现代汽车设计概论

有关对汽车整个设计过程进行分析的书籍出版得很少。本书的出版是受到Janusz Pawlowski所著的《汽车车身工程》启发，那是一本很有趣并且信息量很大的书，可是，它现在只具有历史价值，编者希望本书可以取代现代汽车设计人员书架上的那本旧书。现在由一个人来编写知识涉及面广，并且涵盖汽车设计方方面面的书籍是不可能的。这也是本书安排不同领域的专家来撰写相应章节的缘由。这也表明从Janusz Pawlowski那时起，汽车设计的时代发生了变化，并且还有继续变化的趋势。

本书目的是向读者介绍从“一张白纸”阶段开始设计汽车时许多关注的话题。在每章的后面列出许多相关的参考书，以便读者进一步阅读。对部分参考书做了简介，以便读者学习感兴趣的部分。

希望本书能够鼓舞那些新进入汽车工程领域的工程师们走好职业之路，我认为所有工程学科现在都与汽车设计有关。

欢迎读者提出意见，以有助于再版时修订。



朱利安 哈皮安史密斯

本书介绍现代汽车设计技术。全书共分1 6章，包括汽车各组成系统的设计，如发动机、车
身底盘、变速器、悬架系统、制动系统、控制系统等。书中还包括与汽车设计相关的多方面内容，如汽车制造技术，现代材料及其在汽车设计中的应用，防撞性及其对汽车设计的影响，汽车的噪声、振动和声振粗糙度，人机工程与乘客适应性，汽车失效预防，汽车设计发展历史和趋势等。
本书是汽车工程、制造和汽车设计专业的本科生和研究生学习的理想入门教材，也可作为其他相关专业的教学参考书，并可供汽车和汽车零部件设计、制造和运用等领域的工程技术人员参考。

