汽車動力裝置參數(shù)的選擇.ppt

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第一節(jié)發(fā)動機功率的選擇,第三章汽車動力裝置參數(shù)的選汽車動力裝置參數(shù)：系指發(fā)動機的功率、傳動系的傳動比。（對汽車的動力性與燃油經濟性有很大影響。）確定動力裝置參數(shù)時的要求：必須充分考慮到滿足動力性與燃油經濟性這兩個基本性能的要求。此外，還要注意滿足駕駛性的要求。,一、從保證汽車預期的最高車速來初步選擇發(fā)動機的功率（最高車速雖然僅是動力性中的一個指標，但它實質上也反映了汽車的加速能力與爬坡能力。這是因為最高車速越高，要求的發(fā)動機功率越大，汽車后備功率大，加速與爬坡能力必然較好）若給出了期望的最高車速，則：在給定之值后，便能求出應有功率的數(shù)值。,（3-1）,二、(在實際工作中)利用現(xiàn)有汽車統(tǒng)計數(shù)據(jù)初步估計汽車比功率來確定發(fā)動機應有功率。汽車比功率：是單位汽車總質量具有的發(fā)動機功率(kW/t).由式(3-1)求得汽車比功率為:,（3-2）,各種貨車的及值大致相等且最高車速亦相差不多，但總質量變化范圍很大。貨車最高車速為l00km/h左右。一輛中型貨車的比功率約為l0kW/t，其中用以克服滾動阻力功率的，即式(3-2)第一項，約占2/5。，顯然，對于各類貨車，式(3-2)第一項的數(shù)值大體一樣。式中第二項是克服空氣阻力功率的部分，它隨A/m而變化，貨車總質量增大時，迎風面積增加有限，故第二項將隨著總質量的增加而逐步減少。因此，不同貨車的比功率將隨其總質量的增大而逐步減少，但大于單位質量應克服的滾動阻力功率。,,圖3-1a是東風及躍進汽車公司生產的貨車的比功率與其總質量的關系，圖中還給出了幾種國產微型貨車與金杯小貨車的比功率與總質量的關系。圖3-1b是根據(jù)《1995-1996日本自動車がイドづヶ》中的部分數(shù)據(jù)繪制的貨車比功率與總質量的關系圖。其數(shù)值稍高于圖3-1a中的數(shù)值。這是由于兩個國家的道路、交通條件有差別對車輛的要求不一樣的緣故。圖3-1c是根據(jù)參考文獻[3.9]中10個國家40多種重型貨車數(shù)據(jù)畫出的比功率與汽車總質量的關系圖。圖3-1a、b、c表明貨車的比功率是隨其總質量的增大而逐步變小，一般貨車的比功率約為10kW/t。小于2～3t的輕型貨車常是轎車或微型旅行車的變型車，動力性能很好，比功率很大。重型貨車、汽車列車的最高速度低，比功率較小。,圖3-1d是1996年奔馳汽車公司的Actros重型貨車族系比功率與總質量的關系圖。該貨車族系的單車總質量有18、20、25、26、32與33t等6種；作為半掛或全掛列車使用時，最大列車總質量均為40t。該族系中有7種不同功率的發(fā)動機，其功率分別為230、260、290、315、350、390與420kW。以單車總質量18t的貨車為例，它可以裝備上述之一的發(fā)動機，其軸距自3600～6000mm共有6種，驅動型式有4x2、4x4兩種。18t貨車包含一般貨車、自卸車與半掛牽引車三種。25t貨車為3軸，驅動形式為6x2。26t貨車驅動型式為6x4。32t貨車為4軸，驅動形式為8x4，前4輪轉向。33t為3軸，驅動形式為6x4。Actros重型貨車族系可以從各個方面來滿足客戶的不同要求。