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汽车底盘及传动系概述

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汽车底盘及传动系概述
汽车构造——底盘工程（第2版）

1.1汽车底盘概述
汽车底盘接收动力装置（发动机、电动机等）的动力使汽车产生运动，并保证汽车按驾驶员的操纵意向正常行驶。按照我国习惯，汽车底盘一般分为四个系统，即传动系、行驶系、转向系和制动系。
传动系的功用是将动力装置的动力按要求传给驱动轮，其一般布置如图1.1所示。

图1.1汽车传动系布置概貌

1-变速器； 2-分动器； 3-传动轴； 4-主减速器

行驶系如图1.2所示。图中承载式车身或车架，用它使汽车各总成及部件组合成为一整体，而轮胎则将整车支承于地面，并可靠附着于地面，产生汽车行驶时所需的各向作用力（纵向力和侧向力）,它和悬架一道缓和地面对车辆的冲击和振动,保证汽车正常、可靠行驶。
转向系如图1.3所示，其功用是使汽车按驾驶员选择的方向行驶。
制动系如图1.4所示，其功用是使行驶中的汽车按要求降速直至停车、使停驶的汽车驻留原地不动。



图1.2行驶系示意图

1-前悬架； 2-后悬架； 3-车轮和轮胎； 4-承载式车身



图1.3转向系示意图

1-转向操纵结构； 2-转向器




图1.4制动系示意图

1、4-制动器； 2-行车制动操纵机构； 3-驻车制动操纵机构

1.2动力传动系统的组成及其功能
当今汽车主要以内燃机为动力。内燃机的工作特点可由其外特性来反映，如图1.5所示。从图中可看到，在油门全开的情况下，转矩在整个转速范围内变化不大，而功率变化却很大，随着转速的提高，输出功率急剧上升，通常要到3500～6000r/min才能达到最大功率； 内燃机工作时，必须要有一最低转速（一般在600r/min以上），才能稳定工作。这些与汽车的使用要求很不适应。例如，汽车起步或上坡时阻力大，汽车速度不高，但要求有大的牵引力，来克服加速阻力或上坡阻力,这就要求发动机有大的功率输出； 而在一般平坦道路上作等速巡航行驶时，由于此时行驶阻力不太大，所需的功率也不太大。由图1.6可直观地看出内燃机在功率供需上的矛盾。事实上，单靠调节发动机本身功率输出，来适应汽车不同行驶状况时所需要的功率是不现实的。因此，必须通过传动系对发动机发出的动力作改造，使之能适应外界对其功率-转速特性的要求。理想传动系的功率输出应是，功率输出不随车速的变化而改变，即作恒功率输出； 或者说，其输出转矩随车速呈双曲线变化，转速低时

图1.5汽车发动机特性图

（a） 汽油机； （b） 柴油机

转矩大，转速高时转矩小。

图1.6汽车要求功率与发动机输出功率对照图

从内燃机的万有特性图中可以看到，内燃机在不同输出功率、不同转速下工作时的燃油消耗率是不一样的，图1.7所示为汽车发动机的万有特性图（比油耗图）。从图中可以看到，在一定的输出功率下，相应只有在一定转速范围内，才能有较低的燃油消耗率。汽车要在不同速度下行驶，因此还要通过调整传动系的传动比，使其与发动机很好地匹配，才有可能达到省油的目的。此外，汽车行驶中有停车、起步、倒驶、曲线行驶等多种情况。因此，以内燃机为动力的汽车传动系应具备以下几个方面的功能： 
（1） 保证汽车在各种行驶条件下所必需的牵引力与车速，使它们之间能协调变化并有足够的变化范围； 
（2） 使汽车具有良好的动力性和燃油经济性； 
（3） 保证汽车能倒车，左右驱动车轮可以有不同的转速（差速作用）； 
（4） 使动力传递能根据需要顺利接合与分离。

图1.7某V8发动机万有特性图


汽车传动系分手动和自动两类。自动传动系统是在手动传动系统的基础上发展起来的，两者的功能基本一样，区别的关键在于操纵方式不同。手动传动系通常是机械式的，由于其传动效率高、工作可靠、价格便宜，直到今天仍然是汽车上最常用的传动系统。机械式传动系的结构最为典型，是学习的基础。
依据对以内燃机为动力的汽车传动系功能的要求，机械式传动系一般由离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器等部件组成。有些汽车，如四轮驱动的汽车或多轴汽车，其传动系中还会有分动器，见图1.1。

