当前位置： >>
汽车理论2011
汽 车 理 论（第1 - 4 章）讲课 舒 红 重庆大学机械工程学院汽车系二零一一年九月绪 论一、汽车理论研究的内容 研究汽车行驶性能（或使用性能） 研究汽车行驶性能（或使用性能） 研究汽车所受的力与汽车运动的关系― 研究汽车所受的力与汽车运动的关系― 汽车动力学（ 汽车动力学（Vehicle Dynamics) 如何研究？ 如何研究？ 建立汽车数学模型， 建立汽车数学模型，求解得到汽车的行驶特性[ M ][ X ] = [ F ]为系统参数矩阵，包括质量、惯量、刚度、阻尼和几何尺寸等； 式中 M 为系统参数矩阵，包括质量、惯量、刚度、阻尼和几何尺寸等； 为系统变量的矢量，它可能包含几百个变量； X 为系统变量的矢量，它可能包含几百个变量； 为所有外力的矩阵。 F 为所有外力的矩阵。绪 论一、汽车理论研究的内容▲ 一般研究方法即传统方法。根据研究问题的特点，进行条件假设， 即传统方法。根据研究问题的特点，进行条件假设， 简化模型分解为局部问题，简化系统研究。对于10 20个 10简化模型分解为局部问题，简化系统研究。对于10-20个 自由度以下的系统，人工建立模型， 自由度以下的系统，人工建立模型，计算机或人工求解 还是可行的，计算结果与实测比较吻合， 还是可行的，计算结果与实测比较吻合，但对于某些非 线性工况、非线性联合工况， 线性工况、非线性联合工况，以及对复杂系统进行建模 求解是困难，需要采用现代研究方法。 求解是困难，需要采用现代研究方法。一、汽车理论研究的内容风 道路（状况、不平度，…) 道路（状况、不平度，规定的参数（车速、加减速度、 车速、加减速度、 弯道） 弯道）人―车―路系统图一、汽车理论研究的内容（一）动力性 最高车速、加速时间、 最高车速、加速时间、爬坡度 （二）燃油经济性 燃油消耗计算、评价方法、节能汽车 燃油消耗计算、评价方法、 （三）制动性 制动效能、制动稳定性、评价方法、ABS 制动效能、制动稳定性、评价方法、 （四）操纵稳定性 评价方法、轮胎模型、转向盘角阶跃输入下的稳态响应、 评价方法、轮胎模型、转向盘角阶跃输入下的稳态响应、 瞬态响应、 瞬态响应、汽车侧倾等 （五）平顺性 评价方法、路面输入模型、系统振动模型及响应、 评价方法、路面输入模型、系统振动模型及响应、系统 结构参数对振动响应的影响 （六）通过性（自学） 通过性（自学） 了解通过性评价指标及几何参数二、汽车理论在汽车工程中的作用汽车设计：1）汽车性能预测及评价 汽车设计： 2）各部件设计参数的合理匹配 汽车试验：确定实验台设计方案；制订试验方法及规范。 汽车试验：确定实验台设计方案；制订试验方法及规范。 使用部门： 使用部门：训练驾驶员三、汽车理论当前的发展1）高效节能环保汽车 HEV(Hybrid Electric Vehicle)、EV(Electric Vehicle)、 Vehicle)、 Vehicle)、 FC(Fuel Cell)、代用燃料汽车 Cell)、 2）主动控制系统 3）控制系统的集成化、智能化 控制系统的集成化、 4）汽车动力学分析软件多刚体动力学分析软件包：ADMS,DADS等 多刚体动力学分析软件包：ADMS,DADS等 汽车动力性、经济性和制动性仿真软件：CRUISE 汽车动力性、经济性和制动性仿真软件： 混合动力汽车及电动汽车仿真软件：ADVISOR 混合动力汽车及电动汽车仿真软件： 通用大型计算分析软件：MATLAB/Simulink 通用大型计算分析软件：第一章 汽车的动力性汽车在良好路面上直线行驶时， 汽车在良好路面上直线行驶时，由汽车受到的纵向 外力决定的、所能达到的平均行驶速度。 外力决定的、所能达到的平均行驶速度。 本章将介绍汽车动力性的评价指标，汽车的驱动力、 本章将介绍汽车动力性的评价指标，汽车的驱动力、 行驶阻力、动力因数、附着力等；介绍动力性指标的确 行驶阻力、动力因数、附着力等； 定方法；功率平衡等。 定方法；功率平衡等。第一章 汽车动力性第一节 汽车的动力性指标思考按照对汽车动力性的基本定义， 按照对汽车动力性的基本定义，如 何评价汽车的动力性？ 何评价汽车的动力性？从哪几方面评价 会比较全面？ 会比较全面？不同车型对动力性的要求 是否相同？ 是否相同？第一节 汽车的动力性指标1. 最高车速 uamax(Top speed)无风，满载，汽车在水平良好路面能达到的最大行驶速度。 无风，满载，汽车在水平良好路面能达到的最大行驶速度。重型货车（总质量 重型货车（总质量&14t） 90km/h ） 中型货车（总质量 ～ ） 中型货车（总质量6～14t） 100km/h 微型和轻型货车（总质量&6t） 微型和轻型货车（总质量&6t） 80 ～ 130km/h 城市铰接客车 60 ～ 90km/h 客车 125km/h 商用车的速度相对较低， 商用车的速度相对较低，其主要技术 参数是载质量或载客量。 参数是载质量或载客量。第一节 汽车的动力性指标普及（紧凑） 普及（紧凑）型轿车 微型（经济型） 微型（经济型）轿车 （发动排量/L≤1.0 ） 发动排量/L≤1.0 奥拓 0.8 吉利 1.0 夏利 1.0 奇瑞QQ 0.8 奇瑞 120km/h 120km/h 137km/h 130km/h 1.6） （1.0＜发动排量/L ≤ 1.6） 1.0＜发动排量/L 155km/h 吉利 1.3 165km/h 夏利 1.3 168km/h 羚羊 1.3 西耶那 1.5 168km/h 165km/h 赛欧 1.6 172km/h 波罗 1.4 180km/h 富康 1.6 170km/h 捷达 1.6 飞度 1.3手动 手动 165km/h 160km/h 飞度 1.3CVT 180km/h 飞度 1.5手动 手动 175km/h 飞度 1.5CVT从这组数据能获 取什么信息？ 取什么信息？第一节 汽车的动力性指标中级轿车（1.6＜发动机排量 ＜发动机排量/L≤2.5） ）中高级轿车2.5＜发动机排量/L≤4.0 2.5＜发动机排量/L≤4.0普桑 1.8 桑塔纳 桑塔纳 宝来 1.8手动 手动 宝来 1.8T手动 手动 宝马318i 宝马 蒙迪欧 2.0 本田雅阁 2.0 本田雅阁 2.4 奥迪A4 1.8T 奥迪 奥迪A4 2.0 奥迪150km/h 185km/h 206km/h 221km/h 214km/h 205km/h 197km/h 219km/h 220km/h 230km/h凯迪拉克赛威 2.8 奥迪A6L 奥迪A6L 2.8 宝马530i 宝马530i 奔驰E 奔驰E 280201km/h 235km/h 250km/h 250km/h高级轿车 红旗CA7460 红旗CA7460 奔驰S600(5.8L) 奔驰S600(5.8L) 宝马760 宝马760 宾利雅致(6.8L 宾利雅致(6.8L ) 迈巴赫(5.5L 迈巴赫(5.5L ) 劳斯莱斯幻影(6.7L 劳斯莱斯幻影(6.7L )185km/h 250km/h 250km/h 270km/h 250km/h 240km/h第一节 汽车的动力性指标跑车的最高车速第一节 汽车的动力性指标SUV的最高车速 的最高车速 宝马X5(4.4L) 宝马 陆虎览胜(4.0L) 陆虎览胜 宝马X5(3.0L) 宝马 大众途锐(3.0L) 大众途锐 捍马H2(6.0L) 捍马 230km/h 210km/h 202km/h 197km/h 180km/h思 考汽车的最高车速这么 高，在高速公路上可 以得到充分发挥吗？ 以得到充分发挥吗？帕杰罗速跑(3.0L) 175km/h 帕杰罗速跑中国高速公路允许的最高车速 中国高速公路允许的最高车速 允许 120km/h 德国高速公路不限速第一节 汽车的动力性指标思 考通过以上数据的对比分析，能得到一些什么结论？ 通过以上数据的对比分析，能得到一些什么结论？对最高车速的总结发动机排量越大，汽车最高车速越高； 发动机排量越大，汽车最高车速越高； 排量越大 配置相同发动机的前提下，手动挡比自动挡车速更高； 配置相同发动机的前提下，手动挡比自动挡车速更高； 发动机排量相同的前提下，车身越小，最高车速越高； 发动机排量相同的前提下，车身越小，最高车速越高； SUV配备的发动机排量普遍较大，但与配备相同发动机排 配备的发动机排量普遍较大， 配备的发动机排量普遍较大 量的轿车相比，最高车速要低。 量的轿车相比，最高车速要低。 查阅资料： 方程式赛车的最高车速可以达到多少 方程式赛车的最高车速可以达到多少？ 查阅资料：F1方程式赛车的最高车速可以达到多少？第一节 汽车的动力性指标2. 加速时间 t（Acceleration time） （ ）（1）原地起步加速时间轿车用Ⅰ 轿车用Ⅰ档（货车常用Ⅱ档）静止起步，节气门全开，按最佳换挡时刻逐步换至高 货车常用Ⅱ 静止起步，节气门全开， 档后到某一预定距离（或车速0.8u 档后到某一预定距离（或车速0.8umax）所需时间。1） 0～100km/h的加速时间 飞度1.5L 12.0s 飞度 红旗CAs 红旗 捍马H2 10.0s 捍马 宝马523Li 9.6s 宝马 奥迪A8 7.0s 奥迪 宝马750 6.6s 宝马 奔驰S600 6.5s 奔驰 宝来1.8 M（手动挡）/A（自动挡） 11.1s/12.7s 手动挡） 自动挡） 宝来 宝来1.8T M （手动挡）/A（自动挡） 9.0s/10.5s 手动挡） 自动挡） 宝来 手动挡汽车的加速时间更短 法拉利 575M Maranello 4.2s 宝时捷911 3.9s 宝时捷 4.2s 兰博基尼 Gallardo第一节 汽车的动力性指标2）静止到400m或静止到1km的冲刺时间奥迪A6 奥迪 1.8T 静止到400m冲刺时间 冲刺时间7.9s 静止到 冲刺时间 静止到1km冲刺时间 冲刺时间33.4s 静止到 冲刺时间 在一般的技术参数中往往不给此项数据（2）超车加速时间最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的 时间（节气门全开，不换档）。 时间（节气门全开，不换档）。宝马520i 宝马60～100km/h （4挡/5挡） 10.8s / 13.7s ～ 挡 挡 80～120km/h （4挡/5挡） 10.6 s/ 14.1s 挡 挡 ～ 思考：从这组数据可得到什么信息？ 思考：从这组数据可得到什么信息？第一节 汽车的动力性指标3.最大爬坡度i 最大爬坡度 max（Maximun gradeability）汽车满载（或某一质量）时在良好路面上的最大爬坡度。 ① 汽车满载（或某一质量）时在良好路面上的最大爬坡度。爬坡度i = tg α × 100 %α货车的imax一般在30%。越野车 max可达60%。 30%。 60%。 货车的 一般在30% 越野车i 可达60%imax 反映了汽车的极限爬坡能力，比实际道路最大坡坡度大很多。这 反映了汽车的极限爬坡能力 比实际道路最大坡坡度大很多。 坡能力，是因为考虑到了在坡道坡道起步加速，克服松软路面的大阻力， 是因为考虑到了在坡道坡道起步加速 ， 克服松软路面的大阻力 ， 克 服坡道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求的缘故。以汽车在一定坡道上必须达到的车速来反映汽车的爬坡能力。 ② 以汽车在一定坡道上必须达到的车速来反映汽车的爬坡能力。 以一定坡道上汽车的加速时间来反映汽车的加速性能。 ③ 以一定坡道上汽车的加速时间来反映汽车的加速性能。第二节汽车驱动力与行驶阻力（主要矛盾） 主要矛盾）汽车行驶方程式： 汽车行驶方程式：Ft= Ff + Fi+ Fw + Fj驱动力=滚动阻力+坡度阻力+空气阻力+ 驱动力=滚动阻力+坡度阻力+空气阻力+加速阻力一 、汽车的驱动力 FtTt T e i g i 0η t Ft = = r rFt― driving force，N ， r ― tire radius，m ， Te― engine torque，N.m ， ig― gear ratio io― final ratio ηt― transmission efficiency(1-1)讨论T (一）发动机速度特性 （讨论 e )指发动机性能指标（ 指发动机性能指标（Te 、Fe、 Pe） ne变化的关系 1.汽车行驶要求的理想驱动力随ne变化的关系。 1.汽车行驶要求的理想驱动力、功率特性 汽车行驶要求的理想驱动力、 变化的关系。Ft, P附着极限F tPe , TeTe PePua(km.h-1)Ft ―理想驱动力 P ―理想驱动功率ne (rpm).理想的发动机特性 理想的发动机特性（ 2 .理想的发动机特性（场）优点： 即低速启动或上坡时， 优点：转矩适应性好（ 即低速启动或上坡时，阻力 增大， 降低， 增加，能提供大的驱动力F 增大，ne降低，Te增加，能提供大的驱动力 t ）3. 实际的发动机速度特性Pe,TePe TePebeTene = 9549（1-2）nminnTnp nmax ne(rpm)Te―engine torque，N.m ， ne―engine speed，r.min-1 ， Pe―engine power，kw ， be―specific fuel consumption， ，g/ kw.h特征点： ）、（ ）、（n 特征点：（Pemax，np）、（Temax，nT）、（nmin，nmax）。Pemax点不一定是Temax点，nmin比怠速转速高一点， 比怠速转速高一点， nmax比np高一点。
