汽车动力装置参数的选择.ppt

第一节 发动机功率的选择,第三章 汽车动力装置参数的选汽车动力装置参数：系指发动机的功率、传动系的传动比。（对汽车的动力性与燃油经济性有很大影响。）确定动力装置参数时的要求：必须充分考虑到满足动力性与燃油经济性这两个基本性能的要求。此外，还要注意满足驾驶性的要求。,一、从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机的功率（最高车速虽然仅是动力性中的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速能力与爬坡能力。这是因为最高车速越高，要求的发动机功率越大，汽车后备功率大，加速与爬坡能力必然较好）若给出了期望的最高车速，则：在给定之值后，便能求出应有功率的数值。,（3-1）,二、(在实际工作中)利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率 来确定发动机应有功率。汽车比功率：是单位汽车总质量具有的发动机功率(kW/t).由式(3-1)求得汽车比功率为:,（3-2）,各种货车的 及 值大致相等且最高车速亦相差不多，但总质量变化范围很大。货车最高车速为l00km/h左右。一辆中型货车的比功率约为l0kW/t，其中用以克服滚动阻力功率的，即式(3-2)第一项，约占2/5。，显然，对于各类货车，式(3-2)第一项的数值大体一样。式中第二项是克服空气阻力功率的部分，它随A/m而变化，货车总质量增大时，迎风面积增加有限，故第二项将随着总质量的增加而逐步减少。因此，不同货车的比功率将随其总质量的增大而逐步减少，但大于单位质量应克服的滚动阻力功率。,图3-1a是东风及跃进汽车公司生产的货车的比功率与其总质量的关系，图中还给出了几种国产微型货车与金杯小货车的比功率与总质量的关系。图3-1b是根据1995-1996日本自动车中的部分数据绘制的货车比功率与总质量的关系图。其数值稍高于图3-1a中的数值。这是由于两个国家的道路、交通条件有差别对车辆的要求不一样的缘故。图3-1c是根据参考文献3.9中10个国家 40多种重型货车数据画出的比功率与汽车总质量的关系图。图3-1a、b、c表明货车的比功率是随其总质量的增大而逐步变小，一般货车的比功率约为10kW/t。小于23t的轻型货车常是轿车或微型旅行车的变型车，动力性能很好，比功率很大。重型货车、汽车列车的最高速度低，比功率较小。,图3-1d是1996年奔驰汽车公司的Actros重型货车族系比功率与总质量的 关系图。该货车族系的单车总质量有18、20、25、26、32与33t等6种；作为半挂或全挂列车使用时，最大列车总质量均为40t。该族系中有7种不同功率的发动机，其功率分别为230、260、290、315、350、390与420kW。以单车总质量18t的货车为例，它可以装备上述之一的发动机，其轴距自36006000mm共有6种，驱动型式有4x2、4x4两种。18t货车包含一般货车、自卸车与半挂牵引车三种。25t货车为3轴，驱动形式为6x2。26t货车驱动型式为6x4。32t货车为4轴，驱动形式为8x4，前4轮转向。33t为3轴，驱动形式为6x4。Actros重型货车族系可以从各个方面来满足客户的不同要求。不少国家还对车辆应有的最小比功率作出规定，以保证路上行驶车辆的动力性不低于一定水平，防止某些性能差的车辆阻碍车流。总之，货车可以根据同样总质量与同样类型车辆的比功率统计数据，初步选择发动机功率。,我国有关大客车的标准明确规定了最高车速与比功率的数值，可以作为初步确定发动机功率的依据。如交通部行业标准JT/T325-1997中规定，高三级(即最高级)大型客车(车身长度9m)的设计车速不小于125km/h、比功率应不小于14.5kW/t。轿车行驶车速高，且不同轿车动力性能相差可以很大，其最高车速在125300km/h之间。根据式(3-2)，在图3-2中绘出了：的比功率曲线。利用英国1997年Autocar杂志中的数据，图3-2中标出了一批当代轿车的比功率值。利用这些数值点形成的区域，可以根据设计轿车的总质量、预期的最高车速，大体确定发动机的功率。,轿车的最高车速，随着年代的不同而逐步提高。可以从1997年：Autocar杂志中的数据，了解当代轿车最高车速的数值。共试验了100辆轿车，最高的 为322km/h，最低的为138km/h，平均为211km/h。