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发动机与汽车 整车性能匹配,吉林大学汽车学院 2004.5,一、概述,1。目的： 使发动机的性能和整车性能达到最佳 或合理选用发动机，保证汽车性能最佳 汽车性能：动力性、经济性； 排放特性 舒适性 安全性 操安性等 上述性能与动力源、传动系、悬挂等直接有关 所以，需合理选配各系统的技术参数。,2。汽车动力传递的途径：,发动机离合器变速器传动轴主减速器差速器半轴轮胎。 发动机：性能：速度特性，万有特性 类型：汽油机、柴油机、CNG、LPG EV、HV 、FCV、H2等 发动机性能适用范围取决于传动系 传动系：根据汽车行驶要求选择发动机的性能； 正确传递动力。所以，要求 离合器：有足够的扭矩容量Tc，或后备系数。,离合器的类型：,摩擦片式,液力式,电磁式,：铁粉末摩擦系数 B：磁束密度 D:直径，L：宽度,变速器：足够的变速范围挡位数及速比。 在发动机万有特性上有选择的余地。 实际上受结构的限制。 类型：有极变速器MT、AT 无极变速器CVT,牵引油膜CVT,传动轴：万向节 主减速器： FR型伞形齿轮 FF型螺旋齿轮 主减速比：扭矩放大效果； 尺寸紧凑 差速器：,二、整车性能参数选择的内容,1。发动机的选择 2。变速器及速比的选择 3。主减速比的选择 4。轮胎的选择,1。发动机的选择,发动机的类型： 排放法规的要求， 经济性/动力性要求， 社会市场的要求 发动机的功率的选择： 根据汽车行驶原理，总阻力：,汽车最高车速要求，按下式选择发动机的功率。即,i,t,大,最高车速,直接档最大爬坡能力,最大爬,坡能力,II,I,F,f,i,t,小,IV,i,t,大,直接档最大爬坡能力,最大爬,坡能力,III,II,I,F,f,i,t,小,0,=,q,0,=,q,max,q,max,q,vaM,后备功率,2。传动系参数的选择,1）最小传动比：最高挡=直接挡时， 最小传动比为： 最高挡=超速挡时， 最小传动比为：,在选择最高挡时，主要考虑以下几方面因数： a）应考虑汽车最高挡的爬坡能力和加速能力。即具有足够的最高挡最大动力因数。即 ：最高挡时发动机最大输出扭矩点的 转速nM 所对应的车速。,b）从传动装置和发动机性能合理匹配角度确定最高变速比，由道路情况选定io和r后；使最高挡行驶于平路时的牵引功率曲线与发动机外特性曲线相交于最大功率点。即,2）最大传动比的选择,最大传动比=最低挡iI： 确定iI时主要考虑： 汽车最大爬坡度； 附着力； 汽车最低稳定车速。 一般最大传动比：,最大传动比的确定方法有以下三种： a）根据最大爬坡度确定一挡速比： 汽车爬坡行驶时，车速不高，故忽略空气阻力，则最大牵引力为 又因为：,所以， 即 其中， ：最大道路阻力系数,b）根据驱动轮的附着力确定一挡速比,汽车行驶时为了使驱动轮不打滑，必须使驱动力小于或等于驱动轮与路面之间的附着力。即 =0.50.6 ：道路附着系数， N:驱动轮垂直（法向）反力。 h：汽车满载时质心高度,:后轮驱动时: a、b：车质心到前后轴距 前轮驱动时: L：汽车前后轮轴距 全轮驱动时:,由此确定的第1挡速比为 c）根据最低稳定车速确定第一挡速 比 对于越野车为了保证在松软路面上的地面附着力，需保证汽车能在极低车速下稳定行驶。 设最低车速为vamin ，则第一挡传动比为,r ：车轮滚动半径； nmin：发动机最低转速； ：动力分配装置的低挡传动比。 由上述三个条件所确定的第一挡传动比不相等时，取其中最小值。