汽车理论合肥工业大学出版社 动力性与燃油经济性的匹配.docx

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汽车理论合肥工业大学出版社动力性与燃油经济性的匹配

摘要

汽车动力装置参数包括发动机的功率和传动系的传动比。

它们对汽车的动力性与燃油经济性有很大影响。

在确定参数时，必须充分考虑到满足这两个基本性能的要求。

此外还要注意满足驾驶性的要求。

本章对汽车动力装置参数选定的意义做一概括性论述，并具体讨论发动机的功率、传动装置参数的初步选择依据及按燃油经济性—加速时间曲线进一步确定这些参数的方法，最后通过具体实例应用这些方法。

引言

追求最佳经济性和最大动力性共存，是汽车工业发展的恒久主题。

汽车工业诞生之初，以美欧为首的世界汽车制造商不断地追求更快的速度，更少的加速时间以及更大的爬坡度，与之相应的是大功率发动机的不断问世，由于油价比较低廉，汽车燃油经济性得不到足够重视。

然而随着20世纪几次石油危机的爆发，油价上升，汽车燃油经济性变得越发紧要起来，此时，日本经济型汽车成为市场主流，并由此引发了对提高汽车燃油经济性相关技术的不断深入研究。

选择合适的传动系各挡传动比，尤其是最小传动比、最大传动比，是提高汽车燃油经济性的有效方法。

同时汽车挡位数的增加对于提高汽车的动力性、改善汽车的燃油经济性有着显著效果。

在节能减排与环保成为主题的今天，要求在保障汽车具有足够动力的同时尽量提高汽车的燃油经济性。

而日益成熟的消费者也会更为理性的根据自己的需求来选择购买汽车，这就要求汽车设计者能够根据汽车动力性与燃油经济性之间的关系，根据不同的市场需求选定汽车的动力装置参数，获得最佳经济性和最大动力性。

发动机最大功率和传动系传动比的确定，首先应考虑满足新设计车辆的动力性要求（最高车速、最大爬坡度、加速能力等），同时还要兼顾汽车燃油经济性的要求。

本章将讨论汽车动力装置参数选择的方法。

第一节发动机最大功率的确定

确定发动机最大功率，通常采用以下两种方法。

1．根据最高车速计算发动机最大功率

发动机的最大功率Pemax应不小于汽车以最高车速行驶时的阻力功率，即

（3－1）

所选发动机的最大功率应满足上式的计算结果，但也不宜过大，否则会因发动机负荷率偏低而影响汽车的燃油经济性。

2．用比功率确定发动机最大功率

所谓比功率是指单位汽车总质量所具有的发动机功率，其常用单位为kw／t；

比功率可用下式计算

（3－2）

式中m——汽车的总质量，kg。

统计资料表明，货车的比功率一般在7.35kW/t以上，其中轻型货车的比功率可达26～40kW／t。

重型自卸车因车速较低，故比功率较小。

轿车的车速高，其比功率一般远大于货车，但因各种轿车的动力性能差异很大，因此其比功率的变化范围也较大，通常在20～100kW／t之间。

对于货车来说，通常根据自身的总质量即可选定比功率的大小。

而轿车除了质量因素外，还要考虑最高车速的因素，方能选定比功率。

我国的国家标准“机动车运行安全技术条件”（GB7258—1997）规定，在道路行驶的汽车，其比功率应不小于4.8kW／t，以免因部分车辆动力性能太差而影响整个道路交通的畅通。

在确定了发动机最大功率后，还要考虑发动机最大功率时的转速np的大致范围，以便更好地选择合适的发动机。

np的范围可根据发动机类型、最高车速、发动机最大功率等因素来选定。

通常汽油机的np在3000～5800r／min之间，柴油机的np在1800～4000r／min之间。

轿车和轻型货车的np偏高，中型货车则偏低，重型货车柴油机的np则更低些。

第二节传动系最小传动比的确定

传动系最小传动比就是系统中的各总成最小传动比之乘积，对于没有分动器和副变速器的汽车而言，传动系最小传动比等于变速器最高挡传动比与主减速器传动比i0的乘积。

下面将讨论变速器最高挡为直接挡时的传动系最小传动比i0的确定。

i0的选择应首先满足汽车最高车速的要求，同时还要兼顾汽车的加速能力、爬坡能力和燃油经济性，最终还要符合主减速器齿轮的齿数比。

假设有三个i0可供选择，且i01＞i02＞i03，三者所对应的最高车速虽不尽相同，但都能满足要求，其中与i02对应的发动机功率曲线在最大功率处与阻力功率曲线相交，其最高车速最高，见图3—1。