发动机速度特性三维数学模型发发发发发发发发发150发 发 发 发 发 （ Nm）100500-50 100 0 0 4000发发发发发发发发（（）0发发发发发（ rpm）发动机速度特性｛外特性：（Wide Open Throttle,或高压油泵在最大供油量位置） 或高压油泵在最大供油量位置部分负荷特性：外特性曲线下的整个面 使用外特性：带上附属装置（风扇,发电机,水泵,空气滤清器, 带上附属装置（风扇,发电机,水泵,空气滤清器, 消声器,空气压缩机）测得。 消声器,空气压缩机）测得。发动机台架试验是在相对稳定工况测量的，即保持水， 发动机台架试验是在相对稳定工况测量的，即保持水，机油温度 于规定值，且各个转速不变时测量的转矩和油耗。可用于动力性计算。 于规定值，且各个转速不变时测量的转矩和油耗。可用于动力性计算。 4. 拟合公式Te = a0 + a1 n + a 2 n 2 + K + a n n k一般取 k= 2、3、4、5，a0、a1,… ak 可由最小二乘法确定。 、 、 、 ，（二）传动系机械效率（讨论ηt） 传动系机械效率（讨论Pin ? PT ηt = Pin等速行驶： 等速行驶：Pin = PePe ? P P T ηt = = 1? T Pe PePT：transmission power loss。 主要由变速器、主减速器的功率损失造成。 主要由变速器、主减速器的功率损失造成。 PT｛machanical loss ：齿轮啮合摩擦损失 冲击，轴承摩擦阻力损失 冲击， Hydraulic loss： 润滑油搅动和飞溅，润滑油与齿轮的表面摩擦等 润滑油搅动和飞溅，（与变速器轴转速、粘度、温度、油面高度有关） 与变速器轴转速、粘度、温度、(三）车轮半径（wheel radius） 车轮半径（ ）自由半径r 设计制造尺寸，无载荷。 1、 自由半径 o（free radius）：设计制造尺寸，无载荷。 静力半径r 2 、静力半径 s（static loaded radius）：汽车静止时测得。 轮胎径向刚度（气压） 汽车静止时测得。rs取决于w、轮胎径向刚度（气压）和支承面刚度。w滚动半径r 3、 滚动半径 r（rolling radius）：用于运动学分析S rr = 2π n wS―车轮滚动距离，m；nw―转动圈数 车轮滚动距离，粗略分析时, 粗略分析时rs＜rors ≈ rr ≈ r(四）汽车驱动力图（Ft-ua） 汽车驱动力图（驱动轮不滑转时｛ u = 2πn ? r ×10 ? 1 = 0.377r ne ?3 aT e i g i 0η Tt Ft = = r rtr e1/ 60rig ioig io(km / h)Pe TeFt 具有 T e 走 向 u a 被压缩FtⅠ Ⅱ ⅢIdeal driving characteristicn1n2ne0 Ⅲ 0 Ⅱ Ⅰ 0 0ua n1 n1 n1 n2 n2 n 2转速比例尺二 、汽车的行驶阻力汽车沿有纵向坡度的路面直线行驶时遇到的阻碍前进的力。 汽车沿有纵向坡度的路面直线行驶时遇到的阻碍前进的力。F = F f + Fi + Fw + F j（一）滚动阻力（rolling resistance） 滚动阻力（ ）1、形成原因WW 1ua加载 C 卸载ω2 2′′ 1Fp3′K K′22′D03δaFE加载FzFx1卸载h弹性轮胎的迟滞损失： 弹性轮胎的迟滞损失：轮胎反复变形时其内部摩擦引起的能量损失。2、滚动阻力从动轮: 从动轮: Rolling resistance momentT f = Fz ? aFp1r ? T f = 0Fz ? a a F p1= = = w. r r r Tfa r令f=则F p 1 = fwf = Fp1Rolling resistance coefficient Rolling resistancew（1-5）Ff= fw或T f = Ff ? rFf=T rf驱动轮 ：对轮心取矩得Tt ? T f ? Fx 2 ? r = 0地面切向反力: 地面切向反力:Fx 2 =Tt ? T f r= Ft ? F f结论： 结论：弹性迟滞损失是以滚动阻力偶矩的形式阻碍车轮的运动 。3、影响滚动阻力的因素1）路面状态：表1-1，软路面 升高，良好路面 降低（轮胎悬架变形次数减少）。 ） ，软路面f 升高，良好路面f 降低（轮胎悬架变形次数减少）。 2）车速 ） f0.08 0.04 气压 p 大 0 80 100 120 ua (km/h) 小驻波现象： 150～200km/h， JJJ，驻波现象（气压很低）， ），且温度 驻波现象：ua=150～200km/h，fJJJ，驻波现象（气压很低），且温度 t＞100°C。轮胎变形次数JJ，急剧发热，强度降低，引起帘布层与胎 100° 轮胎变形次数JJ 急剧发热，强度降低， JJ， 面脱落，轮胎爆破，故高速化受到限制。 面脱落，轮胎爆破，故高速化受到限制。3）轮胎 气压 p｛良好路面：pJ，fL J L不平硬路面， 不平硬路面，沙：pJ，fL J L 软路面：pJ，fJ J J结构： 结构 帘布层数L，胎面橡胶层厚度L，fL Lf子午线轮胎f斜交胎4）侧向力 ）侧向力FyJ，fJ4、经验公式 、｛轿车 货车u u f = f 0 + f1 ( a ) + f 4 ( a ) 4 100 100f = 0.0076 + 0.000056u a（二）空气阻力 Fw1 、形成机理p小, u大 小 大 放大的粘性边界层层 流(正压力 正压力) 正压力分离区分离区涡流 (负压力 负压力) 负压力汽车表面气流流线图2、 空气阻力的构成｛Fw摩擦阻力（9%） ） 形状阻力（ ） 由车身前后压力差产生，与车身形状有关（尤其是后部） 压力阻力 形状阻力（58%）：由车身前后压力差产生，与车身形状有关（尤其是后部）｛干扰阻力（14%） ） 内循环阻力（12%） ） 诱导阻力（ ） 诱导阻力（7%）3、车身表面压力分布4、空气阻力计算公式Fw =1 ρu 22 r?CDA式中Fw―aerodynamic drag，N ur―speed of the vehicle relative to the wind，无风时，ur=ur = u wind + uauaρ―air density，ρ=1.2258N.S2.m-4 A―frontal area ， m2, 正投影面积 CD―aerodynamic drag coefficient ，空气阻力系数无风时C D Au a Fw = 21 . 1525、 如何降低空气阻力系数 D 、 如何降低空气阻力系数CL/3L=6dCD=0.055 基本上无边界层分离,无涡流d5、 如何降低空气阻力系数 D 、 如何降低空气阻力系数C（三）坡度阻力（grade resistance） 坡度阻力（ ）F =Gsin α isin α ≈ tan α = iFi = Gi道路阻力 （i较小） 较小）(1?7)（1-8）F = Ff + F =Gf cos +Gsin =Gψ =Gf +Gi α α ψ iψ = f cos α + sin α或道路阻力系数ψ = f +i（四）加速阻力G du Fj =δ g dt(1?10 )g δ =1+ G∑Ir2wg I f i i ηT + 2 G r2 2 g o式中：δ ― conversion coefficient of rotating mass； Iw ― wheel inertia ，kg.m2 If ― flywheel inertia ，kg.m2 G ― vehicle weight，N三、 汽车行驶方程式Ft = F f + Fw + Fi + F jTeig ioηT r CD Aua G du = Gf cosα + + G sinα + δ g dt 21.152（一般） 一般）CDAu G du = Gf + +Gi+δ 2115 . g dt2 a（平路） 平路）(1-11） (1-11）1、 从动轮受力分析∑X =0du dtdw dtF p1 = m1Iw2m1du dtW oF 1 TF Fpdw dtdu + Fx1 dtrf x z 1 1 1 1∑M（0）=0dw =0 FX 1r ? T f 1 ? I w1 dtFX 1 = F f 1I w 1 du + 2 r dtI w1 du ） 2 r dt①∴FP 1 = F f 1 + m1 + （2 、驱动轮受力分析dw dtm2du dtp′2 f xFT FZ 2 22rdu dtT O F2 tWIw2 dw dt∑X =0FX 2 = m 2du + Fp2 dt∴Tt = FX 2 r + I w 2'dw + Tf 2 dt∑M'（0）=0dw ? FX 2 r + Tt ? I w2 ? Tf 2 = 0 dt'(名义）驱动力Tt ' I w2 du Ft = = Fp2 + Ff 2 + m2 + 2 ） （ r r dt②3、加速时F ′与飞轮加速阻力F 加速时 t′与飞轮加速阻力 jeωe = igioω有级式变速器：dω1 du dω = ig io = ig io dt dt r dte'无级变速器： 无级变速器：dω e Tt = (Te ? I f )i g ioη T dtTt ' Te i g ioη T I f i g io η T du ' Ft = =( ? ) = Ft ? F je 2 r r dt r2 2③di g dω e i o du = (i g +u ) dt r dt dtFt = Ft ? F je'I f i g io η T du F je = dt r22 2Ft = Ft'(du = 0) dtI f i g io η T du I f i g io η T u di g F je = + 2 dt dt r r22 2 2加速阻力： 加速阻力：有级式F j = δmdu dt无级变速器： 无级变速器： F j = δmdu + dtI f i g io η T u di g2r2dt4 、车身受力分析Fw W1 Fp1mBdu dtW2GBFp2∑X =0Fp 2 = mBdu + F p1 + Fw dt④I w1 du du = F f 1 + (m1 + 2 ) + mB + Fw dt r dt5 、 整车行驶方程式将③④式代入②式整理得：Te i g ioη T r2 I w g I f i g io2η T du G g ∑ = F f + Fw + (1 + + ) 2 2 g G r G dt r2 2 I w g I f i g io η T g ∑ ∴δ = 1 + + 2 G r G r2G du 坡道： F = F + F + F + δ t f i w g dt（1-11）仅表示汽车结构参数与行驶参数之间的关系，作动力性分析很方便， 仅表示汽车结构参数与行驶参数之间的关系，作动力性分析很方便， 但不表示真正作用在汽车上的力关系。 但不表示真正作用在汽车上的力关系。