汽车动力性能的评价标准.doc

浅谈汽车动力性评价标准摘要：本文研究了汽车动力性评价的各种方法和评价指标，介绍了动力性评价的主要参数：最高车速、加速时间、最大爬坡度、发动机最大功率、比功率、驱动轮输出功率、驱动力等相关评价参数；介绍了汽车的动力性衰退现象和汽车动力性评价的实验方法。关键词：汽车动力性 评价指标 加权系数 优化设计1汽车动力性评价的各种方法及评价指标概述1.1汽车动力性概述汽车动力性是汽车最基本的使用性能。汽车无论是用作生产工具还是用作生活用具，其运行效率均取决于是否拉得动、跑得快，即取决于运行速度。在运行条件(地理、道路、气候条件及运输组织条件等)一定时，汽车的平均运行技术速度主要取决于汽车的动力性。显然汽车动力性越好，汽车运行的平均技术速度就越高，汽车运行效率也就越高。因此汽车工程界，用车的、购车的、爱车的都很看重汽车的动力性。汽车具有什么样的动力性算好，如何评定，观点不同，评价的依据也就不同，目前尚无统一公认的评价指标，更无标准。汽车工程界基于具有最高的平均行驶技术速度的观点，以汽车的最高行驶速度、加速时间和最大爬坡度为量标，评定、比较汽车动力性的优劣。对于新车的动力性，人们基本上认同这三个指标。对于在用汽车动力性的评价量标就各不一样了。在用汽车的动力性在新车定型时便已确立，在使用时，再与其他车型横向比较动力性的高低就毫无意义了。就是在同型汽车间相互比较动力性，除了表明具体汽车间动力性存在差异外，也不能据此揭示该型汽车结构、性能的优劣。由于使用条件的差异，在用汽车间不具有横向比较的条件，缺乏可比性。在用汽车固有动力性在使用过程不是恒定不变的，是随着运行过程中部件、零件的磨损、老化等逐渐衰退变差，直至跑不动，丧失工作能力。这样动力性衰退便是汽车技术状况变差的征兆。汽车运行过程、零部件磨损、老化等的进程受运行环境条件的影响有快有慢，即便是运行环境条件相同、累计行程一样的同型汽车，由于使用水平的差异，其零部件磨损、老化的进程也不一样，汽车动力性衰退变差的进程也因此千差万别，而比较汽车在使用过程的动力性与固有动力性，即可判别在用汽车的技术状况。1.2 表征汽车动力性的参数1.2.1 汽车动力性评价指标所谓汽车的动力性，比较专业的说法是指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、所能达到的最高平均行驶速度；而我们平时所能观察到的、比较直观地衡量汽车动力性的指标主要有三方面：汽车的最高车速、汽车的加速时间和汽车的上坡能力。1.2.1.1 最高车速汽车的最高车速：顾名思义，汽车的最高车速是指在水平良好的路面（混凝土或沥青）上，汽车所能达到的最高行驶车速。无风条件下，汽车在水平良好路面上行驶，行驶阻力与驱动力相平衡时达到的稳定车速。根据汽车行驶平衡方程式可得： 1.2.1.2 加速时间汽车的加速性能主要分为原地起步加速性能和超车加速性能。汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价。但因加速度的数值不易测量，一般常用加速时间来表明汽车的加速能力。1.2.1.3 上坡能力汽车的上坡能力：汽车的上坡能力是用满载时汽车在良好路面上所能爬上的最大坡度来表示的。很显然，这里的最大爬坡度是指汽车在一档时的最大爬坡度。1.2.2 发动机主要性能指标扭矩是发动机性能的一个重要参数，是指发动机运转时从曲轴端输出的平均力矩，俗称为发动机的“转劲”。扭矩越大，发动机输出的“劲”越大，曲轴转速的变化也越快，汽车的爬坡能力、起步速度和加速性也越好。扭矩随发动机转速的变化而不同，转速太高或太低，扭矩都不是最大，只在某个转速时或某个转速区间内才有最大扭矩，这个区间就是在标出最大扭矩时给出的转速或转速区间。最大扭矩一般出现在发动机的中、低转速的范围，随着转速的提高，扭矩反而会下降。扭矩的单位是牛顿米（Nm）或公斤米（kgm）。发动机的最大扭矩与发动机的进气系统、供油系统和点火系统的设计有关，在某一转速下，这些系统的性能匹配达到最佳，就可以达到最大扭矩。另外，发动机的功率、扭矩和转速是相关联的，具体关系为：功率=K扭矩转速，其中K是转换系数。