图1.8汽车传动系布置概貌

1-发动机； 2-离合器； 3-变速器； 4-万向节； 

5-差速器； 6-主减速器； 7-半轴； 8-传动轴


通常情况下，机械式传动系中的离合器、变速器（有时还会加上主减速器、差速器）和内燃机组装在一起，称为动力总成。而一般主减速器中都含有差速器，有时也称它们为主传动或最终传动。
传动系的布置形式很多，它对汽车车型的变化影响很大，1.3节将会做专门的描述。图1.8所示为汽车的典型动力传动系统布置的概貌图。
这里要指出，以纯内燃机为动力的汽车，由于其排放的废气对大气造成污染和消耗的能源——石油不能再生等问题，遭到了其他类动力汽车的挑战。这类汽车中现今比较现实的是混合动力汽车，即内燃机＋电驱动的所谓油电混合动力汽车。更远景的是燃料电池发动机（氢能源）＋普通电池的所谓氢电混合动力汽车等。它们的传动系另有特色，将在第12章中专门介绍。
1.3动力传动系统在汽车上的布置
发动机在汽车上的布置位置，特别是它相对于车身（或驾驶室）和驱动轴（车轴）之间的位置关系，对车身造型、车身内部布置和汽车的总体格局及汽车性能有着重大的影响。这些问题的深入分析会在“汽车理论”及“汽车设计”课程及其教材中展现。本书则从结构的角度，着力于对动力传动系统本身在车上布置的基本概况作扼要的叙述。
发动机在整车中位置的布置，基本上分成3种情况： 前置、中置和后置。而推动汽车前进的驱动车轮，也有3种可能： 前轮驱动、后轮驱动及四轮（或称做全轮）驱动。这样，它们之间相互组合，就有以下几种不同风格的组合类型。
1. 发动机前置汽车后轮驱动
发动机前置汽车后轮驱动（front-engine,rear-wheel-drive，FR），典型的FR布置如图1.9（a）所示，其发动机都为纵向布置，传动系中的离合器、变速器和发动机组装成一整体。主减速器（含差速器）装在后桥（或称后轴）上（此时通称为后驱动桥）。变速器和后驱动桥之间由带万向节的传动轴相连。


图1.9FR型传动系布置形式

（a） 离合器、变速器布置在前； （b） 离合器、变速器布置在后

1-发动机； 2-离合器； 3-变速器； 4-传动轴（带万向节）； 5-主减速器； 6-发动机动力总成前支承； 
7-发动机动力总成后支承； 8-传动箱前支承； 9-传动箱后支承； 10-驱动轴（带万向节）

FR型布置，长期以来一直是大多数各类汽车最为乐于采用的传动系统布置方案。因为它容易获得比较理想的轴荷分布和较佳的汽车性能。今天，FR型的布置（图1.9（a））普遍为商用载重汽车所采用。但也有汽车为了改善轴荷分配，采用图1.9（b）的方案，将离合器、变速器挪到后部和主减速器组合在一起，但它应用得很少。
2. 发动机前置汽车前轮驱动
发动机前置汽车前轮驱动（front-engine,front-wheel-drive,FF），FF型布置中，发动机可以横置也可以纵置。因此，它派生出4种形式，具体如图1.10所示。
无论发动机是纵置或横置，传动系中的各总成（离合器、变速器及主减速器）和发动机完全集成为一整体，传统意义上的传动轴被取消了，取而代之的是主减速器与车轮之间的带万向节的驱动轴。
FF型布置主要适用于轿车，而其中大多数采用发动机横置的如图1.10（d）所示的方
案。据资料报道，采用发动机横向布置FF方案，汽车轴距可以缩短达10%，汽车自重可以减轻达8%。但由于将动力总成传动系统全部集成在一起安装在发动机舱内，因此，要求该集成的动力总成结构非常紧凑。所以发动机一般不采用比V6更多的汽缸，这也就是大排量轿车更愿意采用FR型布置的原因。采用FF型布置的另一好处是，取消了传动轴可以降低地板高度，有利于车身高度的下降。
3. 发动机后置汽车后轮驱动
发动机后置汽车后轮驱动（rear-engine， rear-wheel-drive,RR），RR型布置在小轿车中有图1.11所示的3种布置形式。发动机和传动系中所有的总成（离合器、变速器及主减速器）全部集成在一起，这种布置结构很紧凑，早期在欧洲的小汽车中用过。但是由于整套动力传动系都在后部，后车轮负荷较大，对汽车的操纵性能不利，容易甩尾。因此，RR型布置在小轿车中已基本不采用了。

