发动机性能与汽车传动系匹配综述

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1、发动机性能与汽车 传动系匹配 汽车行驶的动力特性 动力因数D的概念和应用 汽车动力计算实例 汽车行驶的燃料经济特性 汽车传动比的选择 E n d 一 汽车行驶的动力特性 1、为了评定汽车行驶的动力特性，一般采用 三个指标： （1）车行驶中能达到的最高车速：（系指在水平良好的路面（ 混凝土或沥青）上汽车能达到的最高行驶速度） （2）汽车行使中能克服的最大道路坡度：（汽车的上坡能力是 用满载时汽车在水平良好的路面（混凝土或沥青）上的最大爬坡度 来表示。坡度常用百分比表示，即每行驶百米距离升高h来表示，故 坡度i=h/100=tg，） （3）汽车行使中的加速能力：（原地起步加速时间：系指汽车 由第档

2、起步并以最大的加速度（包括选择恰当的换档时机）逐步 换至高档后到达某一预定的距离或车速所需的时间来表示。超速加 速时间：系指用最高档或次高档由某一中等车速全力加速至一定车 速所需的时间来表示。时间越短，则加速性越好。） 决定汽车行驶动力特性的因素和条件大致包括下列几个方面： （1）发动机的动力特性。 （2）汽车的整车总重，这是汽车设计中首先必须明确的 （3）道路条件，即道路状况和阻力。 （4）汽车的迎风阻力。即相关阻力系数及汽车迎风面积。 （5）汽车传动系统的转动比。如驱动桥主传动比及变速箱各挡速比。 （6） 轮胎的滚动半径、结构和特征。 （7） 车轮和传动系的转动惯量。 （8） 各挡总传动比

3、机械效率。 （9）发动机的系统设计，如车上的进气系统、排气系统和供油系统等，这 些系统中所产生的进气阻力、排气阻力和供油阻力等应不影响或牺牲发动机 原有的动力特性（应通过检查，不得大于限值）。 （10）车上是否装有液压变速箱和空调等其他装置，因这些装置消耗发动机 原有的动力系统（应通过检查，不得大于限值）。 2、发动机性能和汽车行驶动力性能之间的关 系: （1） （1） 发动机转速与汽车行驶车速中轮胎上产生的驱 动力之间的对应关系式。 a、发动机转速与汽车行驶车速之间的对应关系式： r=0.0254 d/2+b (1) 注：轮胎的滚动半径应通过实测获得，但一般也可采 用以上经验公式进行计算。

4、发动机转速与车速之间的关系见图11。 图11发动机转速和车速关系 b、发动机扭矩与汽车驱动轮上的扭矩和驱动力之间关系 ： Mk=Me ik io Pk = = 式中：Mk 轮胎驱动力矩（Nm）； Me 发动机的扭矩（Nm） 传动系统的平均总机械效率； Pk 汽车轮胎上驱动力（N） 发动机输出扭矩与汽车驱动轮扭矩之间的传递可见图12，变速箱 速比具有多个不同档位，一档速比ik1最大，因之一档时车速最低而车 轮上发出扭矩最大。最高档速比最小，因之最高档时车速最高而车轮 上扭矩最低。最高档有直接档和超速档之分，直接档速比为1，超速 档比小于1。汽车驱动力与车速之间关系见图13。 关于发动机飞轮至驱动

5、轮之间的平均总传动机械效率： 传动系机械效率是速比、车速和负荷等的函数，一般根据测试统计 ，值大致如下： （1）变速箱处直接档时传动平均效率 92% ； （2）变速箱处其他档位 90% ； （3）特别高的减速比驱动（终传动） 7580% ； （4）64驱动 87% ； （5）66驱动 82% ； 传动系统中磨擦功率损失将变成热能，通过润滑油及金属机件导热， 辐射散发到外界空气。汽车上采用液压变速箱当然有其优越性，能大 大提高行驶操作方便性，但液压变速箱传动机械效率较低，它散发的 热量较大，机油必须采用机油冷却器进行冷却，比一般机械变速箱所 消耗的摩擦功要大得多，必然消耗掉发动机一部分扭矩，至于