不少國家還對車輛應有的最小比功率作出規(guī)定，以保證路上行駛車輛的動力性不低于一定水平，防止某些性能差的車輛阻礙車流?？傊?，貨車可以根據(jù)同樣總質量與同樣類型車輛的比功率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，初步選擇發(fā)動機功率。,我國有關大客車的標準明確規(guī)定了最高車速與比功率的數(shù)值，可以作為初步確定發(fā)動機功率的依據(jù)。如交通部行業(yè)標準JT/T325-1997中規(guī)定，高三級(即最高級)大型客車(車身長度>9m)的設計車速不小于125km/h、比功率應不小于14.5kW/t。轎車行駛車速高，且不同轎車動力性能相差可以很大，其最高車速在125～300km/h之間。根據(jù)式(3-2)，在圖3-2中繪出了：的比功率曲線。利用英國1997年《Autocar》雜志中的數(shù)據(jù)，圖3-2中標出了一批當代轎車的比功率值。利用這些數(shù)值點形成的區(qū)域，可以根據(jù)設計轎車的總質量、預期的最高車速，大體確定發(fā)動機的功率。,轎車的最高車速，隨著年代的不同而逐步提高?？梢詮?997年：《Autocar》雜志中的數(shù)據(jù)，了解當代轎車最高車速的數(shù)值。共試驗了100輛轎車，最高的為322km/h，最低的為138km/h，平均為211km/h。若將，車輛分作“一般轎車”、“多用途車(MPV)”、“吉普車”與“跑車”四類，則一般轎車的平均值如下表所示：三輛多用途車的平均為185km/h，五輛吉普車為103km/h，六種跑車的平均值達288km/h。,第二節(jié)最小傳動比的選擇,汽車大多數(shù)時間是以最高擋行駛的，即用最小傳動比的擋位行駛。因此，最小傳動比的選定是很重要的。傳動系的總傳動比：式中，—分動器或副變速器的傳動比。普通汽車沒有分動器或副變速器。若裝有三軸變速器且以直接擋作為最高擋時，傳動系的最小傳動比就是主傳動比；如變速器的最高擋為超速擋，則最小傳動比應為變速器最高擋傳動比與主傳動比的乘積。二軸變速器沒有直接擋，最小傳動比為最高擋傳動比與的乘積。,下面討論變速器最小傳動比為1時的汽車最小傳動比，即主減速器傳動比的選擇。,圖3-3是一汽車的功率平衡圖。圖上有水平路面行駛阻力功率曲線，還畫了不同主減速器傳動比且，所確定的發(fā)動機的功率曲線1、2、3。先討論最高車速。可以看出，主傳動比為時，阻力功率曲線正好與發(fā)動機功率曲線2交在其最大功率點上。若相當發(fā)動機最大功率時的車速—稱為則有。而裝有另外兩種傳動比的主減速器，發(fā)動機功率曲線1、3與阻力功率曲線的交點均不在最大功率點，即且均小于。所以，選擇到汽車的最高車速相當于發(fā)動機最大功率點的車速時，最高車速是最大的。,再討論汽車的后備功率。當主傳動比為時，發(fā)動機功率曲線在曲線2的右方，（當然是不可能實現(xiàn)的）。因此，除了外，汽車的后備功率也比較小，即汽車的動力性比主傳動比為時要差。不過，發(fā)動機功率利用率高，燃油經濟性較好。當主傳動比為時，發(fā)動機功率曲線3在曲線2的左方。此時雖然,但汽車的后備功率卻有較大增加，即動力性有其加強的一面，但是燃油經濟性較差。最小傳動比選擇的趨勢過去，多數(shù)汽車將最小傳動比選擇得使，或稍小于。近年來，為了提高燃油經濟性，出現(xiàn)了減小最小傳動比的趨勢，即令稍大于。