捷Carrera GT等。

图3-4发动机中置后驱车型
本次设计的车种为轿车，所以选择两轴，4×2前驱动形式。
4轿车主要参数的选择
轿车主要参数包括尺寸参数、质量参数和汽车性能参数。
4.1尺寸参数
GBl589—89汽车外廓尺寸限界规定汽车外廓尺寸长：货车、越野车、整体式客车不应超过12m，单铰接式客车不超过18m，半挂汽车列车不超过16.5m，全挂汽车列车不超过20m；不包括后视镜，汽车宽不超过2．5m；空载、顶窗关闭状态下，汽车高不超过4m；后视镜等单侧外伸量不得超出最大宽度处250mm；顶窗、换气装置开启时不得超出车高300mm。
轴距的选择必须考虑其它很多因素。轴距L对整备质量、汽车总长、最小转弯直径、传动轴长度、纵向通过半径有影响。当轴距短时，上述各指标减小。此外，轴距还对轴荷分配有影响。轴距过短会使车厢(箱)长度不足或后悬过长；上坡或制动时轴荷转移过大，汽车制动性和操纵稳定性变坏；车身纵向角振动增大，对平顺性不利；万向节传动轴的夹角增大。 
原则上轿车的级别越高，装载量或载客量多的货车或客车轴距取得长。对机动性要求高的汽车轴距宜取短些。为满足市场需要，工厂在标准轴距货车基础上，生产出短轴距和长轴距的变型车。不同轴距变型车的轴距变化推荐在O.4-0.6m的范围内来确定为宜。
汽车轴距可参考下表提供的数据选定:

车型
类别
轴距L/mm
轮距B/mm
轿车
微型级
普通级
中级
中、高级
高级
2000--2200
2100--2540
2500--2860
2850--3400
2900--3900
1100--1380
1150--1500
1300--1500
1400--1580
1560--1620
货车
微型
轻型
中型
重型
1700--2900
2300--3600
3600--5500
4500--5600
1150--1350
1300--1650
1700--2000
1840--2000
客车
城市客车
长途汽车
4500--5000
5000--6500
1740--2050
表4-1各类汽车轴距和轮距
前悬和后悬对汽车的通过性、安全性等有很大影响。初选前悬的尺寸应该在保证布置下个总成前提下，尽可能小；后悬则根据所设计车型要求，是担当选取。
参考奥迪A4L相关数据选取此轿车尺寸，长*宽*高为4630*1775*1485（mm)，轴距为2770mm，前轮距1535mm，后轮距1535mm。
4.2轿车质量参数选择
轴荷分配对汽车轮胎使用寿命和实用性有很大影响。考虑轮胎面磨损均匀寿命相近，各轮胎负荷相差不大；为了使汽车有良好的动力性和通过性，驱动桥应当有足够大的负荷，从动轴上负荷应适当减小；为使汽车有良好的操纵稳定性，转向轴负荷不应过小。这就要求设计时要充分考虑整车的性能要求、使用条件，合理选取轴荷分配。
汽车的性能参数由设计计算后得出。
5轿车发动机的选择
发动机形式的选择 
当前汽车上使用的发动机仍然是以往复式内燃机为主。它分为汽油机、柴油机两类。与汽油机比较，柴油机具有较好的燃油经济性，使用成本低，在相同的续驶里程内，可以设置容积小些的油箱。柴油机压缩比可以达到15～23，而汽油机一般控制在8～10；柴油机热效率高达38％，而汽油机为30％；柴油机工作呵靠，寿命长，排污量少。柴油机的主要缺点是：由于提高了压缩比，要求活塞和缸盖的间隙尽可能小，加工精度比汽油机要求更高；因自燃产生的爆发压力很大，因此要求柴油机各部分的结构强度比汽油柴油机主要用于货车、大型客车上。随着发动机技术的进步，轻型车和轿车用柴油机有日益增多的趋势。 
根据发动机气缸排列形式不同，发动机有直列、水平对置和V型三种。气缸直列式排列具有结构简单、宽度窄、布置方便等优点。但当发动机缸数多时，长度尺寸过长，在汽车上布置困难，因此直列式适用于6缸以下的发动机。此外，直列式还有高度尺寸大的缺点。与直列发动机比较，V型发动机具有长度尺寸短因而曲轴刚度得到提高，高度尺寸小，发动机系列多等优点。其主要缺点是用于平头车时，因发动机宽而布置上较为困难，造价高。水平对置式发动机的主要优点是平衡好，高度低。V型发动机主要用于中、高级和高级轿车以及重型货车上，水平对置式发动机在少量大客车上得到应用。 
根据发动机冷却方式不同，发动机分为水冷与风冷两种。大部分汽车用水冷发动机，因为它具有冷却均匀可靠、散热良好、噪声小和能解决车内供暖问题，以及加大散热器面积后，能较好适应发动机增压后散热的需要等优点。水冷发动机的主要缺点是冷却系结构复杂；使用与维修不方便；冷却性能受环境温度影响较大，夏季冷却水容易过热，冬季又容易过冷，并且在室外存放，水结冰后能冻坏气缸缸体和散热器。
当选用尺寸和质量小的发动机时，不仅有利于汽车小型化、轻量化，同时在保证客厢内部有足够空间的条件下，还能节约燃料。 
由于天然气资源充足，在今后一个阶段内天然气汽车将得到应用。无排气公害、无噪音的电动汽车，是理想的低污染车，在解决高能蓄电池和降低成本后会在汽车上得到推广使用。太阳能汽车也是理想的低污染汽车，目前还未达到商品化阶段。 
发动机主要性能指标的选择 
发动机最大功率Pemax和相应转速np
根据所需要的最高车速vamax(km/h),用下式估计发动机的最大功率