6、它的机 械传动效率多少，应由液压变速箱制造商向用户提供。 3、汽车的行驶阻力 汽车的运动阻力来自四个方面： （1）道路滚动阻力 F f （2）空气阻力 Fw （3）上坡阻力 Fi （4）加速阻力 Fa 所以汽车前进中的行驶总阻力为: =Ff+Fw+Fi+Fa 道路滚动阻力Ff在任何行驶条件下是永久存在的，空气 阻力Fw在车速很低时可忽略不计。上坡阻力Fi及加速阻力 Fa仅在一定条件下存在，如果汽车在水平路面上以等速行 驶，则Fi+Fa=0。 （1）道路滚动阻力Ff 滚动阻力与汽车总重和滚动阻力系数有关，滚动阻力系数取决于 下列因素： 路面状态 轮胎滚动速度 轮胎结构及材料 轮胎气压及接地负荷

7、滚动阻力Ff=滚动阻力系数f车辆总重W， 即Ff=f W (N) 所以必须首先确定滚动阻力系数f，滚动阻力系数可能有三种途径 求得： a) 经验推荐的概值；b) 公式估算法；c) 汽车滑行实验测定法。 根据经验统计，路面状态和轮胎滚动阻力系数的概值可见表11。 路面状况系数f路面状况系数f 良好平滑沥青铺装路约0.010 整齐良好平坦未铺装路 约0.04 良好平滑混凝土铺装 路 约0.011 修正不良多石子道路约0.08 良好粗石混凝土铺装 路 约0.014 新铺设碎石道路约0.12 良好木块铺装路约0.018 砂质或石质道路约0.16 良好砌石铺装路约0.020 松散砂地粘土道路0.20.3

8、 路面状况和轮胎滚动系数的概值 a) 根据经验统计，路面状态和轮胎滚动阻力系 数的概值可见表11。 表11 b) 根据估算公式，不同资料推荐的估算公式往往 存在较大差异，现摘录如下： f=0.0051+ 2 其中：W 轮胎接地负荷（N）；P 轮胎气压（bar） Va 汽车车速（Kw/h） 但随着轮胎技术的快速发展，这公式可能已缺乏代表性 。 f=0.0076+0.000056 Va，用于轮胎气压较高，车速较低 的载重汽车。 f=0.0116+0.000142 Va，用于轿车； f=0.00825+0.00016 Va， 用于在良好路面上行驶的载重 车。 c) 由汽车滑行实验确定f： 汽车在水平

9、平坦路面上，以一定的初速稳定行驶，然后将变速箱置于空挡 ，车辆依靠惯性进行滑行，由于轮胎的滚动阻力、传动系内部的动能损耗以 及车身受空气阻力等影响、滑行开始后车速逐渐降低，行驶一段距离后，最 后停止，因此滑行实验能作为研究行驶阻力的一种手段。假定滑行中减速度 为a，可得出作用在滑行汽车上的行车减速阻力Fj及阻力系数f之间的关系式 如下： Fj=(W+W)a/g 其中：W汽车总重量（N），g为重力加速度（9.8m/s2），W汽车各转动部分（不包括发动机） 的等效重量（N），一般载重车可取W=0.07We ，小型车可取W=0.05We（We为汽车空车自重 ）。滑行减速度a可用实验结果以及以下公式求

10、得： 其中：t1及t2为汽车滑行中通过前50米及100米的滑行时间（控制滑行初速，使通过100米的滑行 时间在202秒以内），此外，滑行平均车速V=360/t2公里/小时。 具体试验方法及说明可见国家标准“载重汽车和越野汽车道路试验方法” （GB133477）中滑行试验方法一章。 当车速较低及无风时，风阻可以忽略不计，因此采用滑行求得a后， 就可按下式计算f，f=a/9.8。 （2）空气阻力Fw，可用下列公式： 空气阻力Fw=1/2CDAV2 （N） 式中：CD为空气阻力系数（一般轿车的CD=0.350.50；货车的 CD=0.500.80，客车的CD=0.580.80）； 为空气密度，一般=