若将，车辆分作“一般轿车”、“多用途车(MPV)”、“吉普车”与“跑车”四类，则一般轿车的平均 值如下表所示：三辆多用途车的平均为185km/h，五辆吉普车为103km/h，六种跑车的平均值达288 km/h。,第二节 最小传动比的选择,汽车大多数时间是以最高挡行驶的，即用最小传动比的挡位行驶。因此，最小传动比的选定是很重要的。传动系的总传动比：式中，分动器或副变速器的传动比。普通汽车没有分动器或副变速器。若装有三轴变速器且以直接挡作为最高挡时，传动系的最小传动比就是主传动比；如变速器的最高挡为超速挡，则最小传动比应为变速器最高挡传动比与主传动比的乘积。二轴变速器没有直接挡，最小传动比为最高挡传动比与 的乘积。,下面讨论变速器最小传动比为1时的汽车最小传动比，即主减速器传动比 的选择。,图3-3是一汽车的功率平衡图。图上有水平路面行驶阻力功率曲线，还画了不同主减速器传动比 且，所确定的发动机的功率曲线1、2、3。先讨论最高车速。可以看出，主传动比为 时，阻力功率 曲线正好与发动机功率曲线2交在其最大 功率点上。若相当发动机最大功率时的车速 称为 则有。而装有另外两种传动比的主减速器，发动机功率曲线1、3与阻力功率曲线 的交点均不在最大功率点，即 且 均小于。所以，选择到汽车的最高车速相当 于发动机最大功率点的车速时，最高 车速是最大的。,再讨论汽车的后备功率。当主传动比为 时，发动机功率曲线在曲线2的右方，（当然 是不可能实现的）。因此，除 了外，汽车的后备功率也比较小，即汽车的动力性比主传动比为 时要差。不过，发动机功率利用率高，燃油经济性较好。当主传动比为 时，发动机功率曲线3在曲线2的左方。此时虽然,但汽车的后备功率却有较大增加，即动力性有其加强的一面，但是燃油经济性较差。最小传动比选择的趋势过去，多数汽车将最小传动比选择得使，或 稍小于。近年来，为了提高燃油经济性，出现了减小最小传动比的趋势，即令 稍大于。如：有的装有5挡变速器的轿车，第挡的（汽车）最高车速与第挡的最高车速很接近（如第一章图1-23中一紧凑型轿车算例所示）；而有的轿车第挡的最高车速甚至稍低于第挡的（汽车）最高车速。,根据1997年Autocar与Car&Driver杂志中的数据，在最小传动比(变速器为最高挡)时，轿车的值 0.91.10的约占74 1.11.39的约占5.5 0.7 0.9 的约占17.5的 0.50.70的约占 3,最小传动比还受到驾驶性能的限制。驾驶性能：（是包括平稳性在内的加速性）系指动力装置的转矩响应、噪声和振动。它只能由驾驶员通过主观评价来确定。影响驾驶性能的因素有：发动机的排量、气缸的数目、最小传动比或最高挡时发动机转速与行驶车速的比值 以及传动系的刚度等。大排量、气缸数多的发动机可以提供较大、较快、较平稳的转矩响。前置发动机前驱动汽车的传动系，没有传动轴等部件，刚度较大，转矩响 应较后驱动好。最小传动比或 比值对转矩响应有很大影响，例如，最小传动比过小，发动机在重负荷下工作，加速性不好，出现噪声与振动 最小传动比过大，燃油经济性差，发动机高速运转噪声大。,据Thomas R.Stocktont介绍，美国曾以1979年进口轿车与美国产轿车作回归分析，得到了动力装置 的允许值图(Power-Train Acceptance Chart)，见图3-4。利用此图，可根据每千克(磅)车质量的发动机排量毫升值，查出允许的最小 值。这对选择轿车最小传动比是有参考价值的。,第三节 最大传动比的选择,要考虑三方面的问题：最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速。就普通汽车而言：当已 知时，确定传动系最大传动比也就是确定变速器挡传动比。汽车爬大坡时车速很低，可忽略空气阻力，汽车的最大驱动力应为 一般货车的最大爬坡度约为30。,在设计越野汽车传动系时，为了避免在松软地面上行驶时土壤受冲击剪切破坏而损害地面附着力，保证汽车能在极低车速下稳定行驶 若最低稳定车速为，则传动系最大传动比为：轿车也应具有爬上30坡道的能力。实际上轿车的最大爬坡能力常大于30，其最大传动比是根据其加速能力来确定的。可参考同一等级的轿车选择最大传动比。请勿忘记最大传动比确定后，还应计算驱动轮的附着率，检查附着条件是否满足上坡或加速的要求。必要时，只能从汽车总体布置和结构着手，改善汽车的附着能力。,第四节 传动系档数与各档传动比的选择,一、传动系档位数的选择 不同类型的汽车具有不同的传动系挡位数。其原因在于它们的使用条件不同，对整车性能要求不同，汽车本身的功率不同。