汽车设计 刘惟信主编 清华大学出版社 http://www.tup.tsinghua.edu.cn
莎 宣 本书的编著者是几位从事汽车专业教学、汽车设计实践及汽车设计理论研究达十多 年至三四十年的清华大学教师，近二十年来还相继编著出版过一些获奖（一项国家级奖、 四项部委级奖及一项基金会奖)专业图书，如《机械最优化设计（第一，二版）、《机械可靠 性设计》及汽车设计丛书《圆锥齿轮与双曲面齿轮传动》、《离合器》、《驱动桥》等，也参编过 一些国内大型图书、手册，如《汽车工程手册》，《汽车百科全书》及《机械工程手册（汽车 篇)等。本书的编著吸取了这些专业书籍的编著经验，更吸取了清华大学汽车工程系多年 来在专业散学及汽车设计实践方面的心得和相关科研的成果，以及近年来国内外有关汽 车设计方面的文献，图书中的最新资料与发展趋势等而完成的、 本书编写的指导思想和追求的目标是，力求使其内容既有理论意义又有实用价值，使 它既可用作高等工科院校的“汽车设计”课的教材，又可作为完成汽车设计实践的参考书 和工具书。用作教材，它要阐明汽车设计理论和设计计算方法：用作指导设计实践用的参 考书和工具书，它不仅要给出设计计算方法，还应给出设计参考数据和尽量多的设计用图 表供设计人员查寻、借鉴和参考。这是本书与一般汽车设计教材和设计手册的区别之一 汽车问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以来，汽车 已经对世界经济大发展和人类进人现代生活产生了无法估量的巨大影响，为人类社会的 进步作出了不可磨灭的巨大贡献。为了使读者对汽车这一影响人类杜会的产品有更全 面，更深人的了解，以便把握住“汽车设计”技术的发腰方向，本书不仅更全面、更深人，更 详尽地介绍了一般汽车设计图书所具有的基本内容，例如汽车的总体设计，汽车零部件的 载荷和计算工况与计算方法，以及汽车各系统、各总成及主要零部件的结构分析与设计计 算等，而且还论述了汽车的过去、现状和未来。即本书从汽车的问世与汽车工业的发展以 及附人类社会的影响谈起，全而而系统地介绍了汽车设计理论与设计技术的发展，汽车设 计的内容、特点及其发展趋势以及一些最新成果，汽车设计的客观规律、初始决策与设计 过程，汽车的产品型号，最优化设计与可靠性设计在汽车设计中的应用，以及一些近年来 发展起来的新技术，例如离合器用的双飞轮扭转诚振器、现代轿车的四轮转向与四轮 动，制动的防抱死系统等，还介绍了汽车总成的试验等。本书增加了对这些现代汽车设计 技术内容的论述，这是本书的另一特色。 汽车设计的内容非常广泛、丰富，本书受到篇幅的限制，不可能面面俱到地对有关专 题都阐述得很仔细、详尽。为此，在书后的参考文献中列出了国内外出版的有关图书、文 献和本书作者近年来所编著出版的一些与汽车设计有关的专题教材，图书以及发表的 些与汽车设计有关的研究论文，作为本书的补充，供读者参考。 本书由刘惟信教授主编并编著第1~12章，第14章，第15章的15.1一15.41,15. 节，第16章，第17章的17.1一17.3,17.4.3~17.7及17.9节，并对第13章作了补充：田 光字博士编著第13章；王烈教授编著第15章的15.4.2~15.4.3节：陈全世教授编著第 。I
15章的15.6~15.11节，徐石安教授编著第17章的17.4.1~17.4.2节：李修曾教授编 著第17章的17.8节：全书由刘惟信定稿 本书可用作高等工科院校机械类专业汽车工程专业方向的教材和教学参考书，供高 年级学生用于学习汽车设计理论、设计计算方法以及指导其设计实践：本书亦可供有关行 业，尤其是从事汽车设计和研究的工程技术人员在设计和试验研究工作中查寻，借鉴和 参考 热忧欢迎使用本书的高校师生、广大读者以及有关行业的专家、学者对本书提出批 评、指正，以便再版时修改、补充。 本书的编著与出版得到了上海发展汽车工业教育基金会的资助，在此表示衷心感谢 编著者2000年6月于清华园
