1.5.2 汽车主要参数及发动机的选择

汽车的主要参数包括尺寸参数、质量参数和汽车性能参数。

1. 汽车主要尺寸的确定

汽车的主要尺寸参数有外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬、货车车头长度和车厢尺寸等。

（1）外廓尺寸

汽车的长、宽、高称为汽车的外廓尺寸。在公路和市区内行驶的汽车的最大外廓尺寸有专门的法律法规进行限制，因此不能随意确定，而有些非公路用车辆可以不受法规限制。除法规和汽车的用途以外，还有载客量或装载质量及涵洞和桥梁等道路尺寸条件。汽车长度尺寸小，一些不仅可以减小行驶期间需要占用的道路长度，还可以增加车流密度，在停车时占用的停车场地面积也小。除此之外，汽车的整备质量也相应减小，这有利于提高比功率、比转矩和燃油经济性。GB 1589—2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》对车辆长度、宽度和高度作了规定，如货车长度不应超过12m，单铰接客车长度不超过18m，半挂车长度不超过13.75m，货车列车长度不超过20m；半挂车宽度不超过2.55m；低速货车高度不超过2.5m等。

乘用车的总长La是轴距L、前悬LF和后悬LR之和。它与轴距的关系为

式中，C是比例系数，C=0.52～0.66，对发动机前置前轮驱动汽车，C=0.62～0.66；对发动机后置后轮驱动汽车，C=0.52～0.56。

乘用车宽度尺寸由乘员空间和车门等装置来决定，同时必须保证发动机、车架、悬架、转向系统和车轮的布置要求。与车辆总长La的关系为

B=(La/3)+195(mm)±60(mm)

式中，B是乘用车总宽度。对于后座乘三人的乘用车，B不应小于1410mm。

影响乘用车总高Ha的因素主要有轴间底部离地高度hm、地板及下部零件高度hp、室内高度hB和车顶造型高度ht等。轴间底部离地高度hm应大于最小离地间隙hmin。由座位高、乘员上身长和头部及头上部空间构成的室内高度hB一般在1120～1380mm之间。车顶造型高度ht在20～40mm之间。

（2）轴距L

轴距对汽车总长、最小转弯直径、整备质量、纵向通过半径及传动轴长度等都有影响。当轴距短时，上述各指标相应减小。此外，轴距还对轴荷分配、传动轴夹角等有影响，轴距必须在合适的范围内选取。过短的轴距会使车厢长度不足或后悬过长；上坡或制动时轴荷转移过大，汽车操纵稳定性和制动性能变差；车身纵向角振动增大，不利于提升汽车平顺性；万向节传动轴的夹角增大。

原则上发动机排量大的乘用车以及装载质量较大的货车或载客量较大的客车，轴距取得长；对机动性能要求高的汽车，轴距应该取短些。为了满足市场需求，汽车厂商在标准轴距货车的基础上，生产出轴距不同的变型车，其轴距变化推荐为0.4～0.6m。表1-1提供的数据可供初选轴距时参考。

（3）前轮距B1和后轮距B2

汽车轮距B对车厢或驾驶室内宽度、汽车总宽、总质量、最小转弯直径、侧倾刚度等有影响。增加前轮距，可以增加驾驶室内宽度，有利于增加侧倾角，但汽车总宽度和总质量会有所增加，同时会影响到最小转弯直径。国家标准规定汽车总宽不得超过2.55m，所以轮距不宜过大。但在取定的前轮距B1范围内，应能布置相应总成，如发动机、车架、前悬架和前轮等，并保证前轮有足够的转向空间，同时转向杆系与车架、车轮之间有足够的运动间隙。在确定后轮距B2时应考虑两纵梁之间的宽度、悬架宽度和轮胎宽度及它们之间应留有必要的间隙。各类汽车的轮距可参考表1-2提供的数据进行初选。