,3）各挡传动比的确定 最高挡和最低挡确定之后，一般，相邻挡之间按几何级数公比变化。即 式中， ： 为几何公比， k：变速器的挡数 但这种几何级数公比法并不代表最佳的挡位分配,3、主减速比的确定,单级主减速器：传动比过大，影响通过性。过小扭矩放大倍数不够，变速器负担重。 一般， 双级主减速器：提高传动比,i0的选定：a. 动力性和经济性的要求； b. 相啮合齿轮的齿数间没有公约数，保证主、从动齿轮的各齿之间都能啮合，起到自动磨合的作用； c. 大小齿轮齿数和大于40,以保证重合系数和高的轮齿抗弯强度。 对轿车，小齿轮齿数不小于9； 对于货车，不小于6。,4。轮胎的选择,轮胎直径对汽车行驶特性有直接影响。 但是在选择轮胎时，主要考虑轮胎的负荷系数。即, 轮胎承受的最大静负荷与额定负荷之比。 轮胎负荷系数为0.91.0范围之内，高速取下限，车速低时取偏大一些，但不能大于1.2。 轮胎与路面摩擦系数轮胎花纹 还要考虑操纵稳定性和行驶平顺性以及总体布置和性能核算等。,三、整车性能匹配,汽车不同行驶条件所要求的驱动力不同，宽 一般，只靠发动机不能获得汽车行驶所需要的足够的驱动力。 所以，采用变速器，以增大驱动扭矩，但若选择过大的变速比，导致油耗及噪声等增加,往复式发动机低速扭矩偏小，需通过变速多段化提高扭矩，以满足理想驱动力曲线的要求； 一般加速性好时油耗差，反之油耗好的变速比其加速性能就差。 措施：变速比多段化即要求发动机性能和变速比最佳匹配。,1。发动机性能与汽车性能之间的关系,1) 发动机转速与车速、传动比之间的关系： 2) 车速va、牵引力Pk与所需发动机功率Pe之间的关系： 3) 汽车百公里油耗：,4）牵引力： 车轮驱动扭矩： 则，牵引力： 5）传动效率及传动损失 传动效率的定义： PT：传动系的功率损失。 齿轮速比越大，转速越高，传动效率越低。,6）发动机转速和车速关系： km/h 7) 汽车行驶时所需要的牵引力pk 由汽车理论 爬坡时牵引力： 加速能力： 最高车速：加速度为零，坡度为零，所以，,牵引力和车速是沟通汽车运行参数与发动机工况的“桥梁”。 即，以Pkva或Pkn关系为基础。,2。发动机的（等油耗）万有特性,1）万有特性的制取： 2）万有特性的分析： a）最经济区：指各种不同功率Pe下的最低油耗线， 即，令 时的油耗 称为100%,沿各等功率线求出110% 线，则称 范围为经济区。 b）油耗率曲线的疏密： 稀疏区：表示随工况油耗率变化小; 利于运输动力或变工况机械工作。一般高速区ge曲线稀疏，表示转速的提高有潜力。 密集区：表示随工况油耗率变化大，表明燃料系统的调节对这些地区敏感，单纯增加供油量，可能使油耗剧增，排气温度及排烟也增加，但平均有效指示压力增加微小。,c）等油耗曲线形状： 纵向长：适应于负荷变化大，而转速变化小的工况；如工程机械用发动机 横向长：适应于负荷变化小，而转速变化大的工况。车用发动机要求：最经济区在中间转速位置，沿横向（转速方向）长一些；,3。汽车万有特性,1确定发动机的工作状态： 2经济区及等百公里油耗线： 3牵引功率曲线：不同挡位下根据汽车道路阻力曲线转化而求得。 4车速曲线： 5汽车万有特性，直观看出节油效果，和底盘参数的匹配情况。,3、匹配方法,常用的挡位 常用的车速,根据所设计汽车的使用条件确定,1）确定常用汽车工况、挡位、发动机工况：,根据汽车经常使用条件，换算发动机的经常使用工况范围。