汽车设计 吉林大学 第四版 王望予.docx

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汽车设计吉林大学第四版王望予

汽车设计

吉林大学第四版王望予

本章主要内容:

*概述；

*汽车形式的选择;

*汽车主要参数的选择;

*发动机的选择;

*车身形式;

*轮胎的选择;

*汽车的总体布置;

*运动校核。

第一节概述

一、进行汽车总体设计应满足的基本要求

1）汽车的各项性能、成本等，要求达到企业在商品计划中所确定的指标。

2）严格遵守和贯彻有关法规、标准中的规定，注意不要侵犯专利。

3）尽最大可能地去贯彻三化，即标准化、通用化和系列化。

4）进行有关运动学方面的校核，保证汽车有正确的运动和避免运动干涉。

5）拆装与维修方便。

1、汽车新产品开发流程

2、概念设计（造型设计→总体布置→编写设计任务书）

是指从产品创意开始，到构思草图、出模型和试制出概念样车等一系列活动的全过程。

*概念设计阶段，还要完成汽车的造型设计工作。

造型设计包括外部造型、内饰设计和色彩设计。

*外部造型设计必须建立在汽车总体布置基础上，并考虑汽车应当有良好的空气动力学特性和制造工艺性。

*汽车的总体布置是建立在保证汽车有良好的使用性能基础上进行的。

*当外部造型设计与总体布置设计出现矛盾的时候，应该服从总体设计的需要。

*要求造型设计人员能结合各种限定的条件从事创造性工作。

*在概念设计期间，通过绘制外形构思草图、美术效果图和制作油泥模型等一系列工作，能体现出造型设计的主要工作。

汽车内部局部造型的美术效果图

*总体方案确定后要画总布置草图。

*为了解市场需求，要调查分析市场容量的大小，确定最经济的生产纲领、生产方式等。

*编写设计任务书。

设计任务书主要应包括下列内容：

1）可行性分析，其内容包括市场预测，企业技术开发和生产能力分析，产品开发的目的，新产品的设计指导思想，预计的生产纲领和产品的目标成本以及技术经济分析等。

2）产品型号及其主要使用功能、技术规格和性能参数。

3）整车布置方案的描述及各主要总成的结构、特性参数；标准化、通用化、系列化水平。

4）国内、外同类汽车技术性能的分析和对比。

5）本车拟采用的新技术、新材料和新工艺。

第二节汽车形式的选择

二、汽车形式的选择

不同形式的汽车，主要体现在轴数、驱动形式以及布置形式上有区别。

（－）轴数

影响选取轴数的因素：

主要有汽车的总质量、道路法规对轴载质量的限制和轮胎的负荷能力以及汽车的结构等。

思考题：

为什么增加汽车轴数是不得已的选择？

选择原则：

*包括乘用车以及汽车总质量小于19t的公路运输车辆和轴荷不受道路、桥梁限制的不在公路上行驶的车辆，如矿用自卸车等，均采用结构简单、制造成本低廉的两轴方案；

*总质量在19～26t的公路运输车采用三轴形式，总质量更大的汽车宜采用四轴和四轴以上的形式。

（二）驱动形式

汽车驱动形式有4×2、4×4、6×2、6×4、6×6、8×4、8×8等。

影响选取驱动形式的主要因素：

汽车的用途、总质量和对车辆通过性能的要求等。

选择原则：

*乘用车和总质量小些的商用车，多采用结构简单、制造成本低的4×2驱动形式。

*总质量在19～26t的公路用车辆，采用6×2或6×4驱动形式。

*对于越野汽车，为提高其通过性，可采用4×4、6×6、8×8的驱动形式。

（三）布置形式

是指发动机、驱动桥和车身（或驾驶室）的相互关系和布置特点而言。

1．乘用车的布置形式

主要有三种：

发动机前置前轮驱动（FF）

发动机前置后轮驱动（FR）

发动机后置后轮驱动（RR）

少数乘用车采用发动机前置全轮驱动。

（1）发动机前置前轮驱动（FF）

应用：

目前在发动机排量为2．5L以下的乘用车上得到广泛应用。

思考题：

与后轮驱动的乘用车比较，发动机前置前轮驱动（FF）这种布置形式哪些主要优缺点?