如：有的裝有5擋變速器的轎車，第Ⅴ擋的（汽車）最高車速與第Ⅳ擋的最高車速很接近（如第一章圖1-23中一緊湊型轎車算例所示）；而有的轎車第Ⅴ擋的最高車速甚至稍低于第Ⅳ擋的（汽車）最高車速。,根據(jù)1997年《Autocar》與《Car&Driver》雜志中的數(shù)據(jù)，在最小傳動比(變速器為最高擋)時，轎車的值0.9～1.10的約占74％1.1～1.39的約占5.5％0.7～0.9的約占17.5％的0.5～0.70的約占3％,最小傳動比還受到駕駛性能的限制。駕駛性能：（是包括平穩(wěn)性在內的加速性）系指動力裝置的轉矩響應、噪聲和振動。它只能由駕駛員通過主觀評價來確定。影響駕駛性能的因素有：發(fā)動機的排量、氣缸的數(shù)目、最小傳動比或最高擋時發(fā)動機轉速與行駛車速的比值以及傳動系的剛度等。大排量、氣缸數(shù)多的發(fā)動機可以提供較大、較快、較平穩(wěn)的轉矩響。前置發(fā)動機前驅動汽車的傳動系，沒有傳動軸等部件，剛度較大，轉矩響應較后驅動好。最小傳動比或比值對轉矩響應有很大影響，例如，最小傳動比過小，發(fā)動機在重負荷下工作，加速性不好，出現(xiàn)噪聲與振動最小傳動比過大，燃油經濟性差，發(fā)動機高速運轉噪聲大。,,據(jù)ThomasR.Stocktont介紹，美國曾以1979年進口轎車與美國產轎車作回歸分析，得到了動力裝置的允許值圖(Power-TrainAcceptanceChart)，見圖3-4。利用此圖，可根據(jù)每千克(磅)車質量的發(fā)動機排量毫升值，查出允許的最小值。這對選擇轎車最小傳動比是有參考價值的。,第三節(jié)最大傳動比的選擇,要考慮三方面的問題：最大爬坡度、附著率及汽車最低穩(wěn)定車速。就普通汽車而言：當已知時，確定傳動系最大傳動比也就是確定變速器Ⅰ擋傳動比。汽車爬大坡時車速很低，可忽略空氣阻力，汽車的最大驅動力應為一般貨車的最大爬坡度約為30％。,在設計越野汽車傳動系時，為了避免在松軟地面上行駛時土壤受沖擊剪切破壞而損害地面附著力，保證汽車能在極低車速下穩(wěn)定行駛若最低穩(wěn)定車速為，則傳動系最大傳動比為：轎車也應具有爬上30％坡道的能力。實際上轎車的最大爬坡能力常大于30％，其最大傳動比是根據(jù)其加速能力來確定的?？蓞⒖纪坏燃壍霓I車選擇最大傳動比。[請勿忘記]最大傳動比確定后，還應計算驅動輪的附著率，檢查附著條件是否滿足上坡或加速的要求。必要時，只能從汽車總體布置和結構著手，改善汽車的附著能力。,第四節(jié)傳動系檔數(shù)與各檔傳動比的選擇,一、傳動系檔位數(shù)的選擇不同類型的汽車具有不同的傳動系擋位數(shù)。其原因在于它們的使用條件不同，對整車性能要求不同，汽車本身的功率不同。傳動系的擋位數(shù)與汽車的動力性、燃油經濟性的關系：就動力性而言，擋位數(shù)多，增加了發(fā)動機發(fā)揮最大功率附近高功率的機會，提高了，汽車的加速與爬坡能力。就燃油經濟性而言，擋位數(shù)多，增加了發(fā)動機在低燃油消耗率區(qū)工作的可能性，降低了油耗。所以增加擋位數(shù)會改善汽車的動力性和燃油經濟性。擋數(shù)多少還影響到擋與擋之間的傳動比比值。比值過大會造成換擋困難。一般認為比值不宜大于1.7-1.8因此，比值越大，擋位數(shù)也應越多。轎車的行駛車速高，比功率大，最高擋的后備功率也大，即相對而言最高擋的驅動力與Ⅰ擋驅動力間的范圍小，即小。