图1.10FF型传动系布置形式

（a） 发动机纵置在前； （b） 发动机纵置在后； 
（c） 发动机横置驱动轴左右等长； （d） 发动机横置驱动轴左右不等长

1-发动机； 2-离合器； 3-变速器； 4-主减速器； 5-驱动轴（带万向节）； 
6-发动机动力总成前（或前两侧）支承； 7-发动机动力总成后支承


图1.11RR型传动系布置形式（小轿车）

（a） 发动机纵置在后轴之后； （b） 发动机横置在后轴之后； （c） 发动机横置在后轴之前

1-发动机； 2-离合器； 3-变速器； 4-主减速器； 5-驱动轴； 

6-发动机动力总成前支承； 7-发动机动力总成后支承

但是采用RR型布置，对于大、中型客车却非常有利。它们不存在操纵性变差的问题，相反其他方面优点很突出。由于发动机不在前部，使得汽车尤其是其前部车内地板可以大幅度降低，增大车内空间，使整个汽车的视野非常开阔，适合于旅游观光车和城市交通车。这一类客车的RR型布置有两种，如图1.12所示。发动机可以纵置或横置，离合器、变速器和发动机组装在一起，主减速器在后桥上，两者之间用传动轴相连。

图1.12RR型传动系布置（客车）

（a） 发动机纵置； （b） 发动机横置

1-发动机； 2-离合器； 3-变速器； 4-传动轴； 5-主减速器

以上3种布置类型各有特色，且形成了各自的主流车种。此外，目前还有并不太流行的第4种布置形式，即下面叙述的发动机中置汽车后轮驱动。
4. 发动机中置后轮驱动
发动机中置后轮驱动布置如图1.13所示，一般很少采用，只见于少数城市铰接式大客车及长途大客车上。它的优点是，相对于RR型来说，由于发动机动力总成离驾驶员较近，操作起来更方便一些。

图1.13发动机中置后轮驱动传动系布置

（a） 传动轴带中间支承； （b） 传动轴不带中间支承

1-发动机； 2-离合器； 3-变速器； 4-传动轴； 5-中间支承； 6-主减速器



以上介绍的4种类型的布置的共同之处是汽车上只有两个车桥（或车轴），其中一个车桥（即两个车轮）是不驱动的，也就是说只是两轮驱动。从汽车牵引性能的角度来看，两轮驱动不如4个车轮全都驱动好，下面就介绍四轮驱动的布置情况。
5. 四轮驱动
四轮驱动（4-wheel drive,4WD），4WD型方案本身不属于基本的布置，它是在FR、FF、RR等基本型的基础上变型而成的。通常是在基本型的基础上，在变速器后面增加一个分动箱，把变速器输出的功率分成两路，一路到前驱动桥，另一路到后驱动桥，就形成了四轮驱动。采用4WD的优点是汽车在坏路面上行驶时的通过能力更强。当然其结构复杂，传动效率较低。图1.14所示为在上述3类基本型基础上变型的四轮驱动传动系布置方案，仅供读者初步了解。

图1.144WD型传动系布置

（a） 在FR型基础上变型； （b） 在FF型基础上变型； （c） 在RR型基础上变型

1-发动机； 2-离合器； 3-变速器； 4-分动器及轴间差速器； 5-后驱动桥主减速器； 
6-前驱动桥主减速器； 7-轴间差速器（圆柱行星齿轮）； 8-黏性联轴差速器

