2.2 整车集成

整车集成讨论如何把包括底盘各系统在内的车辆系统物理集成起来，比如动力总成和底盘各系统的布置关系、轮胎尺寸与可用布置空间的关系、车轮转向角与轮胎尺寸和动力总成尺寸的关系等。除了静态布置关系外，车辆在运动状态下运动部件之间也要满足一定的最小间隙要求。

整车的物理集成方式取决于车身的承载形式。非承载式车身都有单独的车架，车架是连接前后轴的桥梁式结构，类似梯形。对使用非承载式车身的车辆，车架是整车的核心，整车的物理集成围绕车架展开，所有的车辆系统，包括车身、动力总成和底盘各系统都直接以某种方式装配到车架上，车辆的操纵部分直接连接到车身上，如转向管柱、制动踏板、加速踏板、驻车制动控制和变速杆；对使用承载式车身的车辆，整车的物理集成围绕车身和副车架展开，使用副车架首先将车辆主要系统如悬架、转向和动力总成系统装配到一起，然后再将副车架直接与下车体结构连接，悬架系统中的弹簧和减振器、转向系统的转向管柱和部分动力总成悬置件，以及排气系统都直接连接到车身，从而和车身装配成一个整体。

2.2.1 承载式车身结构和副车架

车身可分为承载式和非承载式两类。非承载式车身都有单独的车架，车架是连接前后轴的桥梁式结构，类似梯形。底盘和动力总成直接安装在车架上，主要承担来自地面的载荷。车身通过多个弹性件安装在车架上，弹性件可以吸收振动和噪声，提高了车身寿命和行驶平顺性。车架是整车的核心，便于各总成部件以及车身的安装。另外，撞车时，车架可以对车身提供保护作用（图2.6）。但由于这种结构在车身和底盘之间装有车架，从而会增加整车高度，而且为了保证有足够的强度和刚度，车架变成车上最重的部件，增加了整车重量，需要大型制造设备，成本也比较高。因此，非承载式车身结构主要应用于大中型货车、大客车、高级轿车和越野型SUV。近年来，随着电动车的兴起，将电池模组直接集成到底盘结构的CTC架构（Cell to Chassis）因其提供的诸多优势重新引起关注。实际上可以看成非承载式车身的进一步发展。

承载式车身结构试图取消车架，将车架的承载功能融入车身结构中，直接将发动机和底盘与车身连接，但这势必将发动机和路面的振动、噪声直接传递到车身（图2.7）。为此，在下车体与底盘之间引入了前后独立的副车架。为了增加强度并降低重量，副车架通常做成封闭断面结构。副车架可在承载最集中的前后轴部位分担一部分载荷，使车身纵梁变形减小，因此，带有副车架的车身结构又称为“半承载式车身”。车身中间部位仍然直接承受各种外力引起的弯曲和扭转变形。副车架和车身纵梁之间可以通过橡胶衬套连接或者螺栓硬连接。采用橡胶衬套连接可以降低发动机和路面的振动对车身的影响，但衬套的变形会降低承载式结构的整体刚度，影响操纵性能。硬连接可以有效增加整体刚度，有助于改善操纵响应，当然平顺性和NVH性能会受到负面影响。副车架可以将动力总成、悬架、转向系形成一个组装部件，这种模块化结构给生产带来方便。承载式车身是空间框架结构，充分利用了车身结构承担载荷，因此其整体刚度大、重量轻、整车高度低、生产效率高，是乘用车上最常用的结构。承载式与非承载式结构相比，减轻了重量，易于充分利用车内空间，成本低。当然，发生事故导致车身损坏时，承载式结构的修复更为困难。

乘用车车身结构相当复杂，图2.8试图简要描述与发动机和底盘承载直接相关的车身骨架部分。车身骨架主要由纵梁、横梁和立柱焊接成一个空间框架结构，起主要承载作用，因此必须满足一定的强度和刚度要求。车身覆盖件是覆盖在车身骨架上，体现汽车外形的板型件，对车身的强度和刚度有一定贡献。

车身结构件或车身骨架是车身的核心结构，其中车身纵梁一般是车身最主要的骨架部件。带有副车架结构的汽车，因副车架需承受悬架杆件传递来的所有轮胎侧向力、纵向力、部分垂向力和回正力矩、侧翻力矩等，所以必须安装在前纵梁较为坚固的部位（图2.9）。

悬架的阻尼力、弹簧力和缓冲限位块力通常直接作用到车身上，最大弹簧和减振器动态力一般在千牛级，而限位块最大的动态力通常在万牛级。图2.10为承受减振器力的车身塔座部位结构图。有些动力总成悬置的抗扭衬套也直接连接到下车体上，因此，车身必须有足够的局部强度和刚度。车身上通常采用加强梁以提高车身的局部强度和刚度，加强梁是下车体的一部分，不可拆卸。