选择发动机时也要权衡一下怎样合理使用、不浪费现有功能。1.2.3 汽车附件消耗功率汽车运行时还有底盘和车身附件需要由发动机供给动力，如空气压缩机、空调机和动力转向装置等。动力性检测时，汽车处于非运行状态，像动力转向装置等不工作的附件就不会消耗发动机输出的功率，而像空调机等耗能附件就应关闭，使其不工作。不便停机的空气压缩机等附件在汽车检测时是处于空运转非工作状况，消耗功率很小，故动力性检测时不计汽车附件消耗的功率。1.2.4 汽车传动系损耗功率发动机输出的净功率经传动系输出的过程中，为克服变速器、传动轴和主减速器存在的机械阻力和液力阻力又要损耗部分功率。传动系在传递动力过程中的损耗功率，完全取决于传动系的技术状况。它随传动系技术状况的恶化而增大，还受车速等因素的影响。同型汽车在走合后的新车状态及技术状况良好的汽车，传动系损耗功率有确定的、同一的最低值，即传动系损耗功率的额定值。但汽车生产厂不提供所生产汽车传动系的损耗功率值（传动效率）。有的科技文献、教材等在对汽车进行一般的动力性分析时，常把传动系的传动效率看作一个常数。这个常数值若用于汽车动力性检测就会导致错误的检测结论。因为在汽车使用过程中，传动系损耗功率始终在随技术状况变化，它是个变数。我们的随机实车测试表明，被测同型汽车中，由于各车技术状况不同，传动系损耗的功率各不一样，最大差值达250%-320%，其他被测同型汽车传动系的损耗功率散布在最大值和最小值之间。对同型汽车，传动系损耗功率的最小值便是该车型汽车传动系的额定损耗功率，最大值是该车型传动系状况不宜继续运行时的损耗功率，即上限值。各车型汽车传动系的额定损耗功率和上限损耗功率尚需汽车使用部门通过试验求得。此外，同一汽车不同车速时的传动系损耗功率也不相同。导致传动系损耗功率的传动系阻力（，）与车速（，km/h）的关系为：式中：与车速无关的传动系阻力，N；传动系阻力的速度影响系数，；测试车速，km/h。式中的系数随传动系的技术状况变化，为非定值，但对每一车型汽车其具体的传动系技术状况，系数值是确定的。1.2.5 车轮滚动阻力消耗功率车轮滚动阻力消耗的功率是驱动轮输出功率的一部分，底盘测功机测得的驱动轮输出功率不含克服车轮滚动阻力消耗的功率。故通常指的驱动轮输出功率，即指底盘测功机测得的驱动轮输出功率。1.2.7 驱动轮输出功率发动机产生的转矩随发动机转速（）增加而增大，达最大值后随转速的继续增加，而有所下降。发动机功率（）却随转速增加一直增到最大值。发动机功率与转矩关系如下：则上列等式中左边的即为驱动轮驱动力矩（），为驱动轮转速（），与的乘积为驱动轮驱动功率（），即通常所说的驱动轮输出功率，故：驱动轮输出功率的数学表达式清楚地表明，驱动轮输出功率是汽车发动机和传动系工作过程的输出参数，输出功率的多少，完全取决于发动机发出的功率和传动系的传动效率，即取决于它们的技术状况。驱动轮输出功率用作检测参数，具有很强的信息性、很高的灵敏性、而且直观易懂，最适于用作动力性的检测参数。2、目前汽车动力性评价的各种方法及评价指标存在的主要问题通过对于表征汽车动力性参数的分析，对于汽车动力性的评价方法主要分为以下两个类型。一是传统的汽车界常用的三大指标，也就是最高车速、加速能力、爬坡能力。二是由功率这个参数来表征的汽车动力性，如发动机功率，底盘输出功率，驱动轮输出功率等。下面介绍汽车动力性评价的各种方法及评价指标存在的一些主要问题。2.1 在用汽车的动力性衰退现象动力性作为汽车的主要使用性能之一，在相关的技术文件或标准(如GB7258-1997)中都有明确的要求和规定，对于营运车辆更是要求其动力性水平必须达到相应的技术等级后才能参加经营性运输业务。因此，汽车的拥有者与使用者都希望所拥有或使用的汽车具有良好的动力性，以便能多拉快跑，提高运输效率。而车辆及道路的管理部门为保证道路畅通，减少交通堵塞和交通事故，也要求汽车维持良好的动力性，并强制对其进行定期检测，以确保对营运车辆动力性的要求得到实现，这种氛围有利于在用汽车的动力性能维持在较好的水平上。为了解当前营运车辆动力性的现状，我们曾先后在不同地区的综合性能检测站对汽车的动力性进行了随机检测，现将检测结果归纳整理如下，期望有助于维持营运车辆的动力性处于良好的状况。