驱动力―行驶阻力平衡图、 第三节 驱动力―行驶阻力平衡图、动力特性图驱动力―― ――行驶阻力平衡图 一、 驱动力――行驶阻力平衡图Te i g ioη T r｛Pe, TeC Au C Au G du G du = Gf cos α + D a + G sin α + δ = Gf + D a + Gi+δ 21 .15 g dt 21.15 g dtner i g io平路： 平路：22u a = 0 . 377F = Ff + Fw tdu = 0 dtPe Ten1n2ne1、 最高车速uamax剩余牵引力= F ?(Ff +F ) = F +Fj t w iuamax2 、加速时间令du g [ Ft ? ( F Fi = 0, j = = dt δGf+ F w )]Ft = Ff + Fi + Fw +δG du g dtdt =1 du jt1km / h =u21 m/s 3 .6∴t =∫ dt = ∫0u11 du j1 t = ∫ dt = 0 3 .6t∫u2u11 du j(s)1/jⅤaⅠcⅢ ⅡⅣbua(km/h)加速距离: 加速距离:s =∫t2 t1u dts =t/s80 40 20∫u2 u1u du jS/m4080ua(km.h-1)ua(km/.h-1)3、 爬坡度du = 0, Fi = Ft ? ( F f + Fw ) dtGsinα = Ft ? (Ff + Fw )Ft ? (Ff + Fw ) α = arcsin Gi = tan α直接档io max ≈Ft max ? (Ff + Fw ) G二 、动力特性图FtⅠ1 2D ⅠⅡ Ⅲ3 41 2Ⅱ Ⅲ 3Ⅳ 4Ⅳua（前苏联）E.A曲达可夫院士：动力因数 前苏联）E.A曲达可夫院士Ft ? Fw D= Gua(1?11 )D=Ft ? Fw F f + Fi + F j δ du = =ψ + G G g dtD =ψ +δ dug dt(1?12)D = f cosα + sinα +δ dug dt1、计算uamaxdu = 0, i = 0, D = f dt2、 计算加速度i = 0, D = f +δ dug dtg du (D ? f ) = dt δ3 、计算爬坡度du dt = 0D = f cos α + sin α +δ dug dtα较小：D=ψ=f+i 较小： 较小 i=D-f α较大：Ⅰ档 较大： 较大｛cos α + sin α = 12 22D Im ax = f cos α + sin α( f 2 + 1) sin2 a ? 2DΙ max sina + D2Ι max ? f 2 = 0DImax ± f 1? DImax + f 2 sinα = 1+ fDImax ? f 1? DImax + f 2 α = arcsin 1+ f2imax = tgαmax第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率一 、 汽车行驶的附着条件W2 TtFX max = F? = Fz ?附着力――地面切向反力的极限值。 地面切向反力的极限值。 附着力 地面切向反力的极限值? ――附着系数 附着系数后轮驱动汽车： 后轮驱动汽车：FX 2 =Tt ? T f 2 r≤ Fz 2?Fp2 Tf2 Fx2 Fz2 （附着条件） 附着条件）附着率C? 2 =FX 2 ≤ ? FZ 2即C? 2 ≤ ?C ?1 ≤ ?前轮驱动汽车： 前轮驱动汽车：附着率：表征汽车附着性能的一个重要指标， 附着率：表征汽车附着性能的一个重要指标，是驱动轮不滑转时充分发挥动力 作用所要求的最低地面附着系数。 作用所要求的最低地面附着系数。二、 汽车的附着力与地面法向反力Tje――横置发动机飞轮上的惯性阻力偶矩 横置发动机飞轮上的惯性阻力偶矩 轿车h≈hg，升力，空气阻力近似认为作用在质心上。 升力，空气阻力近似认为作用在质心上。 轿车 对后轮接地中心取矩： 对后轮接地中心取矩：a b α Tf 1 = f Gcos ? r Tf 2 = f Gcos ? r α L LI du dw Iw1 du T jw 2 = w 2 Tjw1 = Iw1 = r dt dt r dtdwe I f ig io du T je = I f = dt r dtFzwb + Fz1L + Tf 1 + Tjw1 + Tje + Fwhg + G sinα ? hg + m∴ Fz1 = G ( h b G h g cos α ? g sin α ) ? ( g + L L g L Gdu hg ? G cosα ? b + Tjw2 + Tf 2 ? Tw = 0 dtg I f i g io du G cos α ? r ? f ) ? ? F zw 1 G Lr dt L (1 ? 13 ? 1)∑ILrw+式中： 式中：Fzw1 =Fwhg L+b T Fzw ? w L L前轴升力∴ Fz 2 = G (h a G hg g cos α + g sin α ) + ( + L L g L G∑ILrw+g I f i g io du G cos α ? r ? f ) + ? F zw 2 G Lr dt L (1 ? 13 ? 2 )式中： 式中：F zw 2 = ?Fw h g a T + F zw + w L L L后轴升力(1) 静态轴荷F zs 1hg b = G ( cos α ? sin α ) L LG hg g ∑ I w g I f ig io du ( + + ) g L G Lr G Lr dtFzs 2hg a = G ( cos α + sin α ) L LG hg g ∑ I w g I f ig io du ( + + ) g L G Lr G Lr dt(2) 动态分量Fzd 1 = ?Fzd 2 =滚动阻力偶矩产生的分量： (3) 滚动阻力偶矩产生的分量： (4)空气升力 (4)空气升力1 2 Fzw1 = C Lf Aρur 2Grf cos α LFzw 2 =1 2 C Lr Aρu r 2CLf 、 CLr――前、后空气升力系数 ――前忽略旋转质量惯性阻力偶矩和滚动阻力偶矩ur――相对速度，无风时，ur= ua ――相对速度 无风时， 相对速度，G hg du Fz1 = Fzs1 ? Fzw1 ? g L dt(1(1-14)G hg du Fz 2 = Fzs2 ? Fzw2 + g L dt三、作用在驱动轮上的地面切向反力1、 前轮驱动汽车 、空气升力， 空气升力，升力矩对水平方向力无影响从动轮: 从动轮:｛FFp 2 = m2X2du + G w 2 sin α + FX 2 dtr = T f 2 + T jw 2T f 2 + T jw 2 r = Ff 2 + I w 2 du r 2 dt∴ FX 2 =∴ Fp 2 = Ff 2 +I w2 du du + m2 g sinα + m2 r 2 dt dt车身:F p 1 = F p 2 + W B sin α + F w + m B = F f 2 + Fw + du dtI w 2 du du + (W B + m 2 g ) sin α + ( m B + m 2 ) r 2 dt dt驱动轮： 驱动轮：FX 1 = Fp1 + GW 1 sin α + m1代入F 代入 p1：du dtFX1 = Ff 2 + Fw +Iw2 du du + Gsinα + m r2 dt dt' jF 1 =Ff 2 +F +F+F X w i'(1?15 )2 、后轮驱动汽车I w 2 du F j = (m + 2 ) r dt'FX2 = Ff 1 +Fw +F +Fj i(1?16 )四、 附着率定义：汽车直线行驶时，充分发挥驱动力作用的要求的最低附着系数。 定义：汽车直线行驶时，充分发挥驱动力作用的要求的最低附着系数。（一）低速爬坡（不加速） 低速爬坡（不加速）FX 1 ≈ FZ 1du = 0, Fw ≈ 0 dtFi + F f 2 Fzs 1 Gf 2 = hg b G ( cos α ? sin α ) L L G sin α +前轮驱动汽车: 前轮驱动汽车忽略C? 1 =Ff 2 ≈ 0后轮驱动汽车: 后轮驱动汽车C?1 ≈=sinα hg b cosα ? sinα L Li h b ? g i L Lsinα FX 2 Fi + Ff 1 ≈ C? 2 = = h a Fzs2 FZ 2 cosα + g sinα L L i = a hg + i L Li =b L 1?+h L爬坡能力比较结果gi=a L 1??h Lg爬坡度图Ⅰ、Ⅱ档全力爬坡（二）低速平地加速：Fi=0，Fw≈0，α=0 低速平地加速： ， ， 前轮驱动汽车: 前轮驱动汽车C ?1 = FX1 ≈ FZ1 F F zs 1 + Ff2 G h g du ? g L dt' j=(m +I w 2 du Gf ) + 2 2 r dt b G h g du ? G L g L dt( 1 ? 19 )1 du g dt ≈ b 1 h g du ? L g L dt后轮驱动汽车: 后轮驱动汽车C? 2 =FX 2 FZ 21 du g dt ≈ a 1 hg du + L g L dt(1 ? 20 )Ⅰ、Ⅱ档全力加速（三）平地高速行驶（不加速） 平地高速行驶（不加速） 前轮驱动汽车: 前轮驱动汽车F j ' = 0 , F i= 0后轮驱动汽车: 后轮驱动汽车F f 2 + Fw FX 1 C? 1 = = FZ 1 Fzs1 ? Fzw1降低C 的措施： 降低 φ的措施： ①降低空气升力系数Ff 1 + Fw FX 2 C? 2 = = FZ 2 Fzs2 ? Fzw2②调整汽车总体布置，变动前后轴荷分配 调整汽车总体布置，第一章作业第五节 汽车的功率平衡一 、汽车功率平衡方程式Ft = F f + Fi + Fw + F j驱动轮消耗的功率： 驱动轮消耗的功率：P eηT= P f + Pi + P w + P jFua P= 3600 (kW)Pe =P f + Pi + Pw + P jηTPe =ua ( F f + Fi + Fw + F j ) ηT 360031 Gf cos α ? ua G sin α ? ua CD Aua δ G du = ( + + + ua ) ηT 140 3600 g dt1 Gfu Giu C Au δ G du = ( a+ a+ D a + ua ) ηT 140 3600 g dt3(1? 21)反映P 与汽车结构与使用参数的数量关系。 反映Pe与汽车结构与使用参数的数量关系。二 、功率平衡图 PePen1{发动机使用外特性n2neu a = 0 . 377P f + Pw 1ner i g io3ηTGfu a C D Au a = ( + ) η T {PfηTPw=1 Gfua ∝ ua ηT 36003C Au 3 = D a ∝ ua ηT 76140负荷率 =bc × 100% ac说明： 在各档是相同的，仅对应的车速范围不同。低档速度区窄，高档车范围变宽。 说明：Pe在各档是相同的，仅对应的车速范围不同。低档速度区窄，高档车范围变宽。三、 动力性参数计算 1. 最高车速uamaxi = 0 , j = 0 , Pe = P f + PwηT2.后备功率 2.后备功率Pab = Pac ? Pbc = Pe ?Pf + PwηT=Pi + PjηTPab用于爬坡、加速。Pab愈大，动力性愈好。 用于爬坡、加速。 愈大，负荷率 = 3.加速度j 3.加速度j 加速度bc × 100 % aci = 0, Pj = ηT [ Pe ?Pf + PwηT] = ηT P后备du 3600 g = ? η T P后备 dt δ Gu a4. 爬坡度 ij = 0, Pi = η T [ Pe ?sin α =Pf + PwηT] = η T P后备3600 g ? ηT P后备 Gua3600 g ?ηT P后备），i = tgα Gu aα = arcsin （α较小： 较小： 较小α = sin α =3600 g ?