思考题：

前置发动机的布置方案不同有哪些影响?

（2）发动机前置后轮驱动（FR）

应用：

在发动机排量较大的乘用车上得到应用。

思考题：

发动机前置后轮驱动乘用车有哪些主要优缺点?

（3）发动机后置后轮驱动（RR）

应用：

目前乘用车极少采用发动机后置后轮驱动方案。

思考题：

发动机后置后轮驱动乘用车有哪些主要优缺点?

（2）货车的布置形式

1）平头式、短头式和长头式货车

①平头式货车

布置特点：

思考题：

主要优缺点？

②短头式货车

布置特点：

思考题：

主要优缺点？

③长头式货车

布置特点：

思考题：

主要优缺点？

④偏置式驾驶室的货车

布置特点：

思考题：

主要优缺点？

2）发动机前置、中置、后置

①发动机前置后桥驱动货车

思考题：

主要优缺点？

②发动机中置后桥驱动货车

思考题：

主要优缺点？

③发动机后置后桥驱动货车

思考题：

主要优缺点？

（3）越野车的布置形式

根据驱动桥数不同，越野车分为4×4、6×6、8×8等形式。

非贯通式驱动桥

布置特点：

动力由发动机传至分动器，然后从分动器传给各桥时，是经分动器的三个输出轴和万向节传动轴分别传给三个桥。

轴距布置方案：

第二节结束！

3．前轮距B1和后轮距B2

改变汽车轮距B会影响车厢或驾驶室内宽、汽车总宽、总质量、侧倾刚度、最小转弯直径等因素发生变化。

受汽车总宽不得超过2．5m限制，轮距不宜过大。

4．前悬LF和后悬LR

前悬尺寸对汽车通过性、碰撞安全性、驾驶员视野、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。

初选的前悬尺寸，应当在保证能布置下保险杠、散热器风扇、发动机、转向器等部件的同时尽可能短些。

对载客量少些的平头车，要求前悬有一定的尺寸。

长头货车前悬一般在1100～1300mm范围内。

5．货车车头长度

是指从汽车的前保险杠到驾驶室后围的距离。

车头长度尺寸对车身形式、汽车外观效果、驾驶室居住性、汽车面积利用率和发动机的接近性等有影响。

长头型货车车头长度尺寸一般在2500～3000mm之间，

平头型货车一般在1400～1500mm之间。

6、货车车箱尺寸

要求车箱尺寸在运送散装煤和袋装粮食时能装足额定吨数。

车箱边板高度对汽车质心高度和装卸货物的方便性有影响，一般应在450～650mm范围内选取。

车箱内宽应在汽车外宽符合国家标准的前提下适当取宽些，以利缩短边板高度和车箱长度。

车箱内长应在满足运送上述货物达到额定吨位的条件下尽可能取短些，以利于减小整备质量。

第三节汽车主要参数的选择

二、汽车质量参数的确定

汽车的质量参数包括整车整备质量m0、载客量、装载质量、质量系数ηm0、汽车总质量ma、轴荷分配等。

1、整车整备质量m0

是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎等），加满燃料、水，但没有装货和载人时的整车质量。

整车整备质量对汽车的制造成本和燃油经济性有影响。

思考题：

为什么要尽可能减少整车整备质量？

有哪些措施？

减少整车整备质量，是从事汽车设计工作必须遵守的一项重要原则。

减少整车整备质量的措施主要有：

新设计的车型应使其结构更合理，采用强度足够的轻质材料。

整车整备质量在设计阶段需估算确定。

2．汽车的载客量和装载质量（简称载质量）

（1）汽车的载客量：

（包括驾驶员在内）

（2）汽车的载质量me

汽车的载质量是指在硬质良好路面上行驶时所允许的额定载质量。

越野汽车的载质量是指越野行驶时或在土路上行驶时的额定载质量。