带用的号表 A一·汽车迎风面积 Fw- 汽车行驶时的空气阻力 A-变速器齿轮中心距 F 一车轮与路面的附着力 A 从动锥齿轮节锥 滚动阻力系数 ABS -antilock braking system,防抱死f 离合器摩藤片的摩擦系数；制动器摩 制动系统 擦副的摩擦系数 AC- 汽车空气动力中心 前悬架的静绕度 APV all purpose vehicle,多功能汽车 后悬架的静挠度 B 轮距，B1为前轮距：B:为后轮距 f 悬架的动挠度 B- 圆锥齿轮与双曲面齿轮的齿侧间隙 汽车重力 BF- 制动器因数 材料的剪切弹性模量 轴承的额定动载荷 汽车前轴静负荷 一一空气阻力系数 G 汽车后袖静负荷 C 前悬架弹簧刚度 h 汽车质心高度 C. 后悬架弹簧刚度 h ,汽车最小离地间膜 Cn- 前轮轮胎刚度 驱动桥主减速比 C 后轮轮胎刚度 分动器高档传动出 C。 扭转减振器角刚度 变速器传动比 C 悬架的侧倾角刚度 变速器I档传动比 Cs- 车架（或车身）的扭转刚度 ·轮边减速器传动比 CG- 汽车重心 1r- 传动系传动比 CP- 风压中心 ,传动系最低档传动比 ·汽车直接档最大动力因数 转向系的角传动比 D 汽车工档最大动力因数 转向器的力传动比 d 从动锥齿轮的节圆直径 转向器的角传动比 金属材料的弹性模量 制动减速声 双曲面齿轮偏移距 液力变矩器变矩比 螺旋锥齿轮与双曲面齿轮的从动齿 差速器锁紧系数 轮齿面宽 触距 :地面割动力 离合器的滑磨功 前轴车轮制动器制动力 L 轴承的额定寿命 E- 后轴车轮制动器制动力 L,一.汽车质心离前轴的水平距离 ·转向盘上的切向力 汽车质心离后轴的水平距离 ·理·
L- 前悬长 T 摩擦力矩，制动器对车轮的制动 L“-一后悬长 打矩 MPV- multiple purpose vehicle,多功 T 计算转矩 能汽车 T。- “一发动机最大功率下的转矩 齿轮揽数 汽车行驶速度 m 汽车总质量 Zu ,左前轮的地面垂向反九 一汽车干质量 Z 后轮的地面垂向反力 mo- 汽车装载质量或装载量 “ 齿轮齿数 m. 斜齿轮法向博数 汽车的接近角 mo 汽车整备质量 车轮外倾角 7。 一汽车济擅陆量成悬挂质鼠 货轮压力角 m 汽车前轴上方的簧载质最或悬挂 汽车的离去角 质量 主销内倾角 汽车后轴上方的簧载质量或悬挂 高合器后备系数 质量 齿轮螺旋角 汽车前轴处的非簧载质量或非悬 汽车制动器制动力分配系数 挂质量 主销后倾角 汽车后轴处的非簧载质量或非悬 汽车回转质量换算系数 挂质量 轮胎与路面的附者系数 前悬架的偏频 ·同步附着系数 ,后悬架的偏频 转向器正效率 ne- 发动机转速 7 转向器逝教率 发动机最大功率下的转速 月*0 汽车整备质量利用系数 发动机最大转矩下的转速 ·汽车质量利用系数 P- ·发动机功率 ~传动系效率 一发动机最大功率 橙移率 Q一汽车百公里最低燃料消耗量 差速器的转矩分配系数 汽车最小转弯半径 [a门一许用应力 车轮有效半径 de- 挤压应力 车轮滚动半径 接触应力 ,伤害指数（当撞车时） 0. 材料的屈服极限 入 力矩，转矩 试件的疲劳极限 T 离合器传递的摩擦力矩 弯扭联合作用的等效应力 T.- 发动机转矩 T. 剪切应力 T ·发动机最大转矩