下面对三种选择作一分析比较。

图3－1i0改变时的功率平衡图

（1）选用i01，汽车的后备功率较大，动力性较好。

但因发动机的功率利用率降低，有效燃油消耗率增大，因而汽车的燃油经济性较差。

（2）选用i02，则汽车的动力性较差，而燃油经济性较好。

（3）选用i03，其最高车速大于上述两种选择，动力性和燃油经济性均介于二者之间。

若发动机最大功率时的车速用up表示，相应的最高车速为uamax。

过去，多数汽车所选的i0，使uamax略大于up，见图3—l中i01曲线，或使uamax等于up，见图3－1中i02曲线。

近年来，为了提高汽车的燃油经济性，出现了减小传动系最小传动比的趋势，使uamax略小于up，如图3—1中i03曲线。

有的装有五挡变速器的汽车，五挡时的最高车速反而略低于四挡时的最高车速。

统计资料表明，现代汽车的up/uamax值在0.72～1.43之间。

设计人员可根据汽车的类型、用途和要求最终确定i0的值。

为了使汽车获得较高的平均车速，还要求汽车以最高挡行驶时具有一定的爬坡能力。

因此，在确定传动系最小传动比时，应考虑满足最高挡动力因数D0max的要求。

例如，中、重型货车的推荐值一般为D0max＝0.04～0.08，中级轿车D0max＝0.1～0.15。

当最高挡为直接挡时，i0与D0max的关系可用下式计算

（3－3）

式中Ttqmax——发动机最大转矩，N·m；

uat——汽车以最高挡行驶时，发动机发出最大转矩时的车速，km/h。

第三节传动系最大传动比的确定

对于普通汽车而言，传动系最大传动比等于变速器头挡传动比ig1与主减速器传动比i0的乘积。

一旦i0选定后，剩下的问题就是如何确定变速器头挡传动比ig1。

货车的变速器头挡传动比通常是根据汽车所要求的最大爬坡度来确定的。

根据驱动力与行驶阻力相平衡的原理，当汽车行驶在最大坡度的路面时，头挡的最大驱动力Ftlmax应等于相应的滚动阻力Ff、坡度阻力Fimax和空气阻力Fw之和。

考虑到此时的车速很低，空气阻力可忽略不计，则有：

或

即

（3－4）

出于汽车的爬坡能力还受到附着条件的限制，如果选择过大的ig1非但未必能够提高爬坡能力，反而给变速器设计和换挡操作带来不便。

另外，最终确定的ig1应与变速器中有关齿轮的齿数比相吻合。

一般货车的最大爬坡度约为30％，即αmax≈16.7°。

轿车因比功率较大，其最大爬坡度一般都能超过30％，头挡传动比的确定主要应满足加速能力的要求。

对于中、高级轿车，原地起步加速到100km/h的时间一般为10～17s，普通轿车则为12～25s。

设计人员可参考同类型轿车来选择igl。

越野汽车的最大爬坡度一般可达60％左右，αmax≈31°。

除此之外，还要求越野车能够在极低车速下稳定行驶，以防在松软地面上行驶时土壤受冲击遭剪切破坏而影响附着能力。

因此对所选的传动系最大传动比还要验算其最低稳定车速：

（3－5）

式中uamin——汽车最低稳定车速，km/h；

nmin——发动机最低稳定转速，r/min；

imax——传动系最大传动比。

第四节传动系挡数和中间各挡传动比的确定

增加挡位数可以提高发动机的功率利用率，这对于提高汽车的平均车速和降低发动机的燃油消耗率均较为有利。

因此，增加挡位数可以改善汽车的动力性和燃油经济性。

挡位数的多少还会影响相邻两个挡位传动比的比值。

比值过大会造成换挡困难。

一般认为比值不宜超过1.7～1.8。

因此，传动系最大传动比itmax与最小传动比itmin之比itmax／itmin越大，挡位数也应越多。

但是，挡位过多会造成变速器结构复杂。

因此，目前轻、中型货车常采用五挡变速器。

装有手动变速器的轿车，目前已有不少车型采用了五挡变速器，较过去的挡数有所增加。

重型汽车和越野汽车，因行驶阻力的变化范围大，itmax／itmin的比值大，所以常采用六个以上挡位的变速器，甚至多达十几个挡位。