（4）前悬LF和后悬LR

汽车的前悬和后悬尺寸根据总布置要求最后确定。前悬尺寸对汽车通过性、驾驶人视野、碰撞安全性、前钢板弹簧长度、上车和下车的方便性以及汽车造型等均有影响。增加前悬尺寸，将减小汽车的接近角，降低汽车通过性，并使驾驶人视野变差。对平头汽车，前悬还会影响从前门上、下车的方便性。对于长头车，前悬主要受到前保险杠、发动机、风扇、散热器等部件的影响，长头货车前悬一般在1100～1300mm的范围内。后悬尺寸对汽车通过性、汽车被追尾时的安全性、货箱长度或行李舱长度以及汽车造型等都有影响，并取决于轴距和轴荷分配的要求。后悬变长会使汽车离去角减小，导致通过性降低；而后悬短的乘用车行李舱尺寸较小。客车后悬长度不得超过轴距的65%，绝对值不大于3500mm；总质量为1.8～14.0t的货车后悬一般在1200～2200mm之间，特长货箱的汽车后悬可达到2600mm，但不得超过轴距的55%。

（5）货车车头长度

货车车头长度是指从汽车的保险杠到驾驶室的距离。车头长度尺寸对汽车外观、驾驶室的容积、发动机维修的方便性都有很大影响。一般来说，长头型货车车头长度一般控制在2500～3000mm，平头型货车车头长度一般控制在1400～1500mm。

（6）货车车厢尺寸

货车车厢的尺寸要求在运送集装箱和袋装货物时能装至额定吨数。车厢边板高度影响汽车质心高度和装卸货物的方便性，范围一般在450～650mm内。在汽车外宽符合国家标准的前提下车厢内宽应适当取大些，有利于缩短车厢长度和边板高度。行驶时能达到较高车速的货车，使用过宽的车厢会增加汽车迎风面积，导致空气阻力增加。在能满足运送额定吨位货物的前提下车厢内长应尽可能取小些，以利于减小整备质量。

2. 汽车质量参数的确定

汽车质量参数包括汽车的载客量和装载质量me、整车整备质量m0及估算、汽车总质量ma、质量系数和轴荷分配等。

（1）汽车的载客量和装载质量me

1）汽车的载客量：乘用车的载客量包括驾驶人在内不超过9个（9座），属于M1类汽车，其他M2、M3类汽车的座位数、乘员数及汽车的最大设计总质量参见国家标准GB/T 15089—2001。

2）汽车的装载质量是指在硬质良好路面上行驶时所允许的额定装载量。汽车在碎石路面上行驶的装载质量为在好路面上行驶的75%～85%。越野汽车的装载质量是指越野行驶时或在土路上行驶时的额定装载量。为确定货车装载质量m0，首先应确认企业商品规划，其次要考虑到汽车的用途和使用条件。原则上货流大、运距长或矿用自卸车应采用大吨位货车；为了提高经济性，货源变化频繁、运距短的市内运输车采用中小吨位的货车。

（2）整车整备质量m0及估算

整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎等），加满燃料和水，但没有装货且未载人时的整车质量。整车整备质量影响汽车的成本和使用经济性。目前，尽可能减小整车整备质量是为了通过降低整备质量增加装载量或载客量，抵消因满足安全标准、排气净化标准和噪声标准所带来的整备质量的增加，节约燃料。减小整车整备质量的措施包括用计算机优化设计；增加铝与复合材料在汽车上的应用比例；改善汽车各总成以及零件的结构，充分发挥强度，减小结构尺寸和用料量；采用承载式车身；提高轮胎的可靠性，去掉备胎等。减小整车整备质量，是汽车设计工作中必须遵守的一项重要原则。估算整车整备质量时，主要考虑的是既要保持先进性又要保持可行性。在总体设计阶段，往往需要预先估算这一数值，其方法如下：