ηT P后备，i = tgα Gu a第二章 汽车的燃油经济性第一节 燃油经济性评价指标一、评价指标的单位1）单位行程的燃油消耗量Qs：L/100Km （中国、欧洲） ）单位行程的燃油消耗量 中国、欧洲） 2）单位燃油量的行驶里程：MPG (mile/usgal）， ），km/L， （美国、英国、日本等） ）单位燃油量的行驶里程： ）， ， 美国、英国、日本等） 1 mile=1.609 km，1 US. gal = 3.785 L（美）, ， （ 3）单位运输工作量的油耗量： Q G = ）单位运输工作量的油耗量： 1 gal = 4.546 L（英） （QS G（L/T.100Km） ）载重或载客量二 、评价指标1. 等速行驶百公里燃油消耗量：（我国：轿车半载、货车满载）、最高档 等速行驶百公里燃油消耗量：（我国：轿车半载、货车满载）、 ：（我国 ）、最高档2.多工况循环百公里油耗（ MPG） 2.多工况循环百公里油耗（或MPG） 多工况循环百公里油耗NEDC循环工况 NEDC循环工况 (4个ECE+1个 (4个ECE+1个EUDC)ua/km.h-1车速150100500 0 200 400 600 800 时间t/s第二节 汽车燃油经济性的计算一、 等速行驶工况油耗的计算1.发动机负荷特性 1.发动机负荷特性ben1n1＜n2＜n3 n2 n3ben1 n2n3全开PeQt P ( g / km ? h)全开u%负荷率设单位时间燃油消耗量为Qt(由台架实验测得）（g/h） ）（ ）发动机比油耗: 发动机比油耗:b=负荷率u：某一转速ne下，节气门部分开启时发出的功率与该转速下节气门全开时最大功率之比。 最大功率之比。u=0（空转）；u=100%（全开） 空转）； 全开）发动机负荷特性图2500be (g/Kw.h)00 500 0 6000Eng 4000 ine spe 2000 ed (rpm )150 100 50 0 0) .m rque(N to Engine2.发动机万有特性 2.发动机万有特性2500be (g/Kw.h)00 500 0 6000Eng 4000 ine spe ed 2000 (rpm )150 100 50 0 0) (N.m torque Engine发动机油耗模型发动机万有特性图3.等速百公里油耗 3.等速百公里油耗 Qs等速行驶: 汽车以ua等速行驶: 单位时间的燃油消耗量1 GfUa CD AUa ) P = ( p f + pw ) = ( + ηT ηT
13Qt = be P( g / h)t=100/ua (h)( N / 100km) be P ( g / 100Km) = 1.02ua(1g =匀速行驶100 100公里所花时间 汽车以ua匀速行驶100公里所花时间be P Q = Q×t = ×100 等速百公里油耗： 等速百公里油耗： s ua{be P 1 be P Qs = ? ×100 = ( N / 100km) ua 102 1.02ua Qs = be P ( L / 100km) 1.02ua?γN/L. ua ―车速， 车速，km/h9.8 1 N= N) 式中γ燃油重度, ― 燃油重度,be― 燃油消耗率（specific fuel consumption）,g/kw.h 燃油消耗率（ p― 发动机提供的功率，kw. 发动机提供的功率，?34.等速百公里油耗曲线的制取 4.等速百公里油耗曲线的制取①作功率平衡图 某一路面（ ②取某一档位（ig）某一路面（φ） 取某一档位（1P aη( P f + Pw )③取某一转速ne’,对应车速ua’ 或某一车速 ua' u a ? i g ? i0 ne ? r ( u a = 0 .377 或 ne = ) i j ? i0 0 .377 r 'b发动机提供的功率 P = 1 ( P f + Pw )ηT由 或 则?U =bc?× 100 %ac万有特性图}cuabeQsⅢQs=be P 1 . 02 u a γ? 1 ?? 2 ?? 3Ⅳ?3 ?2 ? 1取不同的n 对应不同的 得一条Q 对应不同的u得一条 曲线。 取不同的 e,对应不同的 得一条 s―ua曲线 曲线。 ④取不同的得一簇 s ― ua曲线。 取不同的得一簇Q 得一簇 若干组Q 曲线。 ⑤取不同的ig→若干组 s―ua曲线。 取不同的 若干组umin u 经济ua二、加速工况油耗的计算 发动机消耗的功率： 发动机消耗的功率： 单位时间的油耗量: 单位时间的油耗量1 GfUa CD AUa δmUa du P = ( Pf + Pw + Pj ) = ( + + ? ) ηT ηT
3600 dt 13Qt0 =b e Pua1km/h 1km/h/ s) / s)1 N 102 = 1 N / s) ( g / kw ? h ? kw = g / h = Q Qt0beP = ( mL 367 . 2 ? γ = be P ( mL 367 . 2 ? γua1t1平均值 =1 (Q t 0 + Q t1 ) 2?t = 1 du dtt0t1 ?t1 du 3 .6 dt (s)tua→ua1+1km/h 的时间 的时间:( km / h ) ? (m / s 2 )所需燃油Q11 = ( Q t 0 + Q t1 ) ? t 2同理u 同理 a1+1 km/h→ua1+2 km/h :Q2 =…1 (Q t1 + Q t 2 ) ? t 2…ua1km/h 1km/h1 Qn = (Qt (n?1) + Qtn )?t 2总油耗ua1Qa =2∑Qi =12nit0t1 ?tt2 2总里程uan ?ua1 (km/ h)2 uan ?ua1 Sa = ( )= 2 du m/ s 2 du 2 2×3.6 dt dt2 2u an ? u a 1 Sa = du 25 . 92 dt(m)三．等减速行驶工况油门松开（最小位置）并轻微制动，发动机强制怠速状态。 油门松开（最小位置）并轻微制动，发动机强制怠速状态。Qd = Qi t式中 Qi ― 怠速燃油消耗率，mL/st―减速时间，s 减速时间，t = u a2 ? u a3 du 3 .6 dt2 2减速终了的车速， 式中ua2 ua3为起始 ,减速终了的车速，km/s距离? u a3 u S = a2 du 25 . 92 dt(m)四．怠速停车时的燃油消耗量Q id = Q i tt―怠速停车时间五．整个循环工况的百公里油耗(L/100km)Qs =∑ Q × 100s∑Q―所有过程的油耗量之和，mL ∑Q―所有过程的油耗量之和， s―整个循环的行驶距离，m ―整个循环的行驶距离，第三节 影响燃油经济性的因素Qs = be P 1.02u a ( L / 100km)P=1ηT( Pf + Pw + Pi + Pj )3be be Gf cos ua CDAu Gsinαua δmu du α a Qs = (Pf + P + P + Pj ) = ( + + + a? ) w i u
3600 dt 1.02 aηT u 1.02 aηT 3600be C D Au a du Qs = ( Gf cos α + G sin α + + δm ? ) 3672 η T 21 . 15 dt2一、使用方面１、行驶车速：中速行驶较合理 行驶车速： ２、档位选择：尽可能用高档。 档位选择：尽可能用高档。Qs３、拖挂运输ua Q Qs①发动机负荷率U↑，be↓Qs增长慢， Q G =Qs GzQG Gz（载重量） 载重量）②汽车列车的质量利用系数较高，故QG↓ 汽车列车的质量利用系数较高，质量利用系数＝ 装载质量 整备质量合理确定拖挂重量。 太重,动力性下降 低档使用率高. 动力性下降,低档使用率高 合理确定拖挂重量。 太重 动力性下降 低档使用率高4、正确的保差与调整 、① 减少发动机内部阻力 ② 减少底盘内部阻力二、汽车结构方面1.缩减轿车尺寸和减轻质量 缩减轿车尺寸和减轻质量减少汽车质量： 越小 越小， 均下降， 。对于货车，减小自重可以增加载重， ① 减少汽车质量：m越小，Ff , Fi , Fj , Fw均下降，Qs↓。对于货车，减小自重可以增加载重， 提高质量利用系数， 下降10％，节油3～ ％。 提高质量利用系数，使QG↓，且空驶时 s↓。m下降 ％，节油 ～4％。 ，且空驶时Q 。 下降 ％，节油 ② 减少发动机排量： 采用铝与复合材料： 金铝承载式车身， 减小 ％，百公里油耗 降低5～ ％。 减小15％，百公里油耗Q ③ 采用铝与复合材料：Audi A8金铝承载式车身，m减小 ％，百公里油耗 s降低 ～8％。 金铝承载式车身二、汽车结构方面1.缩减轿车尺寸和减轻质量 缩减轿车尺寸和减轻质量汽车越轻，油耗越低；柴油车的油耗明显低于汽油车。 汽车越轻，油耗越低；柴油车的油耗明显低于汽油车。思考为什么大型轿车油耗较高？ 为什么大型轿车油耗较高？ 致使Q 致使 s 增大大型轿车 G大，Ff、FW、 i 、 j 均大； 大 F F 均大； 装用大排量发动机，负荷率低， 大 装用大排量发动机，负荷率低，b大；采用铝与复合材料： Audi A8采用全铝承载式车身， 采用铝与复合材料： 采用全铝承载式车身， 采用全铝承载式车身质量减轻15％，百公里油耗降低5%～ 。 质量减轻 ％，百公里油耗降低 ～8%。 ％，百公里油耗降低 1升油耗概念车减轻质量的措施 升油耗概念车减轻质量的措施 镁合金的空间结构；碳素纤维合成材料的外部表面； 镁合金的空间结构；碳素纤维合成材料的外部表面； 车身总质量大约在74kg；轮毂采用钛合金；车轮轴承滚 ；轮毂采用钛合金； 车身总质量大约在 子采用陶瓷；叶片弹簧采用玻璃纤维。 子采用陶瓷；叶片弹簧采用玻璃纤维。第三节 影响汽车燃油经济性的因素 2．发动机 发动机1）提高现有发动机的热效率和机械效率（热损失占化 ）提高现有发动机的热效率和机械效率（ 学能65％左右）； 学能 ％左右）； 2）扩大柴油发动机的应用范围； ）扩大柴油发动机的应用范围； 3）增压化； ）增压化； 4 ）广泛采用电子计算机控制技术。 广泛采用电子计算机控制技术。第三节 影响汽车燃油经济性的因素汽油机复合火花点火发动机：采用缸内直喷、分层稀薄燃烧、增压等新技术， ①复合火花点火发动机：采用缸内直喷、分层稀薄燃烧、增压等新技术，提高输出功率和部分负 荷效率； 荷效率； 变气门正时及升程：如本田i VTEC、Porsche变凸轮升程 变凸轮升程（ Plus） BMW的气门电子 ②变气门正时及升程：如本田i-VTEC、Porsche变凸轮升程（varioCam Plus）和BMW的气门电子 (valvetronic)，引发了一系列变化，可变压缩比、可变排量等； (valvetronic)，引发了一系列变化，可变压缩比、可变排量等； VDO汽车公司供给BMW的气门电子 可以在0.3 9.7mm范围内无限制的连续改变进气 汽车公司供给BMW的气门电子， 0.3Siemens VDO汽车公司供给BMW的气门电子，可以在0.3-9.7mm范围内无限制的连续改变进气 门升程，适应怠速、加速、减速和全负荷等工况，消除节气门，降低泵气损失，轻负荷时气门升 门升程，适应怠速、加速、减速和全负荷等工况，消除节气门，降低泵气损失， 程控制在0.5 2mm，改善燃料汽化，可降低10% 0.510%的燃油消耗 程控制在0.5-2mm，改善燃料汽化，可降低10%的燃油消耗 ③汽缸关闭技术：在汽车负荷低的一般行驶工况，发动机控制系统自动半数汽缸的进、排气门， 汽缸关闭技术：在汽车负荷低的一般行驶工况，发动机控制系统自动半数汽缸的进、排气门， 切断燃料和空气的供应；当汽车需要急加速或大负荷时，则发动机全部汽缸都参加工作。 切断燃料和空气的供应；当汽车需要急加速或大负荷时，则发动机全部汽缸都参加工作。 GM称汽缸关闭技术能使汽车 称汽缸关闭技术能使汽车EPA工况的燃油经济性提高 ，若结合到重度混合汽车技术，则可 工况的燃油经济性提高8%，若结合到重度混合汽车技术， 称汽缸关闭技术能使汽车 工况的燃油经济性提高 以将汽车的燃油经济性提高30%。本田 缸发动机在汽车制动期间能关闭3个缸 以将汽车的燃油经济性提高 。本田CIVIC 的4缸发动机在汽车制动期间能关闭 个缸，使发动 缸发动机在汽车制动期间能关闭 个缸， 机的磨摩擦损失减少50%。 机的磨摩擦损失减少 。