为了使变速器结构不至过于复杂，可采用装副变速器或分动器兼副变速器的方法。

在确定了传动系最大传动比、最小传动比和挡位数后，应继续确定中间各挡的传动比。

统计资料表明，汽车传动系各相邻两挡传动比的比值一般都比较接近，在换挡过程中，传动系输出转矩的放大倍数较为均匀地逐级递增或递减。

例如，CA109l汽车，其六挡变速器各挡传动比和相邻两挡传动比的比值分别为：

因此，在确定各挡传动比时，可按等比级数的关系进行初步计算，即

式中q——各挡之间的公比。

由此可得，各挡的传动比分别为：

现以五挡变速器为例，且假设ig5＝1，则各挡传动比分别为：

或

对于具有n个挡位，其最高挡为直接挡的变速器，则公比q为

（3－6）

实际上，汽车行驶时各个挡位的利用率差异很大，例如中型货车五挡变速器中的四、五挡的利用率一般可达85％～90％。

因此，适当减小较高挡位之间的传动比比值，对于提高发动机的功率利用，改善汽车的动力性和经济性较为有利。

所以，经变速器齿轮齿数分配后，所得到的各挡传动比往往按如下关系分布

第五节利用燃油经济性-加速时间曲线确定动力装置参数

初步选择参数之后，可拟定供选用参数数值的范围，进一步具体分析、计算不同参数匹配下汽车的燃油经济性与动力性，然后综合考虑各方面因素，最终确定动力装置的参数。

通常以循环工况Q（L/100km）代表燃油经济性，以原地起步加速时间代表动力性，作出不同参数匹配下的燃油经济性-加速时间曲线，并根据此曲线确定动力装置参数。

下面举例加以说明。

一、主减速器传动比的确定

在动力装置其他参数不变的条件下，若要选定最佳主减速器传动比，可根据燃油经济性与动力性的计算，绘制如图3-8所示的不同i0时的燃油经济性-加速时间曲线。

图3-8中的纵坐标是0→96.6km/h（0→60mile/h）时的加速时间（s），横坐标为EPA循环工况的燃油经济性（km/L或mile/gal）。

计算出不同i0值时的加速时间与每升燃油行驶公里数后，即可作出图示曲线。

曲线表明，i0值较大时，加速时间较短但燃油经济性下降；i0较小时，加速时间延长但燃油经济性改善。

若选定2.6作为主减速器传动比，则能兼顾汽车的燃油经济性与动力性。

若以动力性为主要目标，则可选用较大的i0值；若以燃油经济性为主要目标，可选用较小的i0值。

燃油经济性-加速时间曲线通常大体上呈C形，所以又称之为C曲线。

二、变速器与主减速器传动比的确定

在不改变发动机的条件下，可利用C曲线从数种变速器中选一合适的变速器和一合适的主减速器传动比。

图3-9是一实例。

图上绘制了数种变速器的C曲线。

图3-9a是3挡变速器与4挡变速器的C曲线。

图3-9b是4挡变速器与5挡变速器的C曲线。

3挡变速器与4挡变速器均具有直接挡，由于4挡变速器的变速范围广，所以汽车动力性有所提高。

5挡变速器具有超速挡，汽车的燃油经济性与动力性均有显著提高。

图3-9c是装有三种不同传动比的5挡变速器A、B、C时汽车的C曲线。

可以根据设计汽车的主要目标选用其中的一个，并根据其它曲线确定主传动比。

图3-9上还画出了三条C曲线的包络线，称为“最佳燃油经济性-动力性曲线”。

它表示三种5挡变速器与不同传动比主减速器匹配时，在一定加速时间的要求下燃油经济性的极限值。

图3-10a是TJ-645客车装用两种不同传动比的5挡变速器与不同传动比主减速器时的C曲线。

可以看出，以变速器Ⅱ和主减速器传动比为8.6时的匹配关系得到的燃油经济性与动力性最佳。

图3-10b是CA141货车装用三种不同变速器时的燃油经济性——1km加速末速度曲线。

它是以0→1000m连续换挡加速的末速度作为动力性评价指标的。

可以看出，装用带有超速挡的或最高挡为直接挡的6挡变速器，燃油经济性都比用5挡变速器时有所改善。

如果驱动桥的传动比采用5.897，则装用最高挡为直接的6挡变速器时，不但燃油消耗量可减少1.08L/100km（3.6%），而且0→1000m连续换挡加速的末速度也可以增加0.58km/h（0.7%）。