车身的强度决定了发生碰撞时是否容易损坏，而车身的刚度一般与驾驶操作时车身受力后的弹性变形有关。理论上，刚性车身结构可以达到最佳的操纵稳定性和行驶平顺性。可以想见，用一整块金属挖出所需的乘坐空间得到的车身结构应该是最理想的情况。车身刚度高的车辆，在转向操作时其优势可以充分发挥出来。车身刚度太低，容易产生各种噪声和振动问题，甚至会影响底盘调校的有效性。除了运用有限元分析技术在设计阶段降低车身重量的同时优化刚度之外，还可以通过在悬架的关键安装部位增加支承杆的方式加强局部刚度。

2.2.2 前悬架和其他系统的布置关系

前悬架的选型和布置与以下系统有关：动力总成、车身结构、发动机舱盖高度、转向系统、制动系统和轮胎等。横置发动机所需的横向尺寸较大，而麦弗逊悬架的弹簧在车轮之上，在纵梁位置占用宽度较窄，故二者通常一起使用（图2.11）。在横置发动机结构中可以用下式表示轮距之内横向尺寸的叠加关系。

横向发动机尺寸+车身纵梁宽度+弹簧和支柱横向尺寸+轮胎的横向叠加尺寸=轮距

横置发动机的宽度可能迫使车身纵梁外推，限制悬架横向布置空间，包括弹簧和减振器的布置和悬架连杆长度。短连杆在侧向加速度较高时导致侧倾外倾和侧倾转向更大的变化，影响不足转向度。麦弗逊悬架的垂向高度较大，通常需要较高的发动机舱盖位置（图2.12）。

发动机前后尺寸和半轴前后位置影响齿轮齿条式转向器位置和横向稳定杆布置（前置或后置），可能迫使齿轮齿条式转向器后移，增加俯视图中横拉杆角度，使得阿克曼转向几何更加难以实现。车轮中心决定了半轴外铰位置，为保证驱动轴在前视和俯视图中的角度在合理范围内（如±7°），变速器输出轴位置也因此受限。另外变速器或发动机油底壳的离地间隙要求也是变速器输出轴垂向位置的考虑要素。阿克曼转向几何要求内轮转角大于外轮转角，最大车轮转角时车身纵梁限制了内侧车轮转角，进而影响最小转弯半径。对于车身纵梁必须外移的横置发动机布置，最小转弯半径也因此受到影响（图2.13）。

相对而言，纵置发动机的横向尺寸较小，而高双叉臂悬架在车轮和车身之间有弹簧、减振器、上下摆臂和转向节，需要占用较大空间，故二者通常一起使用（图2.14）。因为布置的原因，横向稳定杆与转向器通常需要前置。相比于后置方案，前置转向系统往往有更大的侧向力不足转向趋势。双叉臂悬架的弹簧位置较低，且不受轮胎高度限制，因此发动机舱盖可以较低，通常用于运动车（图2.15）。

2.2.3 后悬架和其他系统的布置关系

后悬架的选型和布置与以下系统有关：后排或第三排座椅和货舱空间、下车体结构、副车架、制动系统、转向系统（如果是四轮转向）、油箱位置、传动系（后驱或四驱）、排气系统和轮胎规格等。车辆集成的目的之一是为客户提供最大的可用空间，后悬架布置和货舱空间有很大关系。在宽度方面的布置关系为：

货舱宽度+轮胎宽度+弹簧和阻尼器侧向空间+车身结构尺寸=轮距

增加货舱宽度会限制悬架连杆长度（图2.16）。当侧向加速度较高时，短连杆导致侧倾外倾和侧倾转向更大的变化，影响等效侧偏柔度系数。货舱长度与地板高度限制某些悬架类型的布置，可能使得备胎布置困难，影响后差速器布置，限制排气消声器的体积。后悬架减振器和弹簧的布置位置应尽可能靠近车轮以提高杠杆比。后悬架减振器和加油管可能存在布置冲突：如果加油管在减振器前方，则减振器上部安装点会后移；如果加油管在减振器后方，则其上部安装点会前移（图2.17）。减振器倾斜角度的增加会减小杠杆比。后驱车辆的半轴占据车轮中心位置，弹簧和减振器必须为其让位。通常二者会安装在半轴之后的横向连杆（又称为“弹簧连杆”）上，弹簧连杆也同时承载主要的侧向力。后独立悬架的上摆臂与下摆臂之间需要足够的垂直跨度来平衡外倾力矩，因此其外点不能太低。而为使后部地板较低以得到最大可用空间，车身纵梁又需要较低。因此，后悬架的上摆臂通常会采取弯曲形状，以保证车轮上行时和车身纵梁之间不发生干涉。