第三节 影响汽车燃油经济性的因素柴油机高速柴油机高达40%的热效率以及在维护保养的方便性、可靠性、制造和运行特性， 高速柴油机高达40%的热效率以及在维护保养的方便性、可靠性、制造和运行特性，使 40%的热效率以及在维护保养的方便性 其在混合动力元件方面显示出巨大的应用前景。 其在混合动力元件方面显示出巨大的应用前景。 柴油机技术的的挑战包括提高比功率，减少排放中的颗粒物和氮氧化合物，噪声， 柴油机技术的的挑战包括提高比功率，减少排放中的颗粒物和氮氧化合物，噪声，振动 和柴油机的油烟气味。 和柴油机的油烟气味。 柴油机的技术进步： 柴油机的技术进步： 直接高压燃油喷射 低氮氧化合物催化剂 复杂的电子控制 柴油机颗粒物过滤器：最早于2004在欧洲家将开始生产颗粒物过滤器， 柴油机颗粒物过滤器：最早于2004在欧洲家将开始生产颗粒物过滤器，即使在急加速和 2004在欧洲家将开始生产颗粒物过滤器 其它驱动条件快速变化的情况下，过滤器能使颗粒物颗粒排放水平减少90 90以上并完全消除尾 其它驱动条件快速变化的情况下，过滤器能使颗粒物颗粒排放水平减少90以上并完全消除尾 气黑烟。 气黑烟。柴油机热效率比汽油机高 30%； ； 用于轿车可降低油耗30%； ； 用于轿车可降低油耗 在西欧新注册的汽车中， 在西欧新注册的汽车中， 2001年柴油车的份额为 年柴油车的份额为32%， 年柴油车的份额为 ， 2005年柴油车的份额上升到了 年柴油车的份额上升到了 49.5% 。我国一汽2002年推出捷 年推出捷 我国一汽 达柴油轿车， 达柴油轿车，但我国柴油硫 含量高， 含量高，使用中排放物的烟 度和微粒排放量较大。 度和微粒排放量较大。 目前我国柴油轿车有： 目前我国柴油轿车有： 捷达SDI、宝来TDI 1.9L、 、宝来 捷达 、 奥迪A6 2.5 TDI 、开迪 开迪SDI 。 奥迪TDI是英文 是英文Turbo Direct Injection 的缩写，意为涡轮 的缩写， 是英文 增压直接喷射（柴油发动机）。 增压直接喷射（柴油发动机）。 SDI是英文 是英文Suction Direct Injection 的缩写，意为自 的缩写， 是英文 然吸气直接喷射（柴油发动机）。 然吸气直接喷射（柴油发动机）。第三节 影响汽车燃油经济性的因素3.传动系挡位越多，油耗越低； 挡位越多，油耗越低； 无级变速最理想。 无级变速最理想。目前很多轿车采用的是带液力变矩器的自动换挡变 速器，挡位一定时可依靠液力变矩器实现无级变速， 速器，挡位一定时可依靠液力变矩器实现无级变速，其 效率仍需进一步提高才能做到真正省油。 效率仍需进一步提高才能做到真正省油。 思考 为什么挡位越多越省油？ 为什么挡位越多越省油？第三节 影响汽车燃油经济性的因素（1）档位数 ） a.增加 档位数：使发动机处于经济工况机会增多，动力性，经济性提高。 增加MT档位数 使发动机处于经济工况机会增多，动力性，经济性提高。 增加 轿车MT: 4档→ 5档→6档 轿车 档 档 档货车MT: 档数较多，五十铃货车（装载 吨）7档。 档数较多，五十铃货车（装载4吨 货车 档b.副变速器： 副变速器重型车:2档 重型车 档×（5～8）=10×16档。档太多，复杂，不便操作。 ～ ） × 档 档太多，复杂，不便操作。c.自动有级式变速器 提高燃油经济性,操作简单 驾驶员只须用加速踏板控制车速。 操作简单,驾驶员只须用加速踏板控制车速 c.自动有级式变速器：提高燃油经济性 操作简单 驾驶员只须用加速踏板控制车速。单离合器)机械自动变速器 ① AMT( Automatic Manual Transmission) : (单离合器 机械自动变速器 机械效率高 单离合器 机械自动变速器,机械效率高② DCT( Dual Clutch Transmission) : 双离合器机械自动变速器 液力机械自动变速器： d.液力机械自动变速器：AT( Automated Transmission)，由闭琐式液力变速器 液力机械自动变速器 ，由闭琐式液力变速器TC(Torque Covert)和 和 行星齿轮变速器组成。变速平滑、驾驶轻便 。 4At， 5AT（常用）， → 6AT，7AT 行星齿轮变速器组成。变速平滑、 ， （常用）， ， e.无级自动 变速器： 无级自动金属带式无级变速器： ①金属带式无级变速器： CVT（ Continuously Variable Transmission） （ ）{②双模式无级变速器：TC+CVT 双模式无级变速器： 牵引式无级变速器： 滚子-超环面传动盘式 ③ 牵引式无级变速器：ICT ,滚子 超环面传动盘式 滚子 电动无级变速器： ④电动无级变速器：ECVT燃油经济性比较： 燃油经济性比较：AMT → MT → CVT → AT 好→ → → → → → → →差 差 变速器发展趋势： 变速器发展趋势：4MT → 5MT → 6MT → AMT → DCT → IVT(CVT)图 AMT控制原理图（2）发动机的最经济工况－最小燃油消耗特性 发动机的最经济工况－ben1 n２ n３ n4最小be线 Pe PeA31PηT( P + Pw ) ψPePeA2 A1neneuauaCVT的速比控制模式一般有经济模式和动力模式。140 120 100 80最佳经济性工作曲线 60kW 50 kW 40 kW 30 kW转矩 Te（N?m）60 20 kW 40 10 kW 20 010002000 转速 ne（rpm）50006000CVT经济模式图（3）无级变速器调节特性ne? ? r ne i = 0.377 =A i0? ? ua ua最大传动比Ψ=０.16 ０. １4 ０. １2 ０. １0 ０.08 ０.06r A = 0.377 i0icvt发动机最大功率转速发动机最低转速０.0４ .0４０.02最小传动比ua(km/h)(4) 金属带式无级变速器工作原理 主动轮汽车开始起步时，主动轮的工作半径较小，变速器可以获得 汽车开始起步时，主动轮的工作半径较小， 较大的传动比， 较大的传动比，从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽 车有较高的加速度。 车有较高的加速度。 随着车速的增加，主动轮的工作半径逐渐增大， 随着车速的增加，主动轮的工作半径逐渐增大，从动轮的工 作半径相应减小， 的传动比下降， 作半径相应减小，CVT的传动比下降，使得汽车能够以更高 的传动比下降 的速度行驶。 的速度行驶。输入轴 油缸油缸 输出轴从动轮第三节 影响汽车燃油经济性的因素第三节 影响汽车燃油经济性的因素双模式无级变速器无级变速器主要由动力连接及起动控制装置、速比变换器、液压控制单元和电控单元组成。 动力连接及起动装置：一般采用液力变器或湿式多片离合器或电磁离合器作为起步装置。 液压控制系统：控制主、从动带轮油缸的压力、速比变化、液力变器的闭锁、解锁控制、或离合器的起动控制等。 电子控制系统：主要用来监测变速器的所有输入信息、根据驾驶员加速踏板位置、车速信号，根据系统具有的动态 控制程序，实现经济模式和动力模式的转换，液力变器的闭锁、解锁控制、或离合器的爬坡控制、 过载保护控制以及手动模式控制等。第三节 影响汽车燃油经济性的因素4.汽车外形与轮胎汽车外形与燃油消耗第三节 影响汽车燃油经济性的因素滚动阻力与燃油消耗第三节 影响汽车燃油经济性的因素不同轮胎与燃油消耗第四节 电动汽车的研究电动汽车｛纯电动汽车: 纯电动汽车:零排放混合动力汽车(Hybrid 混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicles):插电式,普通式 Vehicles):插电式 插电式, 燃料电池汽车开发目的:减少对石油的依赖,减少CO 所引起的全球温室效应。 开发目的:减少对石油的依赖,减少CO2所引起的全球温室效应。什么是混合动力汽车 （Hybrid Electric Vehicle)? 传统内燃机汽车与纯电动汽车相结合的一种汽车型式，由辅助动力单元（汽油机、柴油机、 传统内燃机汽车与纯电动汽车相结合的一种汽车型式，由辅助动力单元（汽油机、柴油机、燃气轮 燃料电池）、 电机和能量储存装置（蓄电池、惯性飞轮、超级电容器）组成。 机、燃料电池）、 电机和能量储存装置（蓄电池、惯性飞轮、超级电容器）组成。 比传统内燃机汽车节约两倍能源，排放降低。 比传统内燃机汽车节约两倍能源，排放降低。 据预测，如果全世界所有使用汽油发动机的汽车全部改为混合动力汽车，全球温室效应将减少47%。 据预测，如果全世界所有使用汽油发动机的汽车全部改为混合动力汽车，全球温室效应将减少47%。 第一台木制的汽油机-电机混合驱动汽车出现在1916年 这辆车在低速时用电机驱动， 第一台木制的汽油机-电机混合驱动汽车出现在1916年，这辆车在低速时用电机驱动，高速时用发动 机驱动，并向电池充电。60年后 1976年美国能源部开始支持大学生开展混合动力汽车的仿真 年后， 年美国能源部开始支持大学生开展混合动力汽车的仿真、 机驱动，并向电池充电。60年后，1976年美国能源部开始支持大学生开展混合动力汽车的仿真、设计和 试验研究。 试验研究。第四节 电动汽车的研究年汽车产业格局的变化：（1）汽车产业结构发生了很大的变化，通用、福特、丰田、大众等汽 车产业的龙头企业先后进行了产业重组，淘汰高耗油品牌和产品，把节能与新能源汽车作为企业产品研发的 重中之重。（2）汽车市场发生了重大的变化。小排量低油耗的汽车产品得到市场青睐，混合动力汽车成为 销售的热点，丰田的混合动力汽车成为新车销售的冠军。许多纯电动汽车方案刚刚出台，就收到了企业和 媒体的追捧。（3）跨国电动汽车产业联盟正在形成。通用、丰田、大众等整车企业和三洋、东芝、三星等 电子企业组成了电动汽车联盟，正在合力攻关。 各国政府先后推出了发展电动汽车的国家计划：美国计划今后十年在能源技术领域投入巨资，推动先进电池 和电动汽车的研发。日本在今后五年当中每年投入两亿美元开发电动汽车专用电池，目标是2010年电池成本 下降一半。2008年欧盟出台欧洲经济复兴计划，包括绿色汽车的倡议，倡议资助高效节能的交通，特别是电 动汽车方面的研发。法国将在未来的四年当中投入四亿欧元进行混合动力汽车和电动汽车的研发。德国于今 年5月推出了国家清洁燃料技术电池创新计划，9月份又推出了国家电动汽车发展计划。计划到2020年要推广 一百万辆电动汽车，预计到2030年，电动汽车的数量会达到500万辆，到2050年非化石燃料推动的城市交通 将占绝对优势。 发达国家制定了更加严格的汽车排放和燃料经济性法规。其特点是把二氧化碳的排放作为燃油经济性 的重要度量。欧盟通过减少汽车二氧化碳排放的指令来限制新车的排放，到2015年，欧洲新车平均排 放将逐步降至每公里130克二氧化碳，到2020年为95克/公里。美国通过的燃油经济条例的目标是到 2016年在美国销售的平均二氧化碳排放每公里155克。到2020年要与世界先进持平。日本的目标是 克，克。低于限额的产品将得到鼓励。在法国，如果低于每公里60克排放量的 产品可以得到5000欧元以上的补助。没有达标的企业将受到惩罚，他们的产品将不允许在这些发达国 家当中进行销售活动。 （摘自科技部万钢部长的发言）第四节 电动汽车的研究中国将推出新的油耗法规，并将于2015年实施，相应折算的二氧化碳排放为每公里161克。争取2020年， 我国汽车排放和能耗进入国际先进水平 （摘自科技部万钢部长的发言） 中国政府于2009年3月提出重点发展纯电动汽车和插电式混合动力汽车。《汽车产业调整和振兴规划》提 出今后三年内我国要形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽 车销量占乘用车销售总量的5%左右。奥巴马“下一代电池和电动车” 奥巴马“下一代电池和电动车”计划用24亿美元支持企业发展“下一代”电池和电动车计划，要求企业按1:1的比例配套24亿美元，其中，15 亿美元资助美国的电池及其配件制造者以提高电池的循环容量；5亿美元资助电动力系统的制造者，电动 机、电路系统及其它动力系统器件。4亿美元用来购买7千余辆全电动车和“插电式”（Plug-in）电动车， 在多个地点做演示验证，研究并评估他们的性能，建立充电系统，并教育、培训出先进电动车领域的专业 人才支撑该行业的发展。 