,2）根据上述参数关系进行匹配计算，绘制汽车万有特性，并分析评价、提出改进方案,方案1 后桥速比4.8， 变速箱型号9JS150 方案2 后桥速比5.73， 变速箱型号9JS150 方案3 后桥速比5.73， 变速箱RT11509C,例：不同改进方案比较,3）经济性匹配的基本原则：,（1） 超速挡或直接挡的常用道路阻力曲线尽量接近100%gemin曲线： 措施：可适当减小主减速比io， 略加大轮胎半径r 也可以改善经济性； （2） 车速一定时，尽可能用高档，有利于改善经济性；高挡不能满足行驶条件时，才换入抵挡。,改善整车经济性的途径,由百公里油耗： 当车轮半径r 和主减速比i0一定时， 即 时， 并不最佳。 所以，要求从设计和使用两方面考虑。 当发动机比油耗一定时：,a.发动机 要求发动机万有特性的低油耗区（经济区）位于常用排挡、常用车速区。 为此选择发动机时，对其特性提出具体的要求； 或改善发动机特性曲线，以适应汽车的使用要求。,4）发动机万有特性的改进,(1)可变进气管,压力脉动增压系统ACIS,可变惯性增压系统VICS（Variable Inertia Charging System）,利用进气过程中各歧观之间的反射波原理进行惯性增压的。 特点是进气歧管之间采用连接通道，并用控制阀来控制。,VICS的原理,流线动力型AD（Aero-dynamic）,在气体流动过程中提高流速，以增加进气流动惯性。 低速时保证一定进气流速，改善低中速充气效率。,进气门控制式TICS,副进气道则负责形成进气涡流。,(2)可变配气相位的控制,1）MIVEC（Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control） 结构,T,(a),结,构,工作原理,MIVEC配气相位及气门升程特性,MIVEC的控制效果,MIVEC的 MD（Modulated Displacement） 控制 功能,减小机械损失约44%， 热效率可提高17%左右。,连续可变配气相位 VVTi （Variable Valve Timing-intelligent）,控制效果,(3) 增压系统,增压系统分类： 四大类：废气涡轮增压系统、 机械式增压系统 复合（混合）式增压系统 多级增压,特点,废气涡轮增压：紧凑、体积小，便于安装。 缺点：响应特性差，时间滞后 机械式增压：曲轴通过齿轮或传动带来驱动，压气机转速与发动机转速成比例； 所以，响应特性比较好。缺点：随着转速的增加驱动损失增大，而且效率降低。,多级增压：小型增压机器和大型增压 器复合用，并联、串联 小型：用于低速低负荷； 大型：高速大负荷,并列型,直列型,复合增压：将两种增压方式混合的结构形式。,机械式增压器的类型,弥勒循环（汽油机）,弥勒循环+ 耦合螺旋式压气机,废气涡轮增压的效果,面径比对性能的影响,面径比：= A/R,面径比A/R,面经比的概念,可变截面增压器（VGS）,VNT&VGS,b. 挡位 在道路条件和车速相同条件下，挡位越低，后备功率越大，be和g100 越大；挡位越高，则相反； 增加挡位，可增加选用适当挡位的机会，有利于提高整车燃油经济性。 所以，发展趋势： 轿车手动变速基本采用5挡； 重型货车1016个挡位,c. 行车速度 一般汽车中速行驶时，g100 最低；高速时随车速的增加，行驶阻力增加，g100迅速增加。 车速过低，汽车使用效率等低; 所以, 比较理想的经济车速为使 最小。该车速称为实用车速。,5换挡规律,1）换挡规律：单参数换挡规律、两参数换挡规律和多参数换挡规律三种类型。 单参数换挡规律：用相对稳定的车速作为控制参数。 升挡、降挡曲线分开，在往返挡之间设有回差称之为换挡重叠或换挡延迟，目的:是换入新挡后不会因油门踏板或车速的微小变化而回到原挡。