商用货车载质量me的确定：

首先应与企业商品规划符合，其次要考虑到汽车的用途和使用条件。

第三节汽车主要参数的选择

3、质量系数ηm0

是指汽车载质量与整车整备质量的比值，即

ηm0＝me／m0

该系数反映了汽车的设计水平和工艺水平，ηm0值越大，说明该汽车的结构和制造工艺越先进。

第三节汽车主要参数的选择

4．汽车总质量ma

是指装备齐全，并按规定装满客、货时的整车质量。

乘用车和商用客车的总质量ma：

ma＝m0＋65n十αn（kg）

第三节汽车主要参数的选择

5．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。

思考：

轴荷分配对轮胎寿命和汽车使用性能的影响？

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。

影响因素：

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。

措施与方法：

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。

三、汽车性能参数的确定

1．动力性参数

包括最高车速υamax、加速时间t、上坡能力、比功率和比转距等。

（2）加速时间t

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。

（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。

通常要求货车能克服30％坡度，越野车能克服60％坡度。

（4）汽车比功率Pb和比转矩Tb

比功率Pb：

Pb＝Pemax／ma

它可以综合反映汽车的动力性。

我国GB7258－1997《机动车运行安全技术条件》规定：

农用运输车与运输用拖拉机的比功率Pb≥4.0kW／t，而其他机动车Pb≥4.8kw／t。

比转矩Tb：

Tb＝Temax／ma

它反映汽车的牵引能力。

第三节汽车主要参数的选择

2．燃油经济性参数

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。

第三节汽车主要参数的选择

3．汽车最小转弯直径Dmin

是指转向盘转至极限位置时，汽车前外转向轮轮辙中心在支承平面上的轨迹圆的直径。

Dmin用来描述汽车转向机动性，是汽车转向能力和转向安全性能的一项重要指标。

影响汽车Dmin的因素：

与汽车本身有关的因素和法规及使用条件对Dmin的限定。

与汽车本身有关的因素：

包括汽车转向轮最大转角、汽车轴距、轮距以及转向轮数（如全轮转向）等。

GB7258－1997《机动车运行安全技术条件》中规定：

机动车的最小转弯直径不得大于24m。

当转弯直径为24m时，前转向轴和末轴的内轮差（以两内轮轨迹中心计）不得大于3．5m。

第三节汽车主要参数的选择

4、通过性几何参数

总体设计要确定的通过性几何参数：

最小离地间隙hmin，接近角γ1，离去角γ2，纵向通过半径ρ1等。

第三节汽车主要参数的选择

5、操纵稳定性参数

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。

通常用汽车以0.4g的向心加速度沿定圆转向时，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，车身的侧俯角不大于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。