该计划有如下特点： 1）规模宏大――能源部资助24亿美元，加上企业配套24亿美元； 2）重点突出――主要是纯电动车，也有“插电式”混合动力车和增程式电动车，没有油-电混合动力车和 燃料电池电动车； 3）配套整齐――电池及其配件制造；电动机、电路系统及其它动力系统器件；数千辆电动车演示验证，建 立充电系统，并进行教育、培训。 4）直接支持最强的企业。 （摘自中国工程院院士 杨裕生）第四节 电动汽车的研究一、混合动力汽车的节油原因混合动力汽车节省燃油的潜在优势： 混合动力汽车节省燃油的潜在优势： 1）再生制动 电动机处于发电机模式使汽车制动，产生的电能储存于电 电动机处于发电机模式使汽车制动， ）再生制动―电动机处于发电机模式使汽车制动 池中，回收了一部分在传统机械制动器中做为热能而消耗掉的能量。 池中，回收了一部分在传统机械制动器中做为热能而消耗掉的能量。 2）消除怠速工况（或怠速工况大大减少）―电动机作为起动电机，使得 ）消除怠速工况（或怠速工况大大减少） 电动机作为起动电机， 电动机作为起动电机 发动机可以在停车期间和减速制动期间关闭，消除了怠速工况，节省了燃油。 发动机可以在停车期间和减速制动期间关闭，消除了怠速工况，节省了燃油。 3）当发动机关闭时，能量储存装置为附属设备（空调，车内照明灯等） ）当发动机关闭时，能量储存装置为附属设备（空调，车内照明灯等） 提供电能；或者发动机以高于怠速的转速驱动附属设备， 提供电能；或者发动机以高于怠速的转速驱动附属设备，剩余的功率则向储 存装置充电。 存装置充电。 4）发动机排量减少―由于电动机的助力作用，使得发动机的额定功率减 ）发动机排量减少 由于电动机的助力作用， 由于电动机的助力作用 可使发动机运行在具有更高效率的较高负荷区,油耗减少 排放降低。 油耗减少， 少，可使发动机运行在具有更高效率的较高负荷区 油耗减少，排放降低。且 发动机重量更轻，有利于燃油经济性。 发动机重量更轻，有利于燃油经济性。 5）某些混合动力汽车的发动机还能在最大效率点运行。 ）某些混合动力汽车的发动机还能在最大效率点运行。 6）电动机驱动 某些混合动力汽车的电动机可以单独驱动汽车起步加速， 某些混合动力汽车的电动机可以单独驱动汽车起步加速， ）电动机驱动―某些混合动力汽车的电动机可以单独驱动汽车起步加速 避免了发动机在低效区运行。 避免了发动机在低效区运行。 混合动力汽车燃油经济性的限制因素： 混合动力汽车燃油经济性的限制因素：1）较高的重量： 较高的重量： 2）电力损失 能量储存单元、电机和其他元件增加了混合动力汽车的重量。 能量储存单元、电机和其他元件增加了混合动力汽车的重量。混合动力汽车排放减少的原因 ： 排放减少； 1）发动机燃油经济性的提高将使 CO2排放减少； 2）采用较小排量的发动机使HC和NOx降低。 采用较小排量的发动机使HC和NOx降低。 HC 降低第四节 电动汽车的研究二、 混合动力汽车的结构类型及工作原理1 串联型混合动力汽车发动机发电机电动机/ 电动机 控制器蓄电池组主要用途：城市公交车和大客车 主要用途：串联型混合动力汽车的特点 1）发动机与驱动车轮无直接机械联系，发动机可以控制在最佳效率区 发动机与驱动车轮无直接机械联系， 或最低排放区运行； 或最低排放区运行； 2）不需要离合器和变速器（或采用少级变速器），各部件布置灵活； 不需要离合器和变速器（或采用少级变速器），各部件布置灵活； ），各部件布置灵活 3）电动机的电能由发电机和/或蓄电池提供； 电动机的电能由发电机和/或蓄电池提供； 4）适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区, 汽车在起步和低速 ）适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区, 时还可以关闭发动机, 只利用电池进行功率输出, 时还可以关闭发动机, 只利用电池进行功率输出, 使汽车达到零排放要 求。 5）系统的负载能力完全取决于电动机的额定功率，而且电动机的转速 ）系统的负载能力完全取决于电动机的额定功率， 不能太低或太高， 不能太低或太高，否则效率很低 ； 6） 在发动机的机械能经发电机转化为电能，再由电动机转化为机械能 ） 在发动机的机械能经发电机转化为电能， 的过程中，存在比较大的能量损失。另外， 的过程中，存在比较大的能量损失。另外，为了能够传递发动机最大功 发电机的尺寸大。 率，发电机的尺寸大。串联型混合动力汽车的工作模式发动机发电机电动机/ 电动机 控制器蓄电池组1）汽车起动 /加速行驶 /正常行驶工况 发动机通过发电机和蓄电池向电动机提供电能，驱动车轮行驶。 发动机通过发电机和蓄电池向电动机提供电能，驱动车轮行驶。 在市区起步和低速行驶时还可以关闭发动机, 在市区起步和低速行驶时还可以关闭发动机, 只利用电池向电动机提供电 达到零排放要求。 能, 达到零排放要求。 2）轻载充电工况 当电池SOC低于设定值时， SOC低于设定值时 当电池SOC低于设定值时，发动机的一部分功率将通过发电机和功率转换 器向电池充电，另一部分则向电动机提供电能。 器向电池充电，另一部分则向电动机提供电能。 3）减速制动工况 电动机作为发电机，将驱动轮的动能转化为电能向电池充电。 电动机作为发电机，将驱动轮的动能转化为电能向电池充电。 4）停车充电工况 停车时，如果电池SOC低于设定值时， SOC低于设定值时 停车时，如果电池SOC低于设定值时，发动机通过发电机和功率转换器向 电池充电。 电池充电2 并联型混合动力汽车发动机转矩合成器变速器蓄电池组电动机/控制器 电动机 控制器主要用途：轿车、货车、SUV、大客车 主要用途：轿车、货车、SUV、并联型混合动力汽车的特点： 1)发动机和电动机可以单独驱动或者联合驱动车轮； 1)发动机和电动机可以单独驱动或者联合驱动车轮； 发动机和电动机可以单独驱动或者联合驱动车轮 2）不需要额外的发电机，减少了整车净重和成本； 不需要额外的发电机，减少了整车净重和成本； 3）发动机和电动机的功率比串联型的小 ； 发动机和驱动轮直接机械连接，减少了电能转化的损失， 4）发动机和驱动轮直接机械连接，减少了电能转化的损失，但是发动机必须在 一个较宽的转速范围内工作， 一个较宽的转速范围内工作，对汽车的排放和油耗不利 ； 最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。而在其它的行驶工况, 5）最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。而在其它的行驶工况, 由于发动 机不在其最佳的工作区域内运行, 发动机的油耗和排污指标不如串联型。 机不在其最佳的工作区域内运行, 发动机的油耗和排污指标不如串联型。并联型混合动力汽车的分类按发动机和电动机的功率大小 分 按蓄电池组的荷电量变化情况分重度混合型 轻度混合型（ ISG型混合动力 轻度混合型（如ISG型混合动力 汽车） 汽车） 怠速停） 微度混合型 （怠速停）荷电量维持型 （车载充电） 车载充电） 荷电量消耗型 （车外充电 ）混合动力汽车的对比并联混合比 = 电动机功率 电动机功率 + 发动机功率串联混合比=电池组功率 电池组功率+ 发电机组功率并联型混合动力汽车的工作模式发电机发动机电动机/ 电动机 控制器蓄电池组汽车起动/节气门全开加速 节气门全开加速工况 1) 汽车起动 节气门全开加速工况 在一般起步加速工况时，离合器断开，由电动机单独驱动汽车起步， 在一般起步加速工况时，离合器断开，由电动机单独驱动汽车起步，或者由发动机单独驱 动汽车起步；当汽车节气门全开加速时，发动机和电动机联合驱动汽车。 动汽车起步；当汽车节气门全开加速时，发动机和电动机联合驱动汽车。 2）正常行驶工况 ） 电动机关闭，汽车仅由发动机驱动。 电动机关闭，汽车仅由发动机驱动。 3）轻载充电工况 ） 当电池SOC低于设定值时， SOC低于设定值时 当电池SOC低于设定值时，发动机的富裕功率将通过发电机和功率转换器向电池充电 。 4）减速制动工况 ） 电动机以发电机模式工作， 电动机以发电机模式工作，将驱动轮的动能转化为电能并通过功率转换器向电池充电 。 5）停车充电工况 ） 停车时，如果电池SOC低于设定值，发动机通过发电机和功率转换器向电池充电。 SOC低于设定值 停车时，如果电池SOC低于设定值，发动机通过发电机和功率转换器向电池充电。 荷电量消耗型车辆则采用车外充电器充电 。3 混联型混合动力汽车发动机 变 速 器 电动机发电机蓄电池组功率转换器混联型驱动系统是串联型与并联型的综合。 混联型驱动系统是串联型与并联型的综合。发动机发出的功率一部分 通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。 通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的 电能由控制器控制,输送给电动机或电池, 电能由控制器控制,输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力 复合装置传送给驱动桥。 复合装置传送给驱动桥。这种系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联 式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、 式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优 化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态, 化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态, 因此更容易实现排放和油耗的控制目标。 因此更容易实现排放和油耗的控制目标。第五节 电动汽车的研究三、 蓄电池荷电状态的定义SOC（ SOC）是蓄电池放电率、 SOC（State of Charge, SOC）是蓄电池放电率、工作环境温度和蓄电池 老化程度的函数: 老化程度的函数: ?C ? SOC = ? r ? × 100% ?C ? ? 0? 式中： ――某时刻蓄电池的剩余电量 Ah） 某时刻蓄电池的剩余电量（ 式中：Cr――某时刻蓄电池的剩余电量（Ah）； C0――蓄电池以某放电电流放电时的初始总能量（Ah） 蓄电池以某放电电流放电时的初始总能量（ ） 蓄电池以某放电电流放电时的初始总能量 由于Cr、C0受到未来放电制度和放电状态的影响，而且未来的放电制度和 由于 受到未来放电制度和放电状态的影响， 放电状态在当前时刻是无法预测的，因此，一般采用一个更为实用的SOC定义 定义： 放电状态在当前时刻是无法预测的，因此，一般采用一个更为实用的SOC定义：? Q ? SOCI = ?1 ? e ? ×100% ? C ? 0 ? ?式中：Qe――某时刻蓄电池已经使用的电量（Ah）（从完全充满状态开始） 式中： 某时刻蓄电池已经使用的电量（ ） 从完全充满状态开始） 某时刻蓄电池已经使用的电量第五节 电动汽车的研究四、 混合动力汽车能量管理策略主要目标: (1)最少的燃油消耗 (2)最低的排放 (3)最低的驱动系统成本 最少的燃油消耗； 最低的排放； 最低的驱动系统成本； 主要目标: (1)最少的燃油消耗；(2)最低的排放；(3)最低的驱动系统成本； (4)维持或提高汽车的行驶性能 加速，里程，操纵性，噪声等）。 维持或提高汽车的行驶性能（ (4)维持或提高汽车的行驶性能（加速，里程，操纵性，噪声等）。1.电动机辅助控制策略采用发动机作为主动力源，电动机和蓄电池协助提供峰 采用发动机作为主动力源， 值功率。 值功率。 容易对发动机运行工况进行优化。 容易对发动机运行工况进行优化。 电动机响应快、控制灵敏，容易实现不同的控制方法。 电动机响应快、控制灵敏，容易实现不同的控制方法。 多用于并联式混合动力系统。 多用于并联式混合动力系统。