1）对同级构造的相似样车及其部件的质量进行测定和分析，在此基础上初步估计出整车整备质量。

2）在没有样车参考时，首先为新车选择一个适当的质量系数，此系数定义为汽车装载质量me与整车整备质量m0之比，即

该系数反映了汽车的设计水平和工艺水平，值越大，说明该汽车的结构和制造工艺越先进。要达到较高的质量系数，就需要努力减轻零部件的自身重量，为达到这种目的，在材料、制造以及设计方面都要采取有效措施。在参考同类型汽车选定（表1-2）以后，可根据给定的me，计算整车整备质量m0。

乘用车和商用客车的整车整备质量，也可按每人所占汽车整车整备质量的统计平均值估算，见表1-3。

（3）汽车总质量ma

汽车总质量是指装备齐全，并按规定载满客、货时的整车质量。乘用车和商用客车的总质量由整车整备质量m0、乘员和驾驶人质量以及乘员的行李质量三部分构成，其中乘员和驾驶人每人以65kg计，即

式中，n是包括驾驶人在内的载客数；α是行李系数，可按表1-4提供的数据选用。

商用货车的总质量ma由整备质量m0、载质量me和驾驶人及随行人员质量三部分组成，即

式中，n1是包括驾驶人及随行人员在内的人数，应等于座位数。

（4）轴荷分配

汽车的轴荷分配是指汽车在空载或满载静止状态下，各车轴对支承平面的垂直负荷，也可以用占空载或满载总质量的百分比来表示。

轴荷分配是汽车的重要质量参数，它对汽车的轮胎寿命和汽车的许多使用性能都有影响。对轴荷分配有如下要求：考虑到要使各轮胎磨损均匀和寿命相近，各个车轮的负荷应相差较小；为了确保汽车有良好的动力性和通过性，驱动桥的负荷应足够大，而从动轴上的负荷可以适当减小，以利于减小从动轮滚动阻力和提高在坏路面上的通过性；为了保证汽车有良好的操纵稳定性，又要求转向轴的负荷不应过小。

由上可知，各使用性能对轴荷分配参数的要求是相互矛盾的，这就要求设计时应根据对整车的性能要求、使用条件等，合理地选取轴荷分配。汽车的驱动形式与发动机位置、汽车结构特点、车头形式和使用条件等均对轴荷分配有显著影响。如发动机前置前轮驱动乘用车和平头式商用货车的前轴负荷较大，而长头式货车的前轴负荷较小。常在坏路上行驶的越野汽车，前轴负荷应该小些。当总体布置进行轴荷分配计算不能满足预定要求时，可通过重新布置某些总成、部件（如油箱、备胎、蓄电池等）的位置来调整。必要时，改变轴距也是可行的方法之一。各类汽车的轴荷分配见表1-5。

3. 汽车性能参数的确定

（1）动力性参数

汽车动力性参数包括最高车速vamax、加速时间t、上坡能力、比功率和比转矩等。

1）不同车型的最高车速vamax的范围见表1-6。

2）汽车在平直的良好路面上，从原地起步开始以最大加速度加速到一定车速所用去的时间，称为加速时间。对于最高车速vmax>100km/h的汽车，加速时间常用车辆从静止加速到100km/h所需的时间来评价，例如发动机排量大于1.6L的乘用车，此值一般为8～17s，发动机排量小些的乘用车为12～25s。对于vmax低于100km/h的汽车，加速时间可用车辆从静止加速到60km/h所需的时间来评价。

3）上坡能力用汽车满载时在良好路面上的最大坡度阻力系数imax来表示。因乘用车、货车、越野汽车的使用条件不同，对它们的上坡能力要求也不一样。通常要求货车能克服30%坡度，越野汽车能克服60%坡度。