第1章汽车工程的发展

11概述1

12创新与发明1

13批量生产3

14世界汽车工业的发展5

141汽车结构的发展6

142车身造型的发展7

15流线型9

16商用汽车11

17发动机的发展12

171柴油机12

172机械增压和涡轮增压13

173两冲程和特殊的汽油机13

174电动力和混合动力14

18变速器发展14

19转向16

110悬架16

111制动17

112汽车内部精致化18

113安全设计19

114过多的革新19

115参考书目和深入学习材料19



第2章现代材料及其在汽车设计中的应用

21概述21

22汽车材料的结构和制造技术22

221金属和合金22

222塑料和聚合物24

223陶瓷和玻璃27

224复合材料28

23汽车材料的机械和物理特性29

231机械特性30

232物理特性30

24汽车部件的材料选择31

241设计过程32

242材料选择32

25部件材料案例研究34

251金属和合金34

252塑料和聚合物35

253玻璃和陶瓷37

254复合材料37

26参考书目和深入学习材料39



第3章汽车设计人员面临的制造挑战

31概述41

32精益产品开发和精益生产42

33集成的产品和过程开发(IPPD)45

34制造分析、工具和方法48

341面向制造和装配的设计48

342质量功能展开49

343面向尺寸控制的设计51

344价值工程/分析52

345故障模式和效应分析(FMEA)52

346质量工程52

347质量系统900053

348成组技术和单元制造54

349柔性和敏捷制造54

3410模块化结构55

35材料加工与技术56

351制造加工分类56

352液压成形58

353激光焊接59

354告士禾夫(Cosworth)铝合金铸造工艺60

355胶黏剂粘接60

356快速原型61

357制造技术案例分析61

36结论64

37缩写词64

38参考书目和深入学习材料65



第4章车身设计：造型过程

41概述69

42设计室、工作环境和建筑物70

43产品规划72

44头脑风暴法72

45配套图73

46分析竞争对手产品74

47概念效果图和与配套图有关的效果图74

48全尺寸胶带图75

49油泥模型76

410二维CAD系统79

411三维CAD系统80

412参考书目和深入学习材料80



第5章车身设计：空气动力学

51概述82

52空气动力82

53气动阻力83

54降低气动阻力84

55稳定性和横向风87

56噪声87

57发动机室的通风88

58乘客室通风88

59风洞实验89

510计算流体动力学90

511参考书目和深入学习材料90



第6章底盘设计和分析

61概述92

611弯曲94

612扭转95

613弯扭组合96

614侧向载荷96

615纵向载荷97

616不对称载荷99

617安全应力99

618弯曲刚度100

619扭转刚度100

62底盘类型简介100

621梯形车架101

622十字形车架103

623扭矩管骨架式车架103

624空间车架103

625整体式结构105

63用简单结构面法进行结构分析105

631简单结构面(SSS)的定义106

632表示厢式车扭转情况的简单结构面106

633受弯扭的厢式车结构107

634表示车弯曲的简单结构面107

635表示轿车受扭转载荷时的简单结构面109

64计算方法112

65总结114

66参考书目和深入学习材料114



第7章防撞性和对汽车设计的影响

71概述116

72事故和损伤分析117

721撞击损伤的类型117

722损伤类型和安全带的使用118

723损伤类型和气囊的使用119

73汽车碰撞“普通动力学”120

731前部碰撞120

732侧面撞击123

74汽车撞击：挤压特性123

741撞击刚性障碍物123

742汽车之间的碰撞126

743典型应力应变曲线的推导128

744挤压对安全带性能的影响130

75结构变形和对安全性的影响130

751前部碰撞130

752侧面撞击133

753侧面撞击气囊系统134

76参考书目和深入学习材料136



第8章噪声、振动和声振粗糙度

81概述138

82振动基础概述138

821基本概念139

822数学模型139

823建立运动方程141

824系统特性和响应141

83振动控制145

831隔振146

832可调吸振器147

833不可调黏性阻尼器150

834阻尼处理151

835振动控制在汽车设计中的应用152

84声学基础157

841一般声音传播157

842平面波传播158

843球面波传播：近声场和远声场159

844基准量159

845用分贝形式表示声量159

846声源的组合效果160

847反射面对声音传播的影响160

85人对声音的响应161

86声音测量161

87汽车噪声标准163

871行驶噪声测试163

872静止车辆的噪声164

873车内噪声164

88汽车噪声源和控制技术164

881发动机噪声164

882变速器噪声165

883进气和排气噪声165

884空气动力噪声167

885轮胎噪声168

886制动噪声168

89一般噪声控制原理168

891封闭空间的声音(汽车内部)168

892声音能量吸收169

893声音通过障碍物传播169

810参考书目和深入学习材料170



第9章乘客适应性：人机工程方法

91概述172

92八方面误区173

93汽车工业中的人机工程176

94提高乘客适应性的人机工程方法177

941标准、原则和建议177

942人体测量学178

943二维人体模板179

944组装图180

945“快速简便”的实体模型181

946人体模型计算机辅助设计系统183

947配合试验185

948用户试验187

949车主调查表188

9410各种方法的优缺点189

95案例分析190

951菲亚特Punto车人机工程开发190

952考文垂(Coventry)艺术和设计学校开发的轻质运动车193

96未来趋势197

97改善乘客适应性和舒适性的策略198

98深入学习材料198

99作者简介199

910参考书目和深入学习材料199



第10章悬架系统及其部件

101概述202

102汽车悬架的作用202

103影响设计的因素203

104定义和术语203

1041汽车坐标轴系统和术语203

1042车轮定位概念204

105悬架机构的运动205

106悬架类型206

1061非独立悬架系统206