式中：Pemax为发动机的最大功率；
ηT为传动系的传动效率，对单机主减速器驱动桥的4×2式汽车取0.9；
ma汽车总质量；
G为重力加速度；
Fr为滚动阻力系数，对轿车等高速车辆考虑车速影响并取fr=0.0165+0,0001（va-50）；
Vmax为汽车最大车速；
cD为空气阻力系数，轿车取0.4-0.6；
A为汽车正投影面积，m2，若无测量数据，可按前轮距B1、汽车总高H。汽车总宽B等尺寸做近似计算：
对轿车A≈0.78BH
用下式确定：

Temax为最大转矩；
α为转矩适应性系数，一般在1.1-1.3之间选取；
Pemax为发动机最大功率；
Np为最大功率转速；
通过计算，本车发动机选为8ZR-FXE。
6汽车轮胎的选择
轮胎及车轮在车桥(轴)与地面之间传力，并使汽车运动。因此，轮胎及车轮部件应满足下述基本要求：足够的负荷能力和速度能力，具有较小的滚动阻力和行驶噪声，良好的附着特性和质量平衡，耐磨损、耐刺扎、耐老化和良好的气密性，质量小、价格低、拆装方便、互换性好。 
轮胎有多种分类方法，其中，按胎体结构不同分为子午线轮胎、斜交轮胎等；按帘线材料不同分钢丝轮胎、半钢丝轮胎、人造纤维轮胎和棉帘线轮胎；按用途不同分乘用车(指轿车、轻型客车)轮胎、商用车(指货车、大型客车)轮胎、非公路用车轮胎、特种车轮胎；按胎面花纹不同分公路花纹轮胎、越野花纹轮胎、混合花纹轮胎和特种花纹轮胎；按断面形状不同分普通断面轮胎和低断面轮胎两种；按气密方式不同分有内胎轮胎和无内胎轮胎两种。 
子午线轮胎的特点是滚动阻力小、温升低，胎体缓冲性能和胎面附着性能都比斜交轮胎好，装车后油耗低、寿命长、高速性能好，因此适应现代汽车对安全、高速、低能耗的发展要求。其缺点是造价高、不易翻修。 
目前用钢丝和各种高强度人造材料制作帘线的轮胎得到广泛应用，用天然纤维制作帘线的轮胎已遭淘汰。 
乘用车轮胎尺寸小，高速性和舒适性好；商用车轮胎尺寸大，承载能力强；非公路用车轮胎附着性好，胎面耐刺扎，适用于在恶劣条件下工作。 
公路花纹轮胎滚动阻力小、噪声小，适用于铺装路面上使用，其中纵向花纹轮胎适用于良好路面，横向花纹轮胎适用于土石路面；越野花纹轮胎适用于坏路面或无路地带使用；混合花纹轮胎适用于使用路面条件变化不定的场合。
低断面轮胎高速稳定性好。无内胎轮胎高速安全性好。这两种结构能适应现代汽车运行条件逐步改善、行驶速度日益提高的要求。多数汽车特别是轿车、轻型客车的轮胎，选用既是子午线轮胎结构，又是低断面轮胎和无内胎轮胎。此外，经总体布置计算，汽车轮胎所承受的最大静负荷值，应与轮胎额定负荷值接近。两者之比称为轮胎负荷系数，此系数应控制在0.9～1.0之间，以防止超载。超载不仅会导致轮胎寿命降低，而且会降低操纵稳定性和行驶安全性。轿车和轻型货车、轻型客车的车速高、动负荷大，上述系数应取下限。充气压力和使用速度对轮胎负荷能力有影响。随着道路条件的改善和高速公路的发展，汽车车速逐步提高，使轮胎发热量增加、温度升高，并使胎面与轮胎帘线层脱落，轮胎寿命降低。

图6-1子午线轮胎和斜交轮胎结构图
综合考虑，该车选用子午线轮胎195/65 R15。
论证结果
根据本次设计目标与要求，采用4×2发动机前置前驱布置形式，车身尺寸为长*宽*高为4630*1775*1485（mm)，轴距为2770mm，前轮距1535mm，后轮距1535mm，发动机为8ZR-FXE，轮胎为子午线轮胎195/65 R15。
参考文献 
1.王望予主编，汽车设计（第4版），北京：机械工业出版社，2008. 
2.王望予主编，汽车设计，北京：中国建筑工业出版社，2000. 
3.吉林大学 陈家瑞，汽车构造，北京：机械工业出版社，2006. 
4.清华大学 余志生主编，汽车理论，北京：机械工业出版社，2006. 
5.中国汽车工业经济技术信息研究院，中国汽车零配件大全，机械工业出版社，2000.