第3章 汽车动力装置参数的选定

第3章发动机功率的选择和传动系传动比的确定学习目标通过本章的学习，要求掌握选择发动机功率和传动系档位数和传动比的方法。汽车发动机的功率和传动系传动比对汽车的动力性与燃油经济性有很大影响。在确定这些参数时，必须充分考虑到满足这两个基本性能的要求。此外，还要注意到满足驾驶性的要求。3.1节发动机功率的选择通常设计中常先从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机的功率。最高车速虽然只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和爬坡能力。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。如果给出了期望的最高车速，则选择的发动机功率应不小于以最高车速行驶时阻力功率之和，即3maxmax7614036001aDTeuACuGfP（3-1）在给定m、DC、A、f、T这些值后，便能求出应有功率eP的数值。在实际工作中，还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，比功率的常用单位为kW/t，汽车比功率可由下式求得：汽车比功率=3maxmax14.766.31000aTDaTeumACufgmP（3-2）各种货车的f、T及DC值大致相等且最高车速也相差不多，但总质量变化范围很大。货车最高车速为100km/h左右。一辆中型货车的比功率约为10kW/t，其中用以克服滚动阻力功率的，即式（3-2）中的第一项，约占2/5。对于各类货车上式第一项的数值大体相同。式中第二项是克服空气阻力功率的部分，它随mA/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着其总质量的增大而逐步减小。货车比功率一般在7.35kW/t（10PS/t）以上。小于2～3t的轻型货车大多是轿车的变型车，动力性能较好，比功率很大。重型自卸车最高车速低，比功率较小。因此，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。轿车行驶车速高，且不同轿车动力性能相差可以很大，现代轿车的最高车速一般在140～200km/h之间；比功率相差也比较大，一般轿车比功率在15～90kW/t之间。在德国，高速公路不限制车速，因此其轿车最高车速较高，为140～230km/h之间。很多国家甚至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。10.2节传动系最小传动比的选择汽车大部分时间以最高档行驶，也就是用最小传动比的档位行驶的，因此最小传动比的选定是很重要的。传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的乘积，即cgtiiii0式中gi——变速器的传动比；0i——主减速器的传动比；ci——分动器或副变速器的传动比。普通的汽车没有分动器或副变速器，而变速器的最小传动比为直接档或超速档。当变速器的最小传动比为直接档时，传动系的最小传动比就是主减速器的传动比0i；当变速器的最小传动比为超速档时，则传动系的最小传动比应为变速器最高档传动比与主减速器的传动比的乘积。选择主减速器传动比0i应考虑以下几点：3.2.1最高车速主减速器的传动比0i不同，汽车功率平衡图上发动机功率曲线的位置不同，与水平路面行驶阻力功率曲线的交点所确定的最高车速不同。当阻力功率曲线正好与发动机功率曲线交在其最大功率点上，此时所得的最高车速最大，Pauumax，Pu为发动机最大功率时的车速。因此，主减速器的传动比0i应选择到汽车的最高车速相当于发动机最大功率时的车速，这时最高车速最大。3.2.2汽车的后备功率主减速器的传动比0i不同，汽车的后备功率也不同。0i增大，发动机功率曲线左移，汽车的后备功率增大，动力性加强，但燃油经济性较差。0i减小，发动机功率曲线右移，汽车的后备功率较小，但发动机功率利用率高，燃油经济性较好。3.2.3驾驶性能最小传动比还受到驾驶性能的影响。驾驶性能是指动力装置的转矩响应、噪声和振动。驾驶性能与喘振、加速不畅、怠速不稳、回火、爆震及放炮等现象有关。这些现象出现越少，驾驶性能越好。驾驶性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排量、气缸数目、传动系刚度以及传动系最小传动比等。最小传动比对转矩响应有较大的影响。最小传动比如果过小，则发动机要在重负荷下工作，加速性能差，会出现噪声和振动。如果最小传动比过大，会使燃油经济性变差，发动机高速运转时噪声也比较大。3.2.4燃油经济性选择最小传动比时，不但要考虑动力性，也要考虑燃油经济性。选择最小传动比时，通常使Pauumax；为了保证有足够的后备功率，增大最小传动比，Pu可稍小于maxau；为了提高燃油经济性，减小最小传动比，使Pu稍大于maxau。据统计，约60%的轿车Pauu/max值在0.9～1.1之间，在0.7～0.9之间的约占30%，其余约10%在1.1～1.39之间。最小传动比也可由最高档动力因数max0D来确定。GuACriTDatDTtq20maxmax015.21式中G——汽车总质量的重力[N]；atu——最高档时发动机发出最大转矩时的汽车车速[/km/h]。一般推荐最高档动力因数，中型货车max0D≈0.04～0.08，中级轿车max0D≈0.1～0.15。