传动系的挡位数与汽车的动力性、燃油经济性的关系：就动力性而言，挡位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的 机会，提高了，汽车的加速与爬坡能力。就燃油经济性而言，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。所以增加挡位数会改善汽车的动力性和燃油经济性。挡数多少还影响到挡与挡之间的传动比比值。比值过大会造成换挡困难。一般认为比值不宜大于因此，比值越大，挡位数也应越多。轿车的行驶车速高，比功率大，最高挡的后备功率也大，即相对而言最高挡的驱动力与挡驱动力间的范围小，即 小。因此，过去美国的轿车，常用3挡变速器；而注重节约燃油的国家，如欧洲各国，选用发动机的排量较小，则用4挡变速器。近年来，为了进一步节省燃油，装用手动变速器的轿车普遍采用5挡变速器，也有采用6挡变速器的。,轻型货车和中型货车比功率小，所以一般采用5挡变速器。重型货车的比功率更小，使用条件也更复杂，如矿山用重型汽车，行驶道路变化很大。重型牵引车要拖带挂车，有时要求有很大的驱动力。重型车辆发动机工作时间长，油耗量大，且本身自重很大，增加挡位数不会过多地增加汽车的制造成本，所以一般采用6挡至十几个挡的变速器，以适应复杂的使用条件，使汽车具有足够的动力性与良好的燃油经济性。越野汽车遇到的使用条件最复杂，还要经常牵引火炮或挂车，所以的比值很大，其传动系的挡位数较同吨位的普通货车常多一倍左右。在变速器中，挡位数超过五个(指前进挡)会使结构大为复杂，同时操纵机构也相应复杂。为此，常在变速器后接上一个2挡或3挡位的副变速器。越野汽车因要求多轴驱动，故采用分动器。在选定汽车的最小传动比、最大传动比 及传动系的挡位数后，应当确定中间各挡的传动比。,二、中间各档传动比的确定实际上，汽车传动系各挡的传动比大体上是按等比级数分配的。如CA72205挡变速器传动比与相邻两挡的比值为彼此相差不大，但。而有的汽车，如轿车SH760和一些挡位很多的货车变速器，则完全按等比级数分配。所以一般汽车各挡传动比大致符合如下关系式中，q为常数，也就是各挡之间的公比。因此，各挡的传动比为,若为5挡变速器，且，则各挡传动比与q便有如下关系：或 所以各挡传动比与挡传动比的关系为：,三、用等比级数的办法来分配变速器各挡传动比的目的 1.离合器才能平顺无冲击地接合图3-5中绘有发动机的外特性，再根据公式 画出每个挡位的车速与发动机转速的关系曲线。驾驶员用挡起步，随着发动机转速的提高，汽车的行驶速度也随之增加。当发动机转速达到 时，驾驶员开始换挡，若设换挡过程中车速没有降低，则换上挡时，发动机转速应降到，离合器才能平顺无冲击地接合。挡时发动机转速升到n2时所对应的车速为换上挡时，发动机转速降至，相应的车速 仍应等于，即 故 离合器才能无冲击地接合。,若在挡时，发动机转速升到 换挡，则应把发动机转速降到 才能无冲击地接合离合器，即 同样有，由于各挡传动比是按等比级数分配的，即可见，若每次发动机都是提高到转速 换挡，只要发动机都降到同一低转速 离合器就能无冲击地接合。就是说，换挡过程中，发动机总在同一转速范围 内工作。这样，驾驶员在起步加速时操作就方便得多了。,2.按等比级数分配传动比的主要目的还在于充分利用发动机提 供的功率，提高汽车的动力性。（如当汽车需要大功率（如全力加速或上坡）时，若档位选择恰当，具有按等比级数分配传动比的变速器，能使发动机经常在接近外特性最大功率 处的大功率范围内运转，从而增加了汽车的后备功率，提高了汽车的加速或上坡能力）下面比较三种不同传动比分配的3挡变速器在加速过程中发动机功率发挥的程度，以说明传动比分配规律对汽车后备功率的影响。第一个方案是按等比级数分配传动比的变速器；即；另两个方案是 及。且假定为了充分利用发动机功率，加速过程中节气门全开，各挡均用 到发动机的最高转速 才换挡,如图3-6所示，三种方案在挡时，发动机工作区域相同。但在挡和挡时，由于发动机在换挡时的起始转速不同，其功率曲线覆盖的面积也不同。第二个方案，即 的方案，在使用挡时，利用发动机功率的范围少掉了转速 间的区域（图中水平阴影线）虽然在挡时与第一个方案相比较，汽车多得了 间的利用功率区域（图中水平阴影线），但得失相比，得到的是较小的功率区域乙而失去的是较大功率区域。同理，第三个方案，即 的方案也有同样情况，不过得到功率区域与失去功率区域的挡位不同。因此，按第一个方案，即按等比级数分配传动比的方案,可以在汽车需要大功率时，较好地利用发动机特性曲线功率比较大的一段来增加汽车的后备功率，提高汽车的加速或上坡能力。