6. 多轴（桥）传动
大吨位载重汽车，为了降低车轮对地面的负荷，提高汽车的承载能力，必须采用多轴（多于两轴）传动。用得较多的为三轴汽车，也有用到四轴的。三轴或四轴汽车，其驱动轴数可以是全部也可以是其中一部分。为了表明汽车的总轴数和它的驱动轴数，技术上规定写成如下形式： 比如4×2，表示汽车有4个车轮2根车轴，其中只有2个车轮一根车轴为驱动； 4×4就表示汽车有2根车轴，而4个车轮全部都驱动，也就是前面的4WD型。显然，对于三轴汽车可以有6×4或6×6两种布置。6×4的汽车表示汽车有3根轴，1根不驱动而另外2根车轴驱动。8×8表示汽车有4根轴而8个车轮全部都驱动。如图1.15所示为多轴汽车6×6、8×8的传动系布置。四轴8×8汽车大多用于军事目的，它们布置形式花样更多，图1.16中展示了侧边式布置和混合式布置的方案。

图1.15多桥驱动汽车的非贯通式布置与贯通式布置

（a） 6×6汽车非贯通式驱动桥的布置； （b） 8×8汽车贯通式驱动桥的布置


图1.168×8越野汽车的侧边式布置与混合式布置

（a） 侧边式； （b） 混合式

1.4动力总成悬置系统
上面所描述的是对动力传动系统在汽车上所作的总体上的布局，图1.9～图1.11中也大致标示出动力总成的支承点的位置。下面将就动力总成（发动机加变速器）的支承作较详细的介绍。
动力总成悬置系统是指发动机和车架（或车身）之间的连接元件及其所构成的弹性支承系统，这一系统包括支承的元件（悬置元件）及元件安装在车架上的相互位置和姿态，如图1.17所示。动力总成悬置系统的构造并不复杂，但它对汽车的振动和噪声影响很大，广泛受到人们的重视。

图1.17发动机悬置系统示意图

1-变速器处悬置； 2-后部悬置； 3-发动机处悬置

1.4.1悬置系统的功能
在早期的汽车中，发动机直接刚性地固定在车架上，目的是利用发动机本身巨大的刚体来加强车架的刚性。由于当时整个汽车性能很差，发动机自身的振动所引起的不良反应并不突出。随着道路状况的改善和汽车底盘性能的改进，来自道路的颠簸大为减轻，使得发动机在车架上的振动变得十分突出，因此，要在发动机和车架之间加装若干弹性软垫以缓解发动机振动。这就形成了发动机早期的弹性支承系统——悬置系统（见图1.17）。
随着汽车车速的提高，由地面或轮胎不平衡所形成的激励，通过悬置系统输入而引起的发动机振动，也对汽车车体的振动发生影响，因此需要合理地配置发动机悬置系统，才能获得满意的隔振/防振效果。动力总成悬置系统对汽车车内的噪声也有影响，一般来说有着良好隔振性能的悬置系统，对降低车内噪声是十分有利的。
归纳起来，悬置系统有以下这些功能： 
（1） 支承动力总成质量及承受作用在动力总成上的动态力。动力总成质量从几十千克到几百千克。悬置系统中的各元件，首先要能可靠承受动力总成的质量。动力总成有很大的惯性，当汽车加速或减速时，在动力总成上就会产生纵向的动态力。汽车转向时，作用于动力总成上的动态力为横向。汽车在不平的路面上行驶时，会有上下方向的垂直动态力。在各种动态力作用下，悬置都应能可靠承受，且使发动机的位移不过大。
（2） 动力总成的隔振要求。要能有效地降低由于发动机的激励而引起的转向（方向）盘、乘员地板处的振动和车内噪声。
（3） 动力总成的振动控制。要能有效地控制由于路面不平而引起的动力总成的振动。
采用弹性悬置还有其他好处，比如防止车架（或车身）及动力总成等支架处的疲劳开裂。
1.4.2悬置系统的布置结构形式
发动机采用弹性悬置支承，因弹性元件的变形，发动机在空间实际上可有6个方向的自由活动度（6自由度），如图1.18所示。一般情况下，发动机受到某一方向激励，6个方向都能产生振动，它可能发生6次共振。如果布置上能使发动机6个方向上的运动互相独立互不牵连（技术上称为解耦），即发动机受到一个方向激励时，只在激励方向发生振动而其他方向没有振动，这样就可使得隔振问题变得比较简单（由多自由度隔振变成单自由度隔振）。