因此，過去美國的轎車，常用3擋變速器；而注重節(jié)約燃油的國家，如歐洲各國，選用發(fā)動機的排量較小，則用4擋變速器。近年來，為了進一步節(jié)省燃油，裝用手動變速器的轎車普遍采用5擋變速器，也有采用6擋變速器的。,,輕型貨車和中型貨車比功率小，所以一般采用5擋變速器。重型貨車的比功率更小，使用條件也更復雜，如礦山用重型汽車，行駛道路變化很大。重型牽引車要拖帶掛車，有時要求有很大的驅動力。重型車輛發(fā)動機工作時間長，油耗量大，且本身自重很大，增加擋位數(shù)不會過多地增加汽車的制造成本，所以一般采用6擋至十幾個擋的變速器，以適應復雜的使用條件，使汽車具有足夠的動力性與良好的燃油經濟性。越野汽車遇到的使用條件最復雜，還要經常牽引火炮或掛車，所以的比值很大，其傳動系的擋位數(shù)較同噸位的普通貨車常多一倍左右。在變速器中，擋位數(shù)超過五個(指前進擋)會使結構大為復雜，同時操縱機構也相應復雜。為此，常在變速器后接上一個2擋或3擋位的副變速器。越野汽車因要求多軸驅動，故采用分動器。在選定汽車的最小傳動比、最大傳動比及傳動系的擋位數(shù)后，應當確定中間各擋的傳動比。,二、中間各檔傳動比的確定實際上，汽車傳動系各擋的傳動比大體上是按等比級數(shù)分配的。如CA72205擋變速器傳動比與相鄰兩擋的比值為彼此相差不大，但。而有的汽車，如轎車SH760和一些擋位很多的貨車變速器，則完全按等比級數(shù)分配。所以一般汽車各擋傳動比大致符合如下關系式中，q為常數(shù)，也就是各擋之間的公比。因此，各擋的傳動比為,若為5擋變速器，且，則各擋傳動比與q便有如下關系：或所以各擋傳動比與Ⅰ擋傳動比的關系為：,三、用等比級數(shù)的辦法來分配變速器各擋傳動比的目的1.離合器才能平順無沖擊地接合圖3-5中繪有發(fā)動機的外特性，再根據(jù)公式畫出每個擋位的車速與發(fā)動機轉速的關系曲線。駕駛員用Ⅰ擋起步，隨著發(fā)動機轉速的提高，汽車的行駛速度也隨之增加。當發(fā)動機轉速達到時，駕駛員開始換擋，若設換擋過程中車速沒有降低，則換上Ⅱ擋時，發(fā)動機轉速應降到，離合器才能平順無沖擊地接合。Ⅰ擋時發(fā)動機轉速升到n2時所對應的車速為換上Ⅱ擋時，發(fā)動機轉速降至，相應的車速仍應等于，即故離合器才能無沖擊地接合。,,若在Ⅱ擋時，發(fā)動機轉速升到換Ⅲ擋，則應把發(fā)動機轉速降到才能無沖擊地接合離合器，即同樣有，由于各擋傳動比是按等比級數(shù)分配的，即可見，若每次發(fā)動機都是提高到轉速換擋，只要發(fā)動機都降到同一低轉速離合器就能無沖擊地接合。就是說，換擋過程中，發(fā)動機總在同一轉速范圍內工作。這樣，駕駛員在起步加速時操作就方便得多了。,,,2.按等比級數(shù)分配傳動比的主要目的還在于充分利用發(fā)動機提供的功率，提高汽車的動力性。（如當汽車需要大功率（如全力加速或上坡）時，若檔位選擇恰當，具有按等比級數(shù)分配傳動比的變速器，能使發(fā)動機經常在接近外特性最大功率處的大功率范圍內運轉，從而增加了汽車的后備功率，提高了汽車的加速或上坡能力）下面比較三種不同傳動比分配的3擋變速器在加速過程中發(fā)動機功率發(fā)揮的程度，以說明傳動比分配規(guī)律對汽車后備功率的影響。第一個方案是按等比級數(shù)分配傳動比的變速器；即；另兩個方案是及。