目 录 常用符号表.（望） .(1) 1.1 汽车工业的发展对人类杜会的影响 (1) 1.2汽车设计理论与设计技术的发展. (5) 1.3 汽车设计的内容、特点及其发展趋势 (7) 】.4汽车设计的宏观规律、初始决策与设计过程 .(12) 1.5汽车的产品型号. (15) 2汽车的总体设计.(18) 2.1汽车类型的确定.（们8） 2.2汽车主要参数的选择. (30月 2.3汽车发动机的洗型.。 (44 24轮胎的选定： 48 2.5汽车总布置图的绘制.(50) 2.6汽车性能的优化匹配，预测和计算机模拟概述 . (69 3汽车潭部件的载荷与计筑工况和计算方法. (71) 3.】概述. .(7l) 3.2汽车零部件的载荷工况. 3.3汽车传动系的扭转振动： (74 3.4 汽车传动系最大转矩的确定： (78) 3.5路面不平度影响下的汽车行驶系载荷 (81) 3.6 簧载（悬挂）质量在随机载荷作用下的强迫振动计算 (84) 3.7传动系静强度计算的载荷工况" 86 3.8 传动系零件的疲劳强度计算 (88 3.9汽车罗件的可常性设计*.*.** (92 3.10汽车零部件的最优化设计 (96) 4汽车传动系概论. (98) 4.1传动系的功用 (98) 4.2传动系的类型 (99 4,3传动系的结构布智.*.，” (102) 4.4机械传动系的工作特点及设计要求. (103) 5离合器设计. **（105) 5.1概述 (105) 5.2摩擦离合器的结构型式选择
5,3离合器基本参数的确定 *.(121) 5.4 摩擦离合器的滑奢及其热工况 (124) 5.5 离合器工作过程的图分析法.(127) 5.6 摩擦离合器主要件的设计计算 (129) 5.7 离合器操纵机构设计， (150) 5.8离合器试验 (157) 6变速器设计. (158) 6.1概述 (158) 6.2 变速器的结构分析与型式选择 (159) 6.3变速器基本参数的确定· ·(175) 6.4 变速器齿轮的设计计算 (183) 6.5 变速器轴与轴承 .(195) 6.6同步器 (200) 6.7副变速器与分动器 (207) 6.8变速器试验. ,(210 1 液力机械变速器设计与其他无级变速 (211) 7.1液力变矩器.， (211) 7.2 液力机械传动 (224) 7.3液力变矩强及液力自动亦谏器试验. 7、4皮带和钢带式摩擦无级变速与链条无级变速 (243) 8万向节与传动轴设计.*4.(246) 8.1概述. (246) 8.2万向节与传动轴的结构型式. (246 8.3 万向节传动的运动学及等角速传动条件 (258) 8.4 万向传动轴的设计计算 (263 8.5 十字轴万向节传动的附加弯矩和惯性力矩. (267) 8.6 万向节的设计计算 (269 8.7万向传动轴试验. (273) 9驱动桥设计 (275) 9.】极述*4.*4 (275) 9.2驱动桥的结构型式与布置 (283) 9.3 主诚速器 (294 9.4差谏器 (350) 9.5绍动车轮的传动装置 (380) 9.6驱动桥桥壳. (390) 9.7转向驱动桥 (403 9.8驱动桥试验. 10现代汽车的四轮聚动： (405)
11汽车行驶系概论.(409) 11.1行驶系概述. 11.2汽车行驶系的栽荀， .(411) 12从动桥设计 .(415》 12.1概述· 12.2从动桥的结构型式 (418) 12.3从动桥的设计计算. (422) 12.4从动桥试验. 4.(429 13悬架设计. (431 13.1 431 13.2 悬架的结构型式与分析 (432 13.3悬架丰要参数的确定 13.4 汽车纲板弹簧设计 (462) 13.5州杆是架的设计. (483】 13.6 螺旋弹簧悬架的设计 .(489) 13.7 空气悬架的设计. (492 13.8油气弹的设计 139独立悬架导向机构的设计 (501 13.10减振器的结构类型与主要参数的选择 (505) 13.11 欑向稳定杆的设计 (510) 】3.12主动景架与半主动景架 513) 13.13悬架试验 (515) 14.2 轮胎. (518 14.3车轮 (526) 14.4轮胎气压的调节系统.。 (534 14.5轮胎与车轮的试验*“ 15 车架与车身设计 (537) 15.1据术 12 车架的结构设计 (541 15,3车架的制造T梦及材料 (547) 15.1 车架的计算.(547) 15.5 车架试验. (571 15.6汽车车身. (571) 15.7 车身设计方法· (576 15,8人机工得学在车身设计中的应用. .(580) 15.9汽车造型设计和空气动力学 .(588 .V