评价指标：

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。

GB7258－1997《机动车运行安全条件》中规定：

第三节汽车主要参数的选择

7、舒适性

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

评价：

汽车行驶平顺性常用垂直振动参数评价，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。

第四节发动机的选择

一、汽车用发动机的分类

二、发动机形式的选择

1、汽油机与柴油机的选用

汽油机的排放污染物以CO、HC、NOx为主。

柴油机排放污染物中的CO、HC比汽油机低，NOx比汽油机高，柴油机排气中的微粒PM比汽油机高得多。

总的评价是汽油机的排放指标不如柴油机。

在进行发动机选型时，一定要考虑国家或城市制定汽车排放法规。

发动机噪声，是汽车的主要噪声源，对车内外行驶噪声有很大影响。

汽车工业发达国家对汽车加速噪声和发动机噪声均以法规形式予以限制。

采用电控燃油技术可使柴油机燃烧噪声显著降低。

发动机振动也影响乘员乘坐舒适性。

为了降低油耗、节约能源和材料，要求尽可能减轻汽车的质量。

而减少发动机的质量对减轻汽车整备质量有较大影响。

可用质量功率比这一指标评价发动机质量。

汽油机为1～3.7kg／kW，要小于柴油机的质量功率比2～7kg／kW。

要求发动机的尺寸尽可能小，占用的空间尽可能少。

在相同的条件下，通常柴油机比汽油机的尺寸要大些。

发动机的可靠性直接关系到使用维修费、市场销售占有率和影响到客户对发动机也包括对汽车的信誉。

选用工作可靠的发动机，就相当于提高了汽车的可靠性。

—般情况下，柴油机的工作可靠性要好于汽油机。

耐久性通常用大修寿命或首次大修里程来评价。

通常情况下，柴油机的耐久性要好于汽油机。

一般情况下，柴油机的燃油消耗率低于汽油机。

目前，对动力性要求比较高，又要求乘坐舒适性良好的乘用车、车辆总长较小的客车或总质量小些的货车，广泛应用的是汽油机；在日本与欧洲及国内生产的上述车型有些用柴油机。

四冲程汽油机在上述车型中占有较大的比例。

总质量较大的货车以应用柴油机为主。

国外，载质量在4t以上的货车全部用柴油机。

2、气缸排列形式与冷却方式的选用

发动机的气缸有直列、水平对置和V型三种排列形式。

发动机排量小的汽油机多采用直列式发动机并用在乘用车上。

发动机排量大的乘用车以及总质量大的货车采用V型发动机的较多。

水平对置式发动机用在少量车辆总长较长的客车上。

发动机有水冷与风冷两种冷却方式。

目前，大多数汽车发动机用水冷方式冷却。

第四节发动机的选择

3、其他发动机的选型

①目前，车用燃气机的技术发展已经成熟。

天然气汽车已在使用。

②氢燃料汽车已经开发成功。

③近来电动汽车受到重视，并得到较快发展。

在解决了关键技术，尤其是蓄电池技术以后，电动汽车应该是未来交通运输工具的最佳选择。

④混合动力汽车是指包含两种或两种以上动力源并能协调工作的车辆。

可以分为蓄电池储能、液压储能和飞轮储能三种。

使用液压蓄能器的汽车混合动力系统已在某些客车上得到应用，燃油经济性可提高25%～30%。

第四节发动机的选择

三、发动机主要性能指标的选择

1、发动机最大功率Pemax和相应转速np

1）根据所设计汽车应达到的最高车速υamax（km／h），估算发动机最大功率：

3）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。

第四节发动机的选择

四、发动机的悬置

1）发动机悬置应满足下述性能要求：

（1）要求悬置元件刚度大些为好；

（2）要求悬置元件有良好的隔振性能；

（3）要求悬置元件有减振降噪功能，并要求悬置元件工作在低频大振幅时（如发动机怠速状态）提供大的阻尼特性，而在高频低幅振动激励下提供低的动刚度特性，以衰减高频噪声。

（4）悬置元件还应当满足耐机械疲劳、橡胶材料的热稳定性及抗腐蚀能力等方面的要求。

（5）此外，液室与外部之间应密封良好。

2）布置要求：

发动机前悬置点，应布置在动力总成质心的附近，支座应尽可能宽些并布置在排气管之前。

3）悬置的结构：

传统的橡胶悬置由金属板件和橡胶组成。

第五节车身形式

一、乘用车车身形式

1）组成：

发动机舱、客厢和行李箱

2）基本形式：

①折背式：

有明显的发动机舱、客厢和行李箱，且车身顶盖与车身后部呈折线连接。

②直背式：

后风窗与行李箱连接，接近平直。

③舱背式：

顶盖比折背式长，同时后窗与后行李箱盖形成一个整体的后部车门。

主要区别：

表现在车身顶盖与车身后部形状之间的关系上有差别。

第五节车身形式

选择规律:

*发动机排量越大的乘用车，采用折背式车身的比例越大。

*发动机排量在1．0L以下的乘用车，以采用舱背式车身为主。

*发动机排量在1.0～4.0L之间时，三种车身形式都有。

*发动机排量大于4.0L时，基本上都用折背式车身。

第五节车身形式

二、客车的车身形式

形式：

有单层和双层之分。

有平头式和短（长）头式之分。

1）单层长途客车的设计特点：

①常将地板高度设计得高些。

②侧窗略小。

③车门数少，而且可以窄些。

④驾驶员一侧应备有安全门。

2）单层城市客车的设计特点：

①地板高度要尽可能设计得低些。

②侧窗较大。

③车门数需增多，并且要求加宽。

3）双层客车的设计特点：

①有两排平行的裙部和车窗。

②下层占据的高度尺寸比上层要高。

③上层侧窗尺寸不够大。

4）短头客车：

①座位数不多。

②短头内部布置有发动机及其附件。

③车身高度较矮，门数较少，有时在后部设有车门。

补充：

*为了满足乘客行走和安装空调机构的要求，有些汽车将车顶抬高。

*专用客车常根据使用条件和特殊要求进行设计。

第五节结束！

第六节轮胎的选择

轮胎及车轮的作用：

用来支撑汽车，承受汽车重力，在车桥（轴）与地面之间传力，驾驶人员经操纵转向轮可实现对汽车运动方向的控制。

一、轮胎与车轮应满足的基本要求

①足够的负荷能力和速度能力；

②较小的滚动阻力和行驶噪声；

③良好的均匀性和质量平衡性；

④耐磨损、耐老化、抗刺扎和良好的气密性；

⑤质量小、价格低、拆装方便、互换性好。

二、轮胎的分类

三、轮胎的特点与选用

子午线轮胎的特点：

滚动阻力小、温升低、胎体缓冲性能和胎面附着性能都比斜交轮胎要好，装车后油耗低、耐磨损寿命长、高速性能好。

但制造困难、造价高和不易翻修。

*钢丝帘线轮胎：

强度高、导热性好的。

仅能做子午线轮胎。

*斜交轮胎：

选用尼龙、聚脂、人造丝等人造材料做帘线制造，多用于汽车常在低速条件下行驶时。

*低断面轮胎：

胎面宽平、侧面刚性大、附着能力强、散热良好、高速行驶稳定性好。

*无内胎轮胎：

平衡性良好、发热少、刺扎后不易快速失气、高速行驶安全性能良好。

*乘用轮胎：

既是子午线结构，又是低断面、无内胎轮胎并具备它们的各种优点。

*商用轮胎：

尺寸大、胎体厚、帘线层级多、承载能力强。

*非公路用轮胎：

附着性好，胎面耐刺扎，适用于在恶劣条件下使用，用于公路行驶时耗油量增加，噪声大。

*轮胎的胎面花纹对滚动阻力、附着能力、耐磨性及噪声有影响。

*经总体布置计算，汽车轮胎所承受的最大静负荷值，应与轮胎额定负荷值接近。

两者之比称为轮胎负荷系数，此系数应控制在0．85～1．00之间变化，以防止超负荷。

对乘用车，轮胎负荷系数可控制在上述范围的下限；

对商用车，轮胎负荷系数可控制在接近上限处；

前轮的轮胎负荷系数一般应低于后轮的。

*最后，还需要考虑后轮采用双胎并装时的负荷能力要比单胎负荷能力加倍后减少10％～15％。

*轮胎的外直径、断面宽、断面高宽比、配用轮辋名义直径、轮辋轮廓形式及规格、胎面花纹形式及深度、额定负荷下的半径等尺寸特性和负荷指数可查GB／T2977－1997、GB／T2978－1997、GB9743—1997、GB9744－1997等国家标准。