且假定為了充分利用發(fā)動機功率，加速過程中節(jié)氣門全開，各擋均用到發(fā)動機的最高轉速才換擋,,如圖3-6所示，三種方案在Ⅰ擋時，發(fā)動機工作區(qū)域相同。但在Ⅱ擋和Ⅲ擋時，由于發(fā)動機在換擋時的起始轉速不同，其功率曲線覆蓋的面積也不同。第二個方案，即的方案，在使用Ⅱ擋時，利用發(fā)動機功率的范圍少掉了轉速間的區(qū)域（圖中水平陰影線）雖然在Ⅲ擋時與第一個方案相比較，汽車多得了間的利用功率區(qū)域（圖中水平陰影線），但得失相比，得到的是較小的功率區(qū)域乙而失去的是較大功率區(qū)域。同理，第三個方案，即的方案也有同樣情況，不過得到功率區(qū)域與失去功率區(qū)域的擋位不同。因此，按第一個方案，即按等比級數(shù)分配傳動比的方案,可以在汽車需要大功率時，較好地利用發(fā)動機特性曲線功率比較大的一段來增加汽車的后備功率，提高汽車的加速或上坡能力。,,3.按等比級數(shù)分配傳動比的(主)變速器，還便于和副變速器結合構成更多擋位的變速器。例如一具有5擋位的主變速器，各擋間的公比為，其傳動比序列為。若結合一后置兩擋副(減速)變速器，其傳動比為1、q，便可構成一具有10擋位的變速器，各擋間的公比為q，其傳動比序列為實際上，對于擋位較少(如5擋以下)的變速器，并不是正好按等比級數(shù)來分配傳動比的。這主要是考慮到各擋利用率差別很大的緣故。汽車主要是用較高擋位行駛的，例如中型貨車5擋變速器中的1、2、3三個擋位的總利用率僅為10％-15％，所以較高擋位相鄰兩擋間的傳動比的間隔應小些，特別是最高擋與次高擋之間更應小些。因此，實際上各擋傳動比常按下面的關系分布:,M．米奇克在其所著的《汽車動力學》一書中給出了轎車(1975年—1979年生產)5擋手動變速器最高擋傳動比以及各擋傳動比的比值隨轎車最高車速的變化情況，參看圖3-7。根據(jù)1997年《Autoear》雜志中的數(shù)據(jù)，圖上還標出一些轎車相應的數(shù)值，可以參考此圖確定轎車變速器中間各擋的傳動比。,第五節(jié)利用燃油經濟性-加速時間曲線確定動力裝置參數(shù),初步選擇參數(shù)之后，可擬定供選用參數(shù)數(shù)值的范圍，進一步具體分析、計算不同參數(shù)匹配下汽車的燃油經濟性與動力性，然后綜合考慮各方面因素，最終確定動力裝置的參數(shù)。通常以循環(huán)工況油耗Q(L/100KM)代表燃油經濟性，以原地起步加速時間代表動力性，作出不同參數(shù)匹配下的燃油經濟性-加速時間曲線（C曲線），并根據(jù)此曲線確定動力裝置參數(shù)。下面舉數(shù)例加以說明。,一、主減速器傳動比的確定如圖3-8所示的，不同時的燃油經濟性-加速時間曲線。曲線表明，值較大時，加速時間較短但燃油經濟性下降；值較小時，加速時間延長但燃油經濟性改善。若選定2.6作為主減器傳動比，則能兼顧汽車的燃油經濟性與動力性。若以動力性為主要目標，則可選用較大的值；若以燃油經濟性為主要目標，可選較小的值。,二.變速器與主減速器傳動比的確定在不改變發(fā)動機的條件下，可利用C曲線選一合適的變速器和一合適的主減速器傳動比。圖3-9a是3擋變速器與4擋變速器的C曲線。圖3-9b是4擋變速器與5擋變速器的C曲線。圖3-9c是裝用三種不同傳動比的5擋變速器A、B、C時汽車的C曲線?？梢愿鶕?jù)設計汽車的主要目標選用其中的一個，并根據(jù)其C曲線確定主傳動比。