三、发动机、变速器与主减速器传动比的确定

下面是一个考虑不同排量发动机、不同变速器与不同主减速器传动比的动力装置参数确定的实例。

图3-11a是一辆轿车在同一变速器条件下，选用三种不同排量发动机时的燃油经济性-加速时间曲线。

若要求的加速时间为13.5s，则只能选用大或中排量发动机。

因为中排量发动机的燃油经济性好，所以应当选用中排量发动机，然后利用中排量发动机的C曲线确定最佳主减速器传动比。

为了便于进行不同变速器的选定，图3-11a上还画出一条三种不同排量发动机C曲线的包络线，也称作“最佳燃油经济性和动力性曲线”。

它表明该轿车装用一种变速器、装用不同排量发动机与匹配不同主减速器传动比时，一定加速时间的动力性要求下所能达到的燃油经济性的极限值。

图3-11b上画出了该轿车装用三种具有不同传动比的4挡变速器时的“最佳燃油经济性和动力性曲线”。

可以看出，在加速时间要求为13.5s的条件下，C型变速器的燃油经济性最好，比A型提高4.4%。

论文作者还比较了装用自动液力变速器时的情况。

图3-11c是3挡自动液力变速器与在第三挡能锁止的3挡自动液力变速器的“最佳燃油经济性和动力性曲线”。

分析表明，在加速时间要求为13.5s的条件下，具有第三挡能锁止的自动液力变速器的燃油经济性可提高6.7%。

上述燃油经济性-加速时间曲线来确定动力装置的方法，是一种经常采用的方法。

ThomasR.Stockton曾给出了一辆质量为795.5kg、装有5挡变速器的轿车，利用燃油经济性-加速时间曲线来确定发动机排量（相当于功率）与主减速器传动比的例子，参看图3-12。

图上绘出了装用不同排量发动机（0.8～1.6L）与匹配不同主减速器传动比〔n/ua值由18.6～36.7r·min–1/（km·h–1）,即由30～59r·min–1/（mile·h–1）〕时的EPA城市、公路综合燃油经济性（km/L或mile/gal）与0→96.6km/h（0→60mile/h）加速时间曲线。