第六节结束！

第七节汽车的总体布置

前提：

初步确定汽车的载客量（载质量）、驱动形式、车身形式、发动机形式等以后。

具体的工作：

绘制总布置草图，并校核初步选定的各部件结构和尺寸是否符合整车尺寸和参数的要求，以寻求合理的总布置方案。

绘图前要确定画图的基准线（面）。

一、整车布置的基准线（面）——零线的确定

在汽车满载状态下进行，并且绘图时应将汽车前部绘在左侧。

1、车架上平面线（标注垂直尺寸基准线----z/0）

是指纵梁上翼面较长的一段平面或承载式车身中部地板或边梁的上缘面在侧（前）视图上的投影线。

（上“+”下“-”）

注意：

货车的车架上平面在满载静止位置时，通常与地面倾斜0．5°～1．5°。

为了画图方便，可将车架上平面线画成水平的，将地面线画成斜的。

2、前轮中心线（标注纵向尺寸的基准线----x/0）

是指通过左、右前轮中心，并垂直于车架平面线的平面，在侧视图和俯视图上的投影线。

（前“+”后“-”）

3、汽车中心线（标注横向尺寸的基准线----y/0，左“+”右“-”）

是指汽车纵向垂直对称平面在俯视图和前视图上的投影线。

4、地面线（标注高度、接近角、离去角等尺寸的基准线）

是指地平面在侧视图和前视图上的投影线。

5、前轮垂直线（标注轴距、前悬尺寸的基准线）

是指通过左、右前轮中心，并垂直于地面线的平面，在侧视图和俯视图上的投影线。

注意：

当车架与地面平行时，前轮垂直线与前轮中心线重合（如乘用车）。

第七节汽车的总体布置

二、各部件的布置

1．发动机的布置

（1）发动机的上下位置

发动机高度位置初定之后，用气缸体前端面与曲轴中心线交点K到地面高度尺寸b来标明其高度位置。

*为了保证空气的畅通，散热器中心与风扇之间应有不小于50mm的间隙，无护风罩时可减小到30mm。

*发动机罩与发动机零件之间的间隙不得小于25mm，以防止关闭发动机罩时受到损伤。

（2）发动机的前后位置

*为减小传动轴夹角，发动机前置后轮驱动汽车的发动机常布置成向后倾斜状，使曲轴中心线与水平线之间形成1°～4°夹角，乘用车多在3°～4°之间。

*发动机的前后位置应与上下位置一起进行布置。

*用气缸体前端面与曲轴中心线交点K到前轮中心线之间的距离c来标明其前后位置。

*确定汽车前围的位置：

发动机与前围之间必须留有足够的间隙；离合器壳与变速器应能同时拆下，而无需拆卸发动机的固定点，此时应特别注意离合器壳上面螺钉的接近性。

（3）发动机的左右位置

发动机曲轴中心线在一般情况下与汽车中心线一致。

2、传动系的布置

*驱动桥的位置取决于驱动轮的位置，同时为了使左、右半轴通用，差速器壳体中心线应与汽车中心线重合。

*为满足万向节传动轴两端夹角相等、满载静止时不大于4°且最大不大于7°的要求，常将后桥主减速器的轴线向上翘起。

*而在乘用车布置中，在侧视图上常将传动轴布置成U形方案，如图1-19所示。

3．转向装置的布置

（1）转向盘的位置

应注意转向盘平面与水平面之间的夹角，并以取得转向盘前部盲区距离最小为佳，同时转向盘又不应当影响驾驶员观察仪表，还要照顾到转向盘周围（如风挡玻璃等）有足够的空间。

（2）转向器的位置

*前悬架采用钢板弹簧时，应该将转向器布置在前钢板弹簧跳动中心附近，即前钢板弹簧前支架偏后不多的位置处。

*用万向节