1062半独立悬架系统208

1063独立系统208

107运动分析210

1071图形法分析211

1072计算分析(二维)212

108侧倾中心分析214

109悬架受力分析217

1091弹簧刚度和车轮刚度之间的关系217

1092可变有效载荷、不变固有频率的车轮刚度218

1093悬架部件受力219

1010防后蹲/防点头几何形状221

10101确定防前俯几何/外侧制动221

10102确定防俯仰——加速223

1011在转弯时侧向载荷转移224

1012悬架元件226

10121弹簧的类型和特点226

10122悬架弹簧227

10123防侧倾杆(稳定杆)229

10124阻尼器类型及特点229

1013汽车行驶性分析231

10131路面粗糙度和汽车的激励231

10132人对行驶平顺性的反应232

10133人体对振动的响应232

10134汽车对路面激励的响应分析234

10135对于路面激励的响应234

1014可控式悬架239

1015参考书目和深入学习材料241



第11章汽车控制系统

111概述243

1111开环控制243

1112前馈控制244

1113闭环控制244

1114顺序控制247

1115微控制器在汽车中的应用248

112传感器在汽车中的应用248

1121发动机管理系统249

1122底盘控制系统249

113发动机管理系统250

1131电子燃油喷射(EFI)250

1132电子燃油喷射控制系统类型251

1133点火正时控制253

1134爆震传感254

114电子变速器控制255

1141电子离合器控制255

1142电子控制自动变速器255

115发动机管理和变速器控制系统的集成257

116底盘控制系统258

1161防抱死制动系统(ABS)258

1162牵引力控制系统260

1163电子阻尼控制261

1164电控动力助力转向(PAS)262

117多路传输系统264

118汽车安全与保护系统265

1181气囊和座椅安全带预拉紧器265

1182遥控钥匙和停车防盗装置266

119车载导航系统267

1110参考书目和深入学习材料268



第12章发动机特性设计

121概述270

122奥托循环即定容循环270

123理想循环的偏差273

1231进气过程273

1232进气阶段汽缸压力273

1233进气温度275

1234充气效率276

124压缩过程279

125渐进的燃烧280

126燃烧过程化学283

1261完全燃烧的化学反应283

1262过量空气系数284

1263汽缸内过程的燃烧模型284

1264建立初始方程285

1265求解方法285

127膨胀和排气287

128参考书目和深入学习材料290



第13章变速器和传动系

131绪论292

132汽车对变速器的要求293

1321汽车布置293

1322汽车起步294

1323车辆要求——动力系必须传递什么295

1324改变传动比——变速器和汽车的匹配296

133机械变速器299

1331前轮驱动乘用车变速器300

1332后轮驱动汽车和商用车变速器301

1333换挡和同步器302

1334齿轮传动比——如何得到303

1335离合器305

1336机械式自动变速器306

134自动变速器307

1341Jatco JF506E自动变速器307

1342液力变矩器307

1343行星齿轮组——自动变速器的关键部件311

1344JF506E自动变速器工作原理312

1345换挡方法313

1346自动变速器控制器(ATCU)314

135无级变速器(CVT)316

1351无级变速器(CVT)的理论基础316

1352液力变速器318

1353带式无级变速原理318

1354带式无级变速器320

1355牵引传动式无级变速原理321

1356牵引传动式无级变速器322

136变速器应用问题323

1361工作环境323

1362效率324

1363其他变速器部件325

137参考书目和深入学习材料326



第14章制动系统

141概述328

1411制动系统的功能和使用条件328

1412制动系统设计方法329

1413制动系统部件和结构330

142法规331

143制动基础333

1431汽车制动运动学333

1432汽车制动动力学336

1433轮胎与路面之间的摩擦力337

144制动比例关系与附着利用率339

1441静力学分析339

1442制动比常数的制动340

1443制动效率343

1444附着利用率344

1445车轮抱死346

1446车桥抱死对汽车稳定性的影响347

1447汽车车身在制动时俯仰运动348

1448可变制动比的制动350

145材料特性354

1451对制动系统的材料要求354

1452铸铁转子355

1453替代转子材料355

1454制动盘材料/设计评价357

146先进的制动技术358

1461驾驶员行为分析模型358

1462电控制动系统358

1463防抱死制动系统359

1464牵引力控制系统(TCS)359

147参考书目和深入学习材料359



第15章失效预防——可靠性和耐久性研究在汽车设计和制造中的作用

151绪论361

152失效在现实工程中的重要影响362

1521失效和可靠性的定义362

1522工程责任和产品义务363

1523主要工程失效364

1524可靠性和失效的统计特性366

1525失效和失效模式368

153测试和失效预测375

1531测试原理375

1532材料测试376

1533汽车部件/整车测试377

1534失效预测378

154汽车技术和避免失效的重要性378

1541汽车商业氛围378

1542失效调查和失效预防380

155案例研究——汽车失效的典型例子382

1551汽车结构耐久性382

1552鱼骨式悬架失效385

1553传动系耐久性和曲轴失效研究386

1554专用汽车主臂弯曲修复388

156参考书目和深入学习材料389



第16章未来汽车设计趋势

161概述394

162汽车机械发展趋势394

1621设计趋势394

1622先进的制造方法395

1623材料进展396

1624节能397

1625动力系统398

1626汽车销售398

163汽车电气和电子发展趋势399

1631动力系统设计中应用的电子技术399

1632安全系统的电子进展402

1633底盘系统电子发展403

1634车身系统的电子发展404

1635汽车信息和导航系统405

164参考书目和深入学习材料406