基于规则的电动机辅助控制策略SOC & cs_lo_soc 最大转矩曲线 发动机转矩 发动机转矩SOC & cs_lo_soc 最大转矩曲线发动机运行充电转矩 最小转矩曲线 发动机运行发动机 关闭关闭转矩曲线发动机关闭 发动机 关闭 起动转速 发动机转速充电转矩发动机转速第四节 电动汽车的研究2.优化ICE曲线控制策略从静态条件下发动机的万有特性出发， 从静态条件下发动机的万有特性出发，将一定发动机转速和 一定负荷下发动机的最低燃油消耗点连成一条线， 一定负荷下发动机的最低燃油消耗点连成一条线，也就是静态条 件下发动机的最佳工作曲线。 件下发动机的最佳工作曲线。第四节 电动汽车的研究2.优化ICE曲线控制策略发动机在需求功率或转矩高于某个限值时才会工作。 发动机在需求功率或转矩高于某个限值时才会工作。 只有在极限情况下， 只有在极限情况下，如需求功率超过了蓄电池的最大功率调 节能力时，才会调整发动机的工作点。 节能力时，才会调整发动机的工作点。丰田混合动力汽车Prius 五、 丰田混合动力汽车行星齿轮机构原理转速关系(1 + ρ )n3 = ρn1 + n2T3 = ?(1 + ρ )T2 = ?(1 + )T1 1转矩关系ρρ =z1 z2式中 : n1―太阳轮转速 太阳轮转速 n2―齿圈齿轮转速 齿圈齿轮转速 n3―行星架转速 行星架转速丰田Prius混合动力汽车的工作模式 混合动力汽车的工作模式 丰田1）汽车起步加速工况/中低速行驶工况 汽车起步加速工况 中低速行驶工况 由于发动机在这些工况工作效率低， 由于发动机在这些工况工作效率低，因 此发动机关闭，汽车由电动机单独驱动。 此发动机关闭，汽车由电动机单独驱动。 （A） ）2）汽车一般行驶工况 发动机和电动机共同驱动汽车。 发动机和电动机共同驱动汽车。工 作在高效区的发动机作为主要动力源， 作在高效区的发动机作为主要动力源， 其输出功率通过功率分流装置分为两部 分，一部分用于直接驱动车轮（C）， 一部分用于直接驱动车轮（ 另一部分经由发电机发电后驱动电动机 ）。功率流的分配是以提供系统最 （B）。功率流的分配是以提供系统最 大效率为目标进行动态调节的。 大效率为目标进行动态调节的。丰田Prius混合动力汽车的工作模式 混合动力汽车的工作模式 丰田3）急加速工况 蓄电池需要提供额外电能（ ）。 ）。发动 蓄电池需要提供额外电能（A）。发动 机与高输出功率的电动机联合驱动汽车（ 机与高输出功率的电动机联合驱动汽车（B ），保证了良好的加速响应性能和驾驶 ＋C），保证了良好的加速响应性能和驾驶 ）， 平稳性，也提升了汽车的加速性能。 平稳性，也提升了汽车的加速性能。4）减速制动工况 在减速制动期间， 在减速制动期间，高功率的电动机 转化为大容量的发电机运行， 转化为大容量的发电机运行，将汽车的 动能回收为电能，储存于高能蓄电池中。 动能回收为电能，储存于高能蓄电池中。 （D） ）丰田Prius混合动力汽车的工作模式 混合动力汽车的工作模式 丰田5）电池充电工况 当电池荷电量变低时， 当电池荷电量变低时，发电机将为它充 。（E） 电。（ ）6）汽车静止工况 当汽车停车时，发动机自动关闭。 当汽车停车时，发动机自动关闭。第四节 电动汽车的研究六、电动汽车的动力性计算例 某电动大客车使用的电动机性能如下： 某电动大客车使用的电动机性能如下：in ?1146N?m nm ≤ 2000r/ m ? Tm = ? 2 3 b0 +b ( nm ?4518.2) +b2 ( nm ?4518.2) +b3 ( nm ?4518.2) ? 1 ?2000r/ m & nm ≤ 7200r/ m in inTm―电动机转矩（ N? m 电动机转矩（ ）；nm ―电动机转速（r/min）。 电动机转速（ 电动机转矩 ）； 电动机转速 ）。拟合公式系数如下b = 447.527 b =?0. 0 b = ?3.6 b2 =3.6 3电动机自带减速器， 电动机自带减速器，速比 im=2.93；电动机的最高转速为 ； 7200r/min。 。第四节 电动汽车的研究电动大客车的基本参数参数 整车满载总质量/kg 整车满载总质量/kg 迎风面积A 迎风面积A/m2 空气阻力系数C 空气阻力系数CD 滚动阻力系数f 滚动阻力系数f 车轮滚动半径 R /m r 传动系总效率η 传动系总效率ηT 数值
0.7 0.056u 0.056ua 0.475 0.92 参数 旋转质量换算系 数δ 电动机及其控制 器效率η 器效率ηmc 主减速比i 主减速比i0 蓄电池组总能量 ? EB/（ kW h ） 蓄电池的平均放 电效率η 电效率ηq 数值 1.29 0.90 6.2 180 0.95第四节 电动汽车的研究要求1）绘制驱动力―行驶阻力平衡图； ）绘制驱动力 行驶阻力平衡图 行驶阻力平衡图； 2）计算最高车速、最大爬坡度和0～ 50km/h的加速时间； ）计算最高车速、最大爬坡度和 ～ 的加速时间； 的加速时间 3）计算充满电后，按照50km/h匀速行驶的续驶里程。 ）计算充满电后，按照 匀速行驶的续驶里程。 匀速行驶的续驶里程第四节 电动汽车的研究1.驱动力―行驶阻力平衡图T imi0ηT T ×2.93×6.2×0.92 F= m = m =35.18 m T R 0.475 rnmR nm ×0.475 r ua =0.377 = 0.377 =0.00986nm i0im 6.2×2.93F =G =1×(0.056ua ) f f =.3296ua2 2 C Aua 0.7×7.95ua F = D = =0.263 a u2 w 21.15 21.15第四节 电动汽车的研究1.驱动力―行驶阻力平衡图第四节 电动汽车的研究功率平衡图第四节 电动汽车的研究2.最大爬坡度F ?F 35.18 m ?0.263 a T u2 w D= = G 1 2 = 2.11×10?4T ?1.58×10?6ua m? ? D? f 1+ f 2 ? D2 ?? ?? i = tan?arcsin? ? ?? 1+ f 2 ? ? ?? ?第四节 电动汽车的研究2.最大爬坡度第四节 电动汽车的研究3.加速时间计算F ?F 2 w D= = 2.11×10?4T ?1.58×10?6ua m Gdua g = (D? f ) dt δ第四节 电动汽车的研究3.加速时间计算第四节 电动汽车的研究3.加速时间计算第四节 电动汽车的研究3.加速时间计算第四节 电动汽车的研究4. 50km/h匀速行驶的续驶里程f = 0.056ua = 0 .0104F =G =1×0..64N f f2 C Aua 0 ×7.95×502 .7 D F = = N= 657.8N w 21 .15 21 .15F = F + F = 2390.44N f ws= E ×103 ×3600ηTηmc ×0 ηq .7 B F =149262m第三章 汽车动力装置参数的选定第一节 发动机功率的选择Pf + Pw一、根据预定的uamax选择发动机功率 根据预定的PPeηTPe应大致等于但不小于 amax对应的行驶阻力功率。 应大致等于但不小于u 对应的行驶阻力功率。Gf C DA 3 Pe = ( u a max + u a max ), kW η T 1uamaxua第一节 发动机功率的选择二、根据同类型汽车的比功率选择 比功率：单位汽车总质量具有的发动机功率， 比功率：单位汽车总质量具有的发动机功率，单 位：kW/t。 。1000 Pe fg CD A 3 比功率＝ = u a max + u a max , kW / t m 3.6ηT 76.14mηT第一节 发动机功率的选择1.货车的比功率分析变化不大，用于克服F 各类货车的 f、ηT、CD、uamax 变化不大，用于克服 f 的功率变化不大； 的功率变化不大； 变化不大， 变化较大， 各类货车 A 变化不大，但m 变化较大，A/m随质量 随质量 增大而减小； 增大而减小； 货车的比功率随总质量增大而减小。 货车的比功率随总质量增大而减小。fg CDA 3 比 率= 功 uam + ua m 3.6ηT ax 76.14m T ax η第一节 发动机功率的选择第一节 发动机功率的选择第一节 发动机功率的选择第一节 发动机功率的选择货车可以根据 总质量与同类车 辆比功率的统计 数据， 数据，初步选择 发动机功率。 发动机功率。第一节 发动机功率的选择2.轿车的比功率轿车的车速高， 轿车的车速高，最高车速变 化范围大。 化范围大。 比功率主要与 ua max有关。 有关。 比功率还与CDA/ mηT有关。 有关。 比功率还与fg CDA 3 uam + ua m 3.6ηT ax 76.14m T ax η比 率= 功第一节 发动机功率的选择Audi A6与Bora 比功率的比较 与 （两车轴距相差337mm，质量相差 两车轴距相差 ，质量相差170kg） ） 车型 Audi A6 1.8 Bora 1.8 Audi A6 1.8T Bora 1.8T 功率 /kW 92 92 110 110 整备质量 /kg 20 1350 比功率 /(kW ? t ?1 ) 60 68 72 81 最高车速 /(km ? h ?1 ) 198 202 206 221根据设计轿车的总质量、预期的最高车速， 根据设计轿车的总质量、预期的最高车速，利用轿车比功 率曲线可大体确定发动机的功率。 率曲线可大体确定发动机的功率。第二节 最小传动比的选择1.根据汽车动力性及燃油经济性要求 根据汽车动力性及燃油经济性要求 思考 汽车传动系由哪些传动部件组成？ 汽车传动系由哪些传动部件组成？传 如何确定？ 动系总传动比 it 如何确定？总传动比直接档it = i g i0 ici g min = 1(ic :分动器或副变速器传动比) 分动器或副变速器传动比)直接档 超速档超速档it min = i 0it min = i0 i g min & i0i g min & 1第二节 最小传动比的选择1）最高车速i 01 & i 02 & i 03PPf + PwηTi03 i02 i01节油档（ 节油档（超速档uamax1& uP1 uamax2= uP2 uamax3& uP3 uamax2&amaxamax3& uamax1 u u = uPuamax2(up2) uamax1当时，汽车up3uamax3up1ua的最高车速最高。 的最高车速最高。第二节 最小传动比的选择2）后备功率Pf + P wi01的后备功率最小； 的后备功率最小； i03的后备功率最大； 的后备功率最大； i01的燃油经济性最好； 的燃油经济性最好； i03的燃油经济性最差。 的燃油经济性最差。PηTi03 i02 i01uamax2(up2) uamax1 up3 uamax3 up1 ua节油档（超速档） 节油档（超速档）uamax / uP & 1，动力性 ，差，燃油经济性好； 燃油经济性好； ， uamax / uP =1，动力性和 燃油经济性都比较好； 燃油经济性都比较好； ， uamax / uP &1，动力性 好，燃油经济性差。 燃油经济性差。轿车： 趋向于小一点（节油） 轿车：i0趋向于小一点（节油） up＞uamax 山区行驶车辆: 偏向取大一点。 山区行驶车辆: i0偏向取大一点。第二节 最小传动比的选择不同 uamax / uP的取值在轿车中所占的比例uamax / uP0.5～0.7 0.5～ 0.7～0.9 0.7～ 0.9～1.10 0.9～ 1.10～ 1.10～1.39轿车所占比例 3％ 17.5％ 17.5％ 74％ 74％ 5.5％ 5.5％第二节 最小传动比的选择2.最小传动比受驾驶性能的限制驾驶性能是指加速性、动力装置的转矩响应、 驾驶性能是指加速性、动力装置的转矩响应、 噪声和振动。 噪声和振动。 大排量发动机提供较大、较快、较平稳的转矩响应。 大排量发动机提供较大、较快、较平稳的转矩响应。 前置前驱动传动系转矩响应较前置后驱动好。 前置前驱动传动系转矩响应较前置后驱动好。 最小传动比过小，汽车在重负荷下工作，加速性 最小传动比过小，汽车在重负荷下工作， 不好，出现噪声和振动。 不好，出现噪声和振动。 最小传动比过大，燃油经济性差， 最小传动比过大，燃油经济性差，发动机高速运 转的噪声大。 转的噪声大。第二节 最小传动比的选择最小传动比或n 最高档)对转矩响应有很大影响 最小传动比或 e/ua(最高档 对转矩响应有很大影响。 