2.2.4 轮胎包络

轮胎包络代表轮胎在各种动态工况下占据的三维空间的总和，主要有四个影响因素，即：轮胎尺寸、悬架运动学（轮跳和转向）、各种道路输入下悬架衬套变形引起的悬架位移、悬架的制造误差。轮胎包络与整车架构有关，决定了悬架最大行程、转向最大行程和轮胎尺寸之间的关系，因此早期开发阶段就要考虑。造型和车身结构、空气动力学等领域在设计早期都需要轮胎包络信息。有三种方法确定轮胎包络的大小：一是分析方法，包括运动学分析以及动态变形分析；二是试验方法，用车轮跟踪设备测量动态车轮的主轴位置，再加以转化；三是已逐步弃用的传统泥模测量方法。

运动学分析方法利用专用软件根据悬架几何以及悬架的最大转向位移和悬架行程，创建一系列车轮主轴线位置和角度，这一系列的主轴线用于产生轮胎包络。考虑到悬架变形的影响，在轮胎包络上添加预定的误差量。动态变形分析是目前主要依赖的分析方法，采用动态分析软件建立前后悬架准确的悬架几何、衬套和其他弹性件数据曲线（包括悬架限位块）甚至包括一部分结构件柔性，通过悬架的全方位运动和各种精心设计的负载工况捕捉轮胎运动的极端情况，使得车轮垂向位移至最大有效行程和转向运动至最大齿条行程，并且增加轮胎侧向载荷以模拟转弯工况。产生一个反映主轴运动的包括车轮中心位置和主轴方向的主轴文件，设计软件读入该主轴文件即可生成轮胎包络。

试验方法用设备来测量轮心而不是轮胎本身相对于车身的位置，收集并处理大量的主轴三维数据，进而计算出轮胎包络。该方法用于验证轮胎包络而不能用于指导早期设计。泥模法目前仅用于特定情况，比如用于验证带防滑链的包络，不能用于早期开发。方法是首先将黏土放置在轮舱区域中，经过所有的轮胎包络试验工况后，某些部位的一部分黏土会被擦掉，产生的形状通过数字扫描，生成在各种驾驶条件下代表轮胎包络的数据文件。

2.2.5 最小离地间隙

最小离地间隙用于评估车辆的最低部分和地面之间最小的距离。其中绝对离地间隙与采用的整车重量定义有关。其中各个国家和地区的规定不同，比如中国、美国、欧洲、巴西和印度都定义车辆最大工作质量（GVW）下的最小离地间隙要求，而俄罗斯仅定义名义整备重量下的最小离地间隙。相对离地间隙规定了系统之间的相对离地高度，主要为了保护关键部件。一般来说，动力总成和传动系部件不应低于底盘结构，燃油箱的底部和燃料系统的任何部分都不得低于周围的保护结构，排气系统里昂贵的排放组件（如催化转化器、柴油微粒过滤器等）应该不低于底盘或车身结构。其他部分可以允许首先与地面突出物接触。

2.2.6 电动汽车布置的特殊考虑

电动汽车的动力蓄电池组、驱动电机和电机控制器取代了传统燃油车的发动机、变速器、油箱和排气系统，结构上更为简单。布置上最大的不同是动力系统横向布置空间需求大为降低，不再需要在前后轴之间用刚性联轴器传递动力，不再需要为排气系统留出布置空间。布置于车身下的动力蓄电池系统使得地板可以尽可能做平，整车重心得以降低，有助于提升操纵性能。通过柔性线束传递动力使得驱动方式的选择大为灵活。在现阶段电池能量密度下，为增加续驶里程，需要尽可能增加电池包布置空间。在总车长给定的情况下，尽可能增加电池包长度必然导致电动车辆前后悬尺寸的减小从而增加轴占比（轴距占车总长的比例），这可以降低横摆惯量，有助于操控性能的提升。在长度方向电池尺寸的增加使得纵向布置更紧凑的悬架更为适用。在宽度方向，电池包尺寸的增加可能导致某些悬架形式布置上的挑战，如四连杆独立悬架纵臂有可能和电池的布置干涉。

基于以上特点，当电动车选择麦弗逊悬架时，主要考虑因素为其低成本优势，而非横向布置优势。当后轴选择扭转梁悬架时，扭转梁可能不得不后移以便为电池腾出更多纵向空间。因为同样车长时，电动车普遍比燃油车重，所以前轴更倾向于使用双叉臂悬架，以避免麦弗逊悬架固有的较高摩擦力；后轴更倾向于使用独立5连杆悬架，因为在纵向上5连杆悬架更为紧凑，可以为电池包留出更多空间（图2.18）。

2.2.7 小结

整车集成涉及多个系统之间空间布置的权衡。整车集成的主要目的是合理布置所有系统并达到可用空间的最大化，实现悬架性能和转向性能的最优化，同时还要满足静态和动态间隙要求。电动汽车的底盘结构有较大的简化，布置起来相对容易，但对大容量电池的需求也给底盘布置和悬架形式的选择提出了新的要求。