10.3节传动系最大传动比的选择传动系最大传动比maxti，对普通汽车来说，为变速器Ⅰ档传动比1gi与主减速器传动比0i之乘积。确定传动系最大传动比就是确定变速器Ⅰ档传动比1gi与主减速器传动比0i。确定最大传动比时，主要考虑三方面的因素，即最大爬坡度、附着条件和汽车的最低稳定车速。3.3.1最大爬坡度汽车爬坡时车速低，可不计空气阻力，汽车的最大驱动力应能克服最大爬坡度，为maxmaxiftFFF即maxmax01maxsincosGGfriiTTgtqⅠ档传动比1gi应为TtqgiTrfGi0maxmaxmax1)sincos(一般货车的最大爬坡度约为30%，即max≈16.7°。轿车应具有爬上30%以上坡道的能力。3.3.2附着条件确定最大传动比后应验证是否满足附着条件FriiTFTgtqt01maxmax验算时，可取附着系数=0.5～0.6。3.3.3最低稳定车速对于越野汽车传动系，最大传动比maxti应保证汽车能在极低车速下稳定行驶。这样可以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。最大传动比maxti应为minminmax377.0aturni式中minau——最低稳定车速。此外，轿车的最大传动比是根据加速能力的要求来确定的，可参考同等级的轿车来选择。10.4节传动系档位数与各挡传动比的选择3.4.1传动系档位数的选择汽车的动力性、燃油经济性和汽车传动系的档位数有着密切的关系。档位数多，使发动机发挥最大功率的机会增多，提高了汽车的加速能力和爬坡能力。同时，档位数多，使发动机在低燃油消耗区工作的可能性增加，降低了油耗。因此，传动系档位数的增加会改善汽车的动力性和燃油经济性。档位数还取决于最大传动比与最小传动比之间的比值，因为档与档之间的传动比比值不能过大，比值过大会造成换档困难。一般比值不大于1.7～1.8。因此，最大传动比与最小传动比的比值增大，档位数也应增多。汽车类型不同，档位数也不同。轿车车速高、比功率大，高档的后备功率大，原常采用三、四个档位，近年来，为进一步节省燃油，装用手动变速器的轿车多已采用5档变速器。中小型货车比功率小，一般采用四、五个档位。重型货车的比功率更小，使用条件也很复杂，所以一般采用六到十几个档位，以适应复杂的使用条件，使汽车有足够的动力性和良好的燃油经济性。越野汽车的使用条件最复杂，其传动系的档位数比同吨位的普通货车要多一倍。档位数增多，会使变速器结构复杂。有的档位数多的汽车，常在变速器后面接上一个副变速器，使档位数倍增。越野汽车在变速器后面采用分动器，达到多轴驱动的要求，同时使档位数倍增。在确定汽车的最小传动比、最大传动比和传动系的档位数后，还要确定中间各档的传动比。汽车变速器各档的传动比应该按等比级数分配。qiiiigggg3221式中q——常数，各档之间的公比。各档的传动比为21ggqii，32ggqii，43ggqii，……对于一个四档变速器，4gi=1，各档传动比和q有如下关系qig3，22qig，31qig则31giq所以313ggii，3212ggii。由此可以推出，n个档位的变速器，各档传动比应该是1212nnggii，1313nnggii，1414nnggii，…，11nmnggmii，…在确定了各档传动比后，还要校验相邻档位传动比的比值q，q应小于1.7～1.8，如q值过大，则应增加传动系的档位数。按等比级数分配传动比的主要目的在于充分利用发动机提供了功率，提高汽车的加速和爬坡能力，提高汽车的动力性。同时，换档时也能无冲击地平稳结合离合器，驾驶员在起步和加速时操作方便。实际上，各档传动比之间的比值不会正好相等，这主要考虑到各档的利用率不同，汽车主要用高档行驶，因此高档位相邻两档之间的传动比的间隔应小一些，特别是最高档与此高档之间更应小一些。所以，实际上各档传动比分布关系应为gngnggggiiiiii13221小结1.发动机功率的初步选择：3maxmax7614036001aDTeuACuGfP2.汽车比功率：单位汽车总质量具有的发动机功率，[kW/t]汽车比功率=3maxmax14.766.31000aTDaTeumACufgmP3.主减速器传动比0i的选择应考虑：最高车速、汽车的后备功率、驾驶性能、燃油经济性。4.确定最大传动比时应主要考虑最大爬坡度、附着条件和汽车的最低稳定车速。考虑最大爬坡度时，Ⅰ档传动比1gi应为TtqgiTrfGi0maxmaxmax1)sincos(；并验证是否满足附着条件FriiTFTgtqt01maxmax，同时maxti应保证汽车能在极低车速下稳定行驶。这时最大传动比maxti应为minminmax377.0aturni5.传动系档位数的选择：汽车的动力性、燃油经济性和汽车传动系的档位数有着密切的关系。传动系档位数的增加会改善汽车的动力性和燃油经济性。但档位数增多，会使变速器结构复杂。6.理论上汽车变速器各档的传动比应该按等比级数分配。实际上各档传动比分布关系应为gngnggggiiiiii13221复习思考题1、什么叫汽车比功率？如何利用比功率来确定发动机功率？2、选择主减速器传动比0i时，应考虑哪些问题？3、如何选取汽车变速器最大传动比？4、汽车变速器档位数取决于哪些因素？5、汽车变速器各档传动比是如何分配的？6、已知某汽车总质量为1200kg，滚动阻力系数f=0.013，传动系机械效率为T=0.85，ACD=0.702m，现要求最高车速maxau=140km/h。试求应有功率数值。