圖3-9c上還畫出了三條C曲線的包絡線，稱為“最佳燃油經濟性—動力性曲線”。它表示三種5擋變速器與不同傳動比主減速器匹配時，在一定加速時間的要求下燃油經濟性的極限值。,圖3-10a是TJ-645客車裝用兩種不同傳動比的5擋變速器與不同傳動比主減速器時的C曲線?？梢钥闯?，以變速器Ⅱ和主減速器傳動比為8.6時的匹配關系得到的燃油經濟性與動力性最佳。圖3-10b是CAl41貨車裝用三種不同變速器時的燃油經濟性—1km加速末速度曲線。它是以0—1000m連續(xù)換擋加速的末速度作為動力性評價指標的?？梢钥闯?，裝用帶超速擋的或最高擋為直接擋的6擋變速器，燃油經濟性都比用5擋變速器時有所改善。如果驅動橋的傳動比采用5.897，則裝用最高擋為直接擋的6擋變速器時，不但燃油消耗量可減小1.08L/100km（3.6％），而且0-1000m連續(xù)換擋加速的末速度也可以增加0.58km/h（0.7％）。,三、發(fā)動機、變速器與主減速器傳動比的確定圖3-11a是一輛轎車在同一變速器條件下，選用三種不同排量發(fā)動機時的燃油經濟性-加速時間曲線。若要求的加速時間為13.5s，則只能選用大或中排量發(fā)動機。因為中排量發(fā)動機的燃油經濟性較好，所以應當選用中排量發(fā)動機，然后利用中排量發(fā)動機的C曲線確定最佳主減速器傳動比。,為了便于進行不同變速器的選定，圖3-lla上還畫出一條三種不同排量發(fā)動機C曲線的包絡線，也稱作“最佳燃油經濟性和動力性曲線”。它表明該轎車裝用一種變速器、裝用不同排量發(fā)動機與匹配不同主減速器傳動比時，一定加速時間的動力性要求下所能達到的燃油經濟性的極限值。圖3-llb上畫出了該轎車裝用三種具有不同傳動比的4擋變速器時的“最佳燃油經濟性和動力性曲線”?？梢钥闯?，在加速時間要求為13.5s的條件下，C型變速器的燃油經濟性最好，比A型提高4.4％。圖3-llc是3擋自動液力變速器與在第三擋能鎖止的3擋自動液力變速器的“最佳燃油經濟性和動力性曲線?！狈治霰砻?，在加速時間要求為13.5s的條件下，具有第三擋能鎖止的自動液力變速器的燃油經濟性可提高6.7％。上述用燃油經濟性—加速時間曲線來確定動力裝置參數(shù)的方法，是一種經常采用的方法。,ThomasR．Stockton曾給出了一輛質量為795.5kg、裝有5擋變速器的轎車，利用燃油經濟性-加速時間曲線來確定發(fā)動機排量(相當于功率)與主減速器傳動比的例子，參看圖3-12。圖上繪出了裝用不同排量發(fā)動機(0.8～1.6L)與匹配不同主減速器傳動比[值由18.6～36.7即由30～59]時的EPA城市、公路綜合燃油經濟性(km/L或mile/gal)與0-96.6km/h(0-60mile/h)加速時間曲線。圖3-12上還有：1)1擋能克服30％坡度所要求的最小值曲線。2)第4擋在88.5km/h與96.6km/h車速行駛時，能克服3％坡度的最小值曲線。3)駕駛性能要求的最小值曲線。,分析了圖中的曲線后可知，當加速時間定為13s以內時，以1.2L排量發(fā)動機匹配與=20.5相應的主減速器傳動比為好。此時，每升燃油可行駛26km。不過，這種匹配不能滿足駕駛性能的要求。對于1.2L發(fā)動機，允許的值為26.7，相應的加速時間為12.3s，但每升燃油只能行駛23.48km。綜合衡量得失，不如選取1.5L排量的發(fā)動機，值為21.5，此時加速時間縮短到9.7s，每升燃油能行駛23.73km。,,