,3.按等比级数分配传动比的(主)变速器，还便于和副变速器结合构成更多挡位的变速器。例如一具有5挡位的主变速器，各挡间的公比为，其传动比序列 为。若结合一后置两挡副(减速)变速器，其传动比为1、q，便可构成一具有10挡位的变速器，各挡间的公比为q，其传动比序列为实际上，对于挡位较少(如5挡以下)的变速器，并不是正好按等比级数来分配传动比的。这主要是考虑到各挡利用率差别很大的缘故。汽车主要是用较高挡位行驶的，例如中型货车5挡变速器中的1、2、3三个挡位的总利用率仅为10-15，所以较高挡位相邻两挡间的传动比的间隔应小些，特别是最高挡与次高挡之间更应小些。因此，实际上各挡传动比常按下面的关系分布:,M米奇克在其所著的汽车动力学一书中给出了轿车(1975年1979年生产)5挡手动变速器最高挡传动比 以及各挡传动比的比值随轿车最高车速的变化情况，参看图3-7。根据1997年Autoear杂志中的数据，图上还标出一些轿车相应的数值，可以参考此图确定轿车变速器中间各挡的传动比。,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。通常以循环工况油耗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（C曲线），并根据此曲线确定动力装置参数。下面举数例加以说明。,一、主减速器传动比的确定如图3-8所示的，不同 时的燃油经济性-加速时间曲线。曲线表明，值较大时，加速时间较短但燃油经济性下降；值较小时，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 值；若以燃油经济性为主要目标，可选较小 的值。,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曲线选一合适的变速器和一合适的主减速器传动比。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。图3-9c是装用三种不同传动比的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C曲线确定主传动比。图3-9c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CAl41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01000m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挡的6挡变速器时，不但燃油消耗量可减小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较好，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-lla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-llb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。图3-llc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。上述用燃油经济性加速时间曲线来确定动力装置参数的方法，是一种经常采用的方法。,Thomas RStockton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(0.81.6L)与匹配不 同主减速器传动比 值 由18.636.7 即由3059 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 值曲线。2)第4挡在88.5km/h与96.6km/h车速行驶时，能克服3坡度的最小 值曲线。3)驾驶性能要求的最小 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=20.5 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 值为26.7，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，值为21.5，此时加速时间缩短到9.7s，每升燃油能行驶23.73km。,