,缺点：单参数换挡规律司机不能干预换挡，噪声大，难于兼顾动力性和经济性的要求，故目前应用较少。 两参数换挡规律：车速和油门开度（或进气管压力），或泵轮转速和涡轮转速作为控制参数。与单参数换挡规律同样，以稳定行驶工况确定其换挡规律。 三参数的换挡规律：根据车辆运行的非稳定工况可引入加速度参数，这样形成油门开度、车速、加速度三参数的换挡规律。,换挡规律的确定：以相邻两挡在换挡过程中各油门下的加速度和车速关系，牵引力和车速关系，以及油耗和车速关系为基础而确定。 动力性最佳换挡规律：是在同一油门开度下根据相邻两挡牵引力曲线的相交点所对应的速度来确定换挡点，即在某一确定的油门开度下，在原挡位行驶速度达到设定车速时就要换挡，保证牵引力最大。,经济性最佳换挡规律：是根据相邻两挡不同油门开度下油耗曲线相交的点作为换挡点而求出的换挡规律。这样保证在油耗最小的挡位下行驶。,2）变速比的最佳控制,齿轮式有极变速器MT或AT的变速比固定不变，不能达到最佳变速比的控制。只能尽可能接近经济区。 CVT是可任意选择变速比，所以可使变速比最佳化（最低油耗点工作）。 由汽车万有特性，对应最经济区的最佳变速比是一定的。当确定对应最低油耗的最佳变速比时，首先由车速传感器，求出车速及其运行工况。当车速从vA变化到vB时其加速度为,为了保证此加速度所必需的牵引力可表示为 这里， ：惯性重量系数， ：空气阻力系数， A：汽车正面投影面积。,3变速速度的最佳控制 采用CVT时的车辆控制模型，由能量守恒定律，有 Te ：发动机输出扭矩， TLCVT ：CVT部分的损失扭矩， TLR ：行驶阻力 ：发动机角速度， ：车轴角速度， Ie：发动机的转动惯量，,IB：换算到车辆轴上的车辆转动惯量， 即发动机克服自身转动惯量和CVT内部摩擦损失所传递的有效扭矩，全部用来克服汽车转动惯量和行驶阻力。 这里， ，即 。 由上式可求出车辆行驶加速度的代表值，即,变速比的控制方法：一般采用由油门开度和车速设定发动机转速的方法。下图表示以油门开度为变量参数的发动机转速和车速之间的关系。 A、B线分别表示CVT系统的最大和最小变速比，C点表示发动机和CVT系统匹配时，从控制上所受制约的最低发动机转速。,四、整车性能预测,等速百公里油耗： 等加速工况燃油消耗量： 等减速燃油消耗量；此时，油门松开，E/G强制怠速状态 怠速停车燃油消耗量； 整个循环工况的百公里燃油消耗量：,汽车的牵引力可简化为两部分：由滑行特性得到滚动阻力和空气阻力之和，和加速阻力。,第二节 制动力学原理及其特性,一、轮胎与路面间的制动力 设车轮轮胎的滑动率为： V：车速； ：车轮角速度； r：轮胎半径。如图 摩擦系数实际上代表制动力。 S增加,开始 随S 增加； 但 后,随S的增加, 反而逐渐降低。即 此时，靠制动踏板很难控制车轮的S，车轮易锁死。 车轮的侧向力F，随着车轮滑动率S的增加而减小，当车轮被锁死时，侧向力F趋于零。,图,车轮与路面之间的摩擦特性,滑动率,s,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,路面摩擦系数、侧向力,二、制动力与减速度、停止距离的关系,设汽车直线行驶时，汽车前后方向力的平衡关系 （6-2） ：作用于前轮上的制动力， ：后轮上的制动力为， a：减速度，m：车的质量。 当汽车减速时的初速度为V0，则减速度与停车距离D关系为， （6-3） 当a一定时，由运动学理论，有,第三节 制动性能的控制,目的：回避事故的发生 类型：前后轮制动力分配控制 防抱死控制， 牵引力控制、 车辆稳定控制、 制动力支援系统等,