4）汽车比功率Pb、比转矩Tb。比功率Pb是汽车所装发动机的标定最大功率Pmax与汽车最大总质量ma之比，即Pb=Pemax/ma。它综合反映了汽车的动力性，比功率大的汽车的最高车速、加速性能要好于比功率小的汽车。乘用车的比功率明显大于货车和客车。发动机排量较大的乘用车的比功率要大于排量较小的乘用车，而货车的比功率随总质量ma的增加而减小。为保证路上行驶车辆的动力性不低于一定的水平，防止某些动力性能差的车辆阻碍交通，应对车辆的最小比功率作出规定。我国GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》规定：低速汽车及拖拉机运输机组的比功率应大于等于4.0kW/t，除无轨电车、纯电动汽车外的其他机动车的比功率应大于等于5.0kW/t。比转矩T是汽车所装发动机的最大转矩Temax与汽车总质量ma之比，Tb=Temax/ma。它能反映汽车的牵引能力。不同车型比功率和比转矩范围见表1-7。

（2）燃油经济性参数

汽车的燃油经济性用汽车在水平的水泥或沥青路面上，以经济车速或多工况满载行驶百公里的燃油消耗量（L/100km）来评价。该值越小，燃油经济性越好。发动机排量小的乘用车要求百公里燃油消耗量要低于排量大的乘用车（表1-7）。未来的发展趋势是百公里油耗量继续减少，如正在研制的超经济型乘用车的目标百公里燃油消耗量为3L/100km。

货车有时用单位质量的百公里燃油消耗量来评价（表1-8）。

（3）汽车最小转弯直径Dmin

影响汽车Dmin的因素有两类：与汽车本身有关的因素和法规及使用条件对Dmin的限定。前者包括汽车轴距、轮距、汽车转向轮最大转角以及转向轮数（如全轮转向）等对汽车最小转弯直径均有影响，除此之外，有关的国家法规规定和汽车的使用道路条件对Dmin的确定也是重要的影响因素。转向轮最大转角越大，轴距越短，轮距越小和参与转向的车轮数越多时，汽车的最小转弯直径越小，表明汽车在停车场上调头和通过弯道半径较小路段的能力越强。对机动性要求高的汽车，Dmin应取小些。

各类汽车的最小转弯直径Dmin见表1-9。

（4）通过性几何参数

总体设计要确定的通过性几何参数有：最小离地间隙hmin，接近角γ1，离去角γ2，纵向通过半径ρ1等。各类汽车根据车型和用途通过性参数也不同，其范围见表1-10。

（5）操作稳定性参数

汽车操纵稳定性的评价参数较多，与总体设计有关并能作为设计指标的有：

1）转向特性参数。为了保证有良好的操纵稳定性，汽车应具有一定程度的不足转向。通常汽车以0.4g的向心加速度沿着一个定圆转向时，前、后轮侧偏角之差δ1-δ2，作为评价参数，此参数在1°～3°为宜。

2）车身侧倾角。汽车以0.4g的向心加速度沿定圆等速行驶时，车身侧倾角控制在3°以内较好，最大不允许超过7°。

3）制动前俯角。为了不影响乘坐舒适性，要求汽车以0.4g的减速度制动时，车身的前俯角不大于1.5°。

（6）制动性参数

汽车制动性是指汽车在制动时，能在尽可能短的距离内停车且保持方向稳定，下长坡时能维持较低的安全车速并有在一定坡道上长期驻车的能力。目前常用制动距离st、平均制动减速度j和行车制动的踏板力及应急制动时的操纵力来评价制动效能。GB 7258—2017规定的制动距离和制动稳定性要求见表1-11。