15.10车身结构设计和碰撞安全性 .(597) 15.11车身试验.(605) 16转向系设计.(608) 16.1概述.。 (608 16.2转向系的主要性能参数. 16.3 转向器的结构型式选择及其设计计算 (616) 16.4动力转向系设计. .(637) 16.5转向传动机构设计. (649) 16.6转向操纵机构的防伤安全措施.(658) 16.7转向减振器.(660) 16.8轿车的四轮转向. .(662 16.9转向系试验. *.(666》 17制动系设计 (667) 17.】概述. .(667) 17.2 制动器的结构型式及选择 (670) 17.3制动系的主要参数及其选择.(685) 17.4制动器的设计计算. .(696) 17.5制动器主要零件的结构设计*· .(711) 17.6制动驱动机构的结构型式选择及设计计算. (718) 17.7 制动力分配的调节装置. (741) 】7.8汽车防抱制动系统.*.*《750) 17.9制动系试验. (778) 参考文献. .(779）
1溉 述 1,1汽车工业的发展对人类杜会的影响 在人类历史发展的过程中，“衣”、“食”、“住”、“行”始终是人类生存的四大需要，是人 类发展、进步的最重要的基本条件。而在“四大需要”中，“行”或“交通”的变化，在人类社 会发展过程中是最突出的，它对社会进步的影响也是最大的。历史上正是因为有了陆路 交通，有了沟通中国与西域各国的“丝绸之路”，才促进了东西方的贸易及科技、文化的交 流与发展：正是因为有了水上交通，才发现了“新大陆”，促使了美洲的迅速开发与繁荣；正 是因为有了空间交通，才使国际间的贸易与科技，文化交流更为方使、迅速，才能使“登月 得以实现。总之，交通的变革与发展，促进了人类社会的进步与繁荣。例如蒸汽机轮船与 蒸汽机车的问世曾推动了当时的产业革命 继蒸汽机轮船与火车出现之后，1886年德国工 程师戴姆勒与奔茨二人以汽油内燃机为动力，分别 独立地削成了最早的实用汽车，1903年美国人亨 利·福特创建了福特汽车公司，1908年推出了“T” 型车（见图1），并于1913年建成了流水作业装配 线进行汽车的大批量生产。这项大生产技术的出 现，为提高汽车质量、降低生产成本及以后的汽车 业大发展创造了条件。1921年“T"型汽车的产量已 占世界汽车总产量的56.6%，到1926年福特“T”型 汽车年产量达200万悟，售价仅290美元1.1927年 图1-11909年生产的福特T“型汽车 夏，“T"型车成为历史，共售出1500多万辆，最低售 价仅260美元。但当时福特所采用的“全能厂”模式终究竞争不过美国通用汽车(GM)公 司所实行的“专业化”生产模式。1927年，GM公司胜过福特而成为世界上产量最大的汽 车制造厂家。1923年，柴袖机成为载货汽车的动力，随后又用到大客车上，且在部分小轿 车上也得到了应用。 汽车问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以来，汽车 已为世界经济的大发展、为人类进人现代生活，产生了无法估量的巨大影响，为人类社会 的进步作出了不可磨灭的巨大贡献，起了一场划时代的革命 人类社会及人们生活的“汽车化”，大大地扩大了人们日常活动的范围，扩大并加速了 地区间、国际间的交往，成倍地提高了人们外出办事的效率，极大地加快了人们的活动节 奏，促进了世界经济的大发展与人类的快速进步，开创了现代“汽车社会”这样一个崭新的 时代。 。14