图3-12上还有：

1）1挡能克服30%坡度所要求的最小n/ua值曲线。

2）第4挡在88.55km/h（55mile/h）与96.6km/h（60mile/h）车速行驶时，能克服3%坡度的最小n/ua值曲线。

3）驾驶性能要求的最小n/ua值曲线。

分析了图中的曲线后可知，当加速时间定为13s以内时，以1.2L排量发动机匹配与n/ua=20.5r·min–1/（km·h–1）相应的主减速器传动比为好。

此时，每升燃油可行驶26km。

不过，这种匹配不能满足驾驶性能的要求。

对于1.2L发动机，允许的n/ua值为26.7r·min–1/（km·h–1），相应的加速时间为12.3s，但每升燃油只能行驶23.48km。

综合衡量得失，不如选取1.5L排量的发动机，n/ua值为21.5r·min–1/（km·h–1），此时加速时间缩短到9.7s，每升燃油能行驶23.73km。

例题：

轻型货车的有关数据：

装载质量2000kg

整车整备质量1800kg

总质量3880kg

车轮半径0.367m

传动系机械效率　　　　　　　

滚动阻力系数　　　　　　　　　f＝0.013

空气阻力系数×迎风面积　　　

主减速器传动比　　　　　　　

飞轮转动惯量

二前轮转动惯量

四后轮转动惯量

变速器传动比

（数据如下表）

变速器

Ⅰ挡

Ⅱ挡

Ⅲ挡

Ⅳ挡

四挡变速器

5.89

3.19

1.70

1.00

　轴距　　　　　　　　　　　　　　　　　L＝3.2m

　质心至前轴距离（满载）　　　　　　　　　α＝1.947m

质心高度（满载）　　　　　　　　　　　　　hg＝0.9m

改变轻型货车的主减速器传动比，求出

为5.20、5.54、5.93、6.23、6.48时的百公里燃油消耗量，并讨论主减速器传动比对燃油经济性的影响（汽油的密度是0.7g/cm3））。

负荷特性曲线的拟合公式为

式中，b为燃油消耗率[g／（kw.h）];Pe为发动机净功率（kw）

拟合公式系数为：

3400

1233.9

-84.478

2.9788

-0.047449

0.00028230

答：

时，百公里消耗燃油：

（以最高挡，较高转速（n取3400

），最经济负荷（即90%负荷大约18kW）行驶时油耗）：

此时：

将

，ua1代入下式得：

同理：

当

分别等于5.54、5.93、6.23、6.48时的百公里燃油消耗量为

、

、

、

从以上计算我们可以看出，汽车的主减速比对燃油消耗有着一定的影响，当主减速比增大时，燃油消耗量增大，反之，燃油消耗量减小。

所以在汽车主减速比设计时，除满足汽车动力性要求外，还要综合考虑主减速比对燃油消耗量的影响。

总结

本章阐述了发动机的最大功率、传动系最大和最小传动比、传动系挡数和各中间各挡传动比的确定方法，同时还对汽车燃油经济性-加速时间曲线确定动力装置参数作了详细的论述。

本章主要研究了以下内容：

①发动机最大功率的确定，根据最高车速计算发动机最大功率和用比功率确定发动机最大功率。

②传动系最大和最小传动比，传动系最大传动比的确定主要是从最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定速度三方面考虑；传动系最小传动比的确定是根据计算公式以及汽车功率平衡图，讨论了对于没有分动器和副变速器且变速器最高挡为直接挡的汽车传动系最小传动比i0的确定；③传动系挡数和中间各挡传动比，在确定了传动系最大传动比、最小传动比和挡位数后，通过按等比级数的方法确定了中间各挡的传动比；④动力装置参数，主要是利用燃油经济性—加速时间曲线来具体确定。

发动机的功率决定着汽车的动力性能：

发动机功率越大，就可保证汽车的最高车速越高，同时使得后备功率大，汽车的加速与爬坡性能必然较好。

然而，大的发动机功率会带来汽车燃油经济性的降低，因此，汽车设计者及汽车使用者应当根据各自的情况适当选择一定功率的发动机，使得汽车动力性与燃油经济性较好的结合起来。

汽车传动系传动比的大小,尤其是传动系的最小传动比对汽车发动机的油耗高低与汽车动力性的发挥尤为重要。

由于汽车经常在高速挡位行驶,使用最小传动比的机会更多。

因此最小传动比设计如何,对整车的动力性、经济性起着举足轻重的作用。

传动系最大传动比、传动系的挡位数以及各挡传动比对汽车动力性也有很大影响。

挡位数增加时,发动机在接近最大功率工况下工作的机会增加,发动机的平均利用率高,后备功率大，这有利于汽车加速和爬坡,提高了汽车中速行驶的动力性。

同时，挡位数多，增加了发动机在低燃油消耗率区工作的可能性，降低了油耗，改善了汽车燃油经济性。

汽车动力传动系的匹配还应考虑其动力特性是否与整车的动态特性匹配，如动力传动系机构的运转频率不能与车身的各阶固有频率重合，否则会产生共振。

思考题

1.新设计一辆货车，若已确定其总质量m＝9300kg，空气阻力系数C

＝0.9，迎风面积A=4.8m

，传动系机械效率

=0.85，要求的最高车速为110km／h，试初选发动机的功率。

2.说明主减速器传动比i

的大小对汽车动力性和燃油经济性的影响。

3.由公式u

＝0.377

，是否可以认为汽车的主减速器传动比i

越小，车轮半径r越大，汽车的最高车速就越高，为什么?

4.已知发动机的最大转矩为360N·m/（1200r／min）,车轮半径r=0.48m,主减速器传

动比i

＝6．39，其余参数同第1题，试求：

1）直接挡时的最大动力因数D

；

2）若要求汽车的最大爬坡度为29％，初步确定头挡传动比

。

5.增加传动系的挡位数，对改善汽车的动力性和燃油经济性有何作用?

6.已知某五挡变速器的i

＝l，i

＝2.45，若按等比级数分配，其余各挡的传动比为多少?

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