（7）舒适性

舒适性应包括平顺性、车内噪声、空气调节性能（温度、湿度等）、乘坐环境（活动空间、车门及通道宽度、内部设施等）及驾驶人的操作性能。

其中，垂直振动参数常用于评价汽车行驶平顺性，包括频率和振动加速度等，此外悬架动挠度也用来作为评价参数之一。各类汽车的悬架静挠度、动挠度和偏频见表1-12。

4. 发动机选择

（1）发动机形式选择

发动机详细分类如图1-15所示。

1）发动机种类的选择。目前绝大多数燃油汽车安装的都是往复式内燃机。在此讨论的发动机选型就是针对这种发动机的。

往复式内燃机可分为汽油机和柴油机两大类。目前，汽油机主要用于轻型汽车，例如轿车、微型和小型客车、微型和轻型货车等。这主要是因为汽油机具有质量和尺寸小、转矩适应性好、单位功率大、振动和噪声小、工作柔和、成本较低等优点。大型汽车已经柴油化，中型汽车也多采用柴油机。主要原因是与汽油机相比，柴油机的燃油经济性更好、使用成本低。柴油机的缺点主要是尺寸和质量大、转速低、单位功率较低、振动和噪声比较大、成本高、易生黑烟等，这限制了其在轿车等轻型汽车上的应用。近年来，随着柴油机技术的进步，上述缺点在一定程度上得到了克服，并且提高了转速，使其在一些轻型车和轿车上得到了应用，特别是在欧洲。但是，目前用在轻型车和轿车上的主流发动机还是汽油机。

2）发动机气缸排列形式的选择。按照气缸排列方式的不同，内燃机可以分成直列式、水平对置式和V形发动机。直列式发动机具有结构简单、宽度小，布置方便的特点，应用最为广泛。但是发动机气缸数增多时长度增大，影响在汽车上的布置。因此，直列式发动机的气缸数不超过6个。V形发动机的优点有长度短、高度低、曲轴刚度大等，被广泛应用在大型轿车和发动机长度受限的重型货车上。但是，由于其宽度比较大，在很多车辆上布置困难，造价也高。水平对置式发动机的主要优点是平衡好、高度低，在一些微型车及跑车上得到了应用。

3）发动机冷却方式的选择。发动机的冷却有风冷和水冷两种方式。风冷的优点是冷却系统简单、维修方便、对沙漠和异常气候的适应性好。但是，其存在冷却不均匀、功率消耗大、噪声大等缺点，故在汽车上应用不多。如今大部分汽车都采用水冷发动机。水冷的优点包括冷却均匀、工作可靠、噪声小、功率消耗小、能解决车内供暖等。

（2）发动机性能参数选择

1）发动机最大功率Pemax和相应转速np。根据所设计汽车应达到的最高车速vamax(km/h)，估算发动机最大功率为

式中，Pemax为发动机最大功率（kW）；ηT为传动系效率，对驱动桥用单级主减速器的4×2汽车可取为90%；ma为汽车总质量（kg）；g为重力加速度（m/s2）；fr为滚动阻力系数，对乘用车fr=0.0165×[1+0.01(va-50)]，对货车取0.02，矿用自卸车取0.03，va用vamax代入；CD为空气阻力系数，乘用车取0.30～0.35，货车取0.80～1.00，客车取0.60～0.70；A为汽车正面投影面积（m2）。

按式（1-6）估算的Pemax为发动机装有全部附件时测定得到的最大有效功率，约比发动机外特性的最大功率值低12%～20%。最大功率Pemax对应转速np的范围如下：汽油机的np在3000～7000r/min，因乘用车最高车速高，np值多在4000r/min以上；总质量小些的货车的np值在4000～5000r/min之间，总质量居中的货车的np值更低些。柴油机的np值在1800～4000r/min之间。乘用车和总质量小些的货车用高速柴油机，np值常取在3200～4000r/min之间；总质量大些的货车的柴油机np值在1800～2600r/min之间。采用高转速发动机虽然能提高功率，同时也有使活塞运动的平均速度增快、热负荷增加、曲柄连杆机构的惯性力增大并导致磨损加剧、寿命降低和振动及噪声等均增加的缺陷。

2）发动机最大转矩Temax及相应转速nT。Temax为

式中，Temax为最大转矩（N·m）；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（kW）；np为最大功率转速（r/min）。

要求np与nT之间有一定差值，如果它们很接近，将导致直接挡的最低稳定车速偏高，使汽车通过十字路口时换档次数增多。因此，要求np/nT在1.4～2.0之间选取。