11、1.2258NS2m4 A为迎风面积（m2）(常用汽车的轮距B与汽车高度Ha之乘积近似表 示，即A=BHa(m2),对小客车而言，此近似值常较实测值大510%，对载 重车则又常小510%，一般A的范围典型轿车可取1.42.6m2,货车为37m2, 大客车为47m2)。 V为相对速度（m/s），在无风时即为汽车行驶速度Va，即V用Va （每小时公里Km/h）替代， 故 （3）上坡阻力Fi： 上坡阻力Fi= Wsin 见图14 为相对坡度倾斜角，在计算中，坡度常用百分比表示，即每行驶百米距离 升高h来表示，故坡度i=h/100=tg，当道路坡度不大时（1015），则 Sin=tg 故上坡阻力Fi=

12、Wsin=Wtg=Wi（N） 上坡阻力和滚动阻力两者之和统称道路阻力FR. 因为上坡时，道路滚动阻力=fWcos 上坡阻力=Wsin， 所以道路阻力FR=f Wcos+Wsin 坡度不大时，cos1，sintgI 因此道路阻力FR=W（f+i），上坡时的道路阻力系数为（f+i） 。行车阻力与车速关系可见图15。 （4）加速阻力Fa 加速和减速都承受惯性阻力，惯性力可分两个组成部分，即平移 质量惯性力和回转质量惯性力。表达公式如下： Fa=（W+W）/gdv/dt=（1+W/W）W/gdv/dt 式中，W汽车总量（N）；dv/dt为加速度；g为重力加速度（9.8 m/s2） W旋转部分的等效重量

13、（N），它是根据发动机、汽车传动系、 车轴和车轮在内的各旋转部分产生的转动惯量转换为平移方向的等 效重量。 W的转换需要进行实测和计算，过程繁琐，在一般情况下，往往 采用统计的概值，见表12、13和14。 同时有的资料中还采用如下经验公式： （1+W/W）=1.027+0.0003 io2 ik2 4、驱动力与行驶阻力的平衡 汽车在行驶中的力学平衡方程式为： 行驶总阻力 汽车驱动力 Pk=（Meikio）/r 车辆在行驶中，Pk= 所以： 5、汽车最高车速的求法 从行车动力性能曲线图（图16及17）上可以看出，最 高车速Vmax是最高档油门全开时的驱动力曲线与行驶阻力 曲线的交点所对应的车速，

14、此时汽车的驱动力与行驶阻力 达到平衡。当车速低于最高车速时，能发出的最大驱动力 大于行驶阻力，这时油门不需要全开，说明汽车拥有剩余 动力或动力储备，从而有能力进行加速和爬坡。在油门并 未全开的工况下，发动机是在部分负荷下工作的（见图1 7，图中虚线为油门并未全开下最高档的汽车驱动力曲线 ），它与行驶阻力曲线交点就是此时的平衡点，可以求出 那时的车速，如图（17）中的60Km/h。 驱动力与行驶阻力的平衡 汽车最高车速的求法； 6、汽车直接档最低稳定车速的求法 在汽车定型试验规程中，规定需用直接档测定汽车的 最低稳定车速。影响最低稳定车速的因素是发动机的最 低稳定工作转速、汽车传动系参数和道路阻

15、力等，其中 发动机最低稳定转速起关键作用。 测试时汽车以直接档在平地上缓慢行驶。并将油门 逐渐关小，直至达到发动机最低稳定转速或汽车最低稳 定车速为止。当行驶阻力曲线与发动机最低稳定特性曲 线相交，这交点对应的车速就是最低稳定车速Vmin，见 图19。 图19最低稳定车速示意图 7、汽车爬坡能力的求法 爬坡能力是指汽车在行驶中克服道路坡度的能力。在 等速行驶下，dv/dt=0，故Pk=Ff+Fw+Fi，Fi=Pk（Ff+Fw） 因为： Ff=WfcosWf（因的值较小，可粗略假定cos1） Fw= ; Fi=Wsin 所以： 11 汽车最大爬坡度是在变速箱一档时，但直接档的最大爬坡度 也应引起注意，否则汽车在直接档行驶时，遇到较小的坡度就要经 常换档，这样就影响了行驶的平均速度，各种坡度下的行车阻力曲 线可见图15。各档的爬坡能力见图16。 8、汽车加速能力的求法 由公式： 可知： 12 根据上述公式12，将发动