最高档 对转矩响应有很大影响。驾驶性能：指包括平稳性在内的加速性，及动力装置的转矩响应，噪声和振动。 驾驶性能：指包括平稳性在内的加速性，及动力装置的转矩响应，噪声和振动。 只能由驾驶员主观评价确定。 只能由驾驶员主观评价确定。根据每千克车 质量的发动机排量 毫升值， 毫升值，查出允许 的最小 n/ ua值，对 于选择轿车最小传 动比有参考价值。 动比有参考价值。第三节 最大传动比的选择思考 传动系最大传动比 im 主要用于什么工况？ ax 主要用于什么工况？ 满足汽车的最大爬坡度 满足汽车的最大爬坡度αmax； 汽车的最大爬坡度 满足汽车的最低稳定车速u 满足汽车的最低稳定车速 amin ； 满足汽车加速时间的要求； 满足汽车加速时间的要求； 满足汽车的附着条件 F max ≤ F 。 X ?第三节 最大传动比的选择一、满足最大爬坡度要求i t max = i g 1 i 0头档低速爬大坡， 头档低速爬大坡，ua小，Fw≈0 Fj=0Ft max = Fi max + FfTemaxig1i0ηt / r = Gf cosαmax + Gsinαmaxig1 ≥ G( f cosαmax + sinαmax)r / Temaxi0ηt第三节 最大传动比的选择二、满足附着条件（ 校核） 满足附着条件（ 校核）前轮驱动汽车: 前轮驱动汽车 后轮驱动汽车: 后轮驱动汽车C ?1 ≤ ?C? 2 ≤ ?i max ≤? b hg ? i max L Limax ≤? a hg + imax L L若不满足附着条件，可改变汽车质心位置，结构，提高附着能力。 若不满足附着条件，可改变汽车质心位置，结构，提高附着能力。三、（越野车）满足最低稳定车速要求 、（越野车） 越野车 在松软路面以高速行驶时，土地受到冲击引起的土地剪切破坏增大 在松软路面以高速行驶时，土地受到冲击引起的土地剪切破坏增大, 附着条件被破坏，为了防止车轮打滑，要求能以极低稳定车速行驶。 附着条件被破坏，为了防止车轮打滑，要求能以极低稳定车速行驶。u a minn min r = 0 .377 i g 1i0ig1n min r = 0 . 377 u a min i0第四节 传动系档数与各档传动比的确定P +P f w一、档数档数越多，动力性经济性越好，超过6 档数越多，动力性经济性越好，超过6档， 结构复杂，重量增加，操纵较麻烦。 结构复杂，重量增加，操纵较麻烦。PηT档间传动比≤1.7～ 档间传动比≤1.7～1.8（否则换档困难） 否则换档困难）一般， 愈大，档数应增大，否则换档困难。 一般，itmax/ itmin愈大，档数应增大，否则换档困难。 档数取决于比功率和使用条件： 档数取决于比功率和使用条件：ua(km/h)轿车： 轿车：Pe/G(uamax↑) ↑ 货车， 货车，客车：Pe/G↓D1max, D0max↑→ itmax/(itmin↑)=3 ～ 5, 4～5档(个别6档) ～ 个别6 D0max↓→ itmax/itmin=5 ～ 7，5～6档(个别7档) 个别7 ， ～档数根据加速时间确定。一般档数＞ 档数根据加速时间确定。一般档数＞5档，接二档副变速器。 接二档副变速器。第四节 传动系挡数与各挡传动比的选择挡位数多，对汽车动力性和燃油经济性都有利。 挡位数多，对汽车动力性和燃油经济性都有利。 动力性：挡位数多， 动力性：挡位数多，增加了发动机发挥最大功率 附近高功率的机会，提高了汽车的加速和爬坡能力。 附近高功率的机会，提高了汽车的加速和爬坡能力。 燃油经济性：挡位数多， 燃油经济性：挡位数多，增加了发动机在低燃油 消耗率转速区工作的可能性，降低了油耗。 消耗率转速区工作的可能性，降低了油耗。 比功率大→ 挡位数少（阻力靠后备功率克服）。 比功率大 挡位数少（阻力靠后备功率克服）。 比功率小→ 挡位数多（阻力靠变换挡位克服）。 比功率小 挡位数多（阻力靠变换挡位克服）。 重型货车和越野汽车使用中，载质量变化大， 重型货车和越野汽车使用中，载质量变化大，路 面条件复杂， 面条件复杂， 大，挡数较多。 挡数较多。二、中间档位传动比的确定要求： 工作） 要求：1）充分发挥发动机的功率（n1-n2工作） 充分发挥发动机的功率（ 换档无冲击（档位传动比不能过大） 2）换档无冲击（档位传动比不能过大） 最经济工况工作。 3）最经济工况工作。TePeben1 n2 n(l/min)ua Pe设从I档起步，换档△ 设从I档起步，换档△t=0, △u=0u a = 0 . 377ner ∝ ne i g i0uaI = 0.377'n2 r nr = uaII = 0.377 1 ig1i0 ig 2i0i g1 ig 2 n2 = n1Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ n1 n2 nen2 n1 = ig1 ig 2uaII@(uaⅢ) uaI@(uaII)nr nr ' uaII = 0.377 2 = uaIII = 0.377 1 ig2i0 ig3i0ig 2 ig3 = n2 n1即i g ( n ?1) n 2 i g1 i g 2 = = = ??? = = q (常数） n1 ig 2 i g 3 i gn等比级数，公比 等比级数，q =n ?1i max i min已知： 已知：变速器档数为n, ig1, 及 ign=1则q = n ?1 i g1i g 2 = n ?1 i g1n ?2 , i g 3 = n ?1 i g1n ?3第m档i gm =n ?1i g1n?m倒档： 倒档 i倒Rig1第四节 传动系挡数与各挡传动比的选择等比级数分配传动比的优点1）发动机工作范围都相同，加速时便于操纵（驾驶员 ）发动机工作范围都相同，加速时便于操纵（ 手感强）； 手感强）； 2）各档的发动机平均功率较大，有利于汽车动力性； ）各档的发动机平均功率较大，有利于汽车动力性； 3）便于和副变速器结合，构成更多挡位的变速器。 ）便于和副变速器结合，构成更多挡位的变速器。等比级数分配的缺点：低档部分分布密，高档稀（高档动力经济性较差） 等比级数分配的缺点：低档部分分布密，高档稀（高档动力经济性较差）
三、传动比的调整实际换档△ ≠0 实际换档△t≠0 △u≠0 , ≠0 随换档u 下降越多。 随换档 a↑, △u下降越多。uaII＜uaI ′ ,n1 n2 & ig2 ig1ig 2同理uaIII＜uaII ′ …ig1 ig 2 n2 & n1ig3≤n2 n1in ?1 n2 i g1 i g 2 & & & ??? n1 i g 2 i g 3 in即随车速u 增加，相邻档间传动比间隔应能减少。 即随车速 a增加，相邻档间传动比间隔应能减少。四 、偏置等比级数为了节约燃料和操纵简便，现代汽车一般不用等比级数，阶越小越省油，换档也轻便。 为了节约燃料和操纵简便，现代汽车一般不用等比级数，阶越小越省油，换档也轻便。 汽车多在高档行驶，换档频繁，高档区也多于低档，故高档的速比阶要比低档小。 汽车多在高档行驶，换档频繁，高档区也多于低档，故高档的速比阶要比低档小。直接档的阶 平均档间差值 直接档ig4的对数阶 3档ig3的对数阶 2档ig2的对数阶 2档速比 3档速比J 4 = Cs 3 i g 1?= 2 log 3 i g1 ? log J 4 3（经验系数Cs取0.85～0.92） 经验系数Cs取0.85～0.92） Cs()u1 = log J 4u3 = log J 3 = log J 4 + ?u 2 = log J 2 = log J 4 + 2?i g 2 = 10 u1+u 2i g 3 = 10 u1下标g表示变速箱速比 如i1=ig1*i0(主减速比 主减速比) 主减速比第四节 传动系挡数与各挡传动比的选择可参考此 图确定轿车最 高挡传动比第四节 传动系挡数与各挡传动比的选择可参考此图 确定变速器中间 各挡传动比第四节 传动系挡数与各挡传动比的选择便于主变速器与副变速器的结合一具有5挡的主变速器，各挡间的公比为 一具有 挡的主变速器，各挡间的公比为q 2，其 挡的主变速器 传动比序列为1、 传动比序列为 、q 2、 q 4、 q 6、 q 8。若结合一后置 两挡副变速器，其传动比为 、 ，便可构成一具有10 两挡副变速器，其传动比为1、 q，便可构成一具有 挡位的变速器，各挡间的公比为 ，其传动比序列为1、 挡位的变速器，各挡间的公比为q，其传动比序列为 、 q、q 2、 q 3、 q 4、 q 5、 q 6、 q 7、 q 8、 q 9。 、 这是按等比级数分配传动比的优点之一。 这是按等比级数分配传动比的优点之一。100 90 80 70 60 功率 P/(kw) 50 40 30 20 10 0 0 50 100 车速 V/(km/h) 150 200 250速比按偏置等比级数分配的5档变速器功率平衡图 速比按偏置等比级数分配的 档变速器功率平衡图利用燃油经济性-加速时间曲线确定动力装置参数 第五节 利用燃油经济性 加速时间曲线确定动力装置参数 一、主减速比i0的确定 主减速比 根据要求的原地起步加速时间t和循环工况燃油消耗 确定i 。 根据要求的原地起步加速时间 和循环工况燃油消耗Qs确定 0。 和循环工况燃油消耗前提： 已经确定。 前提： 和 i g已经确定。t(s)PeC曲线：燃油经济性加 曲线： 曲线 速时间曲线。 速时间曲线。 i0不同，将直接影响 不同， 到汽车的动力性和燃油 经济性。 经济性。 思考C曲线 曲线 i0=3.5 3.0 2.5 2.1 1.80 5 10 15 20Qs(km/L)C曲线上的各点是如何计算得到的？ 曲线上的各点是如何计算得到的？ 曲线上的各点是如何计算得到的第五节 利用燃油经济性－加速时间曲线确定动力装置参数二、变速器 ig 和 i0 的确定前提：发动机已经选定。 前提：发动机已经选定。 用不同的变速器和不同 的主减速器相匹配， 的主减速器相匹配，分析 对汽车动力性和燃油经济 性的影响。 性的影响。第五节 利用燃油经济性－加速时间曲线确定动力装置参数二、变速器 ig 和 i0 的确定前提：发动机已经选定。 前提：发动机已经选定。t(s)用不同的变速器和不同 的主减速器相匹配， 的主减速器相匹配，分析 对汽车动力性和燃油经济 性的影响。 性的影响。3.40四档变速器 五档， 五档，最高档为超速档3.40 3.083.08 2.732.73Qs (km/L)第五节 利用燃油经济性－加速时间曲线确定动力装置参数二、变速器 ig 和 i0 的确定前提： 前提：发动机已经选 定。 用不同的变速器和 不同的主减速器相匹 配，分析对汽车动力 性和燃油经济性的影 响。t(s)变速器A i0 =3.4 3.4 3.4 B C 最佳燃油经济性动力性曲线3.08 3.08 2.73 3.08 2.73 2.73t一定 一定Qs一定Qs(km/L)包络线：表示在一定加速时间要求下，所得到的最小油耗，或在一定 所得到的最小加速时间。 包络线：表示在一定加速时间要求下，所得到的最小油耗，或在一定Qs下，所得到的最小加速时间。第五节 利用燃油经济性－加速时间曲线确定动力装置参数 ），变速器 三、发动机排量（功率Pe），变速器ig与i0的确定 发动机排量（选择不同变速器与 不同排量发动机、 不同排量发动机、主减 速器的组合。 速器的组合。根据要求 的加速时间t，确定发动 的加速时间 ， 机排量；由油耗 机排量；由油耗Qs,确 定变速器，再由c 定变速器，再由c曲线 的包络线确定最佳i0， 13.5s第五节 利用燃油经济性－加速时间曲线确定动力装置参数 ），变速器 三、发动机排量（功率Pe），变速器ig与i0的确定 发动机排量（选择不同变速器与 不同排量发动机、 不同排量发动机、主减 速器的组合。 速器的组合。根据要求 的加速时间t，确定发动 的加速时间 ， 机排量；由油耗 机排量；由油耗Qs,确 定变速器，再由c 定变速器，再由c曲线 的包络线确定最佳i0，第五节 利用燃油经济性－加速时间曲线确定动力装置参数 ），变速器 三、发动机排量（功率Pe），变速器ig与i0的确定 发动机排量（将不同的发动 机、不同的变速器 和不同的主减速器 匹配在一起， 匹配在一起，综合 分析}