2.1.1 汽车的动力性随运行里程的增加而逐渐衰退汽车的动力性是发动机和底盘传动系等总成及部件工作能力量化的体现。发动机和传动系固有的工作能力由设计确定，由制造形成，而在使用过程中逐渐丧失。这是由于组成发动机和传动系总成的零部件不可避免的会因相对运动而产生摩擦；因承受机械应力而引起变形和老化；因与周围介质互相作用而遭受腐蚀和氧化等，从而引起零部件的配合特性(如间隙的大小)、相对位置、接触状况等发生变化；进而逐渐削弱发动机和传动系总成的工作能力，甚至使其丧失工作能力。动力性的衰退便是发动机和传动系总成工作能力变差的外表征兆。实践已证明，汽车在使用过程中动力性的衰退是必然的，但衰退的进程是可以控制或减慢的。在相同的使用条件下，同型汽车动力性的衰退进程不但随累计运行里程的多少而异，而且还随使用水平的差异明显不同。图2-1和图2-2为用同一底盘测功机随机检测同型汽车在直接档时的驱动轮输出功率。图中曲线1为该型汽车发动机的外特性，曲线2为该型汽车在额定状况下直接档时的驱动轮的输出功率特性(理想外特性)。驱动轮外特性是指扣除了相应转速(车速)时的非发动机运转所必须的附件和汽车附件所消耗的功率、汽车传动系和底盘测功机传动系以及轮胎滚动阻力所消耗的功率后，在底盘测功机上应测得的相应发动机外特性工况下的驱动轮输出功率。曲线3和4分别为该型汽车具体车辆的实测直接档驱动轮外特性。图4和图5中发动机最大扭矩工况对应的车速分别是60km/h和38km/h左右，发动机额定功率工况对应的车速分别为89km/ h和85km/ h左右。被检车辆皆为营运车辆，均在平原地区运行。从图可见：图2-1 解放CA1090系列汽车实测驱动轮输出功率特性图2-2 东风EQ1090系列汽车实测驱动轮输出功率特性1、汽车使用过程中动力性衰退的标志是输出功率显著降低，随着车速的增加，输出功率的降低幅度增大，最大功率值向低速偏移，输出的最大功率均小于额定值。但输出功率与车速的关系未因动力性的衰退而改变，动力性衰退后的驱动轮外特性仍与发动机固有外特性的走势相似，即驱动轮的输出功率也随速度的增加而增大，功率达最大值后，随速度的进一步增加则输出功率迅速下降。由于各车辆的技术状况不同，故有的车辆在较高车速时输出功率才达最大值，而有的车辆则在较低车速时输出功率即达最大值，图中的曲线3和曲线4就分属这两种情况。而CA1090系列和EQ1090系列车型发动机和驱动轮外特性最大功率的对应车速应为89km/ h和86km/ h左右，但从图中可以看出实际测出的驱动轮最大输出功率对应的车速均小于80km/ h。2、同型号的不同汽车动力性衰退的幅度不相同，在同一使用环境(道路、气候、地理位置等)下，输出功率的减少除受维修后累计行程的影响外，主要取决于汽车的使用水平(驾驶操作、维修质量、运行材料质量等)。如图4中曲线3的车是1993年8月出厂的解放CA1091L2型货车，累计行程为42万km左右，大修后行程近11万km，而曲线4的车则是1993年5月出厂的解放CA1090KL2型货车，累计行程为40万km左右，大修后行程近10万km。曲线3汽车的出厂日期、累计行程及维修后行程均接近曲线4的汽车，但其动力性衰退的进程却慢于曲线4的汽车。图5中曲线3的车是1995年3月出厂的东风EQ140/47型货车，累计行程为32万km左右，大修后行程近10万km，而曲线4 的车则是1995车5月出厂的东风EQ1092F型货车，累计行程为19万km 左右，未进行过大修。曲线3汽车的出厂日期与曲线4汽车的出厂日期接近，而累计行程远多于曲线4的汽车的累计行程，但曲线3 的汽车经过大修，且维修质量较高，故其输出功率远大于曲线4汽车的输出功率，与该型汽车在直接档时的驱动轮的理论外特性相近。3、同车型系列不同厂牌汽车的动力性衰退进程在其它条件相同的情况下，完全取决于汽车的技术水平和制造质量的高低。由于图2-1和图2-2的样本太少，尚不足以据此判别同吨位级的不同型号和不同厂牌汽车的技术水平和制造质量对使用过程中动力性衰退所产生的影响。2.2 最高车速、加速能力、爬坡能力汽车动力性直接影响汽车平均技术速度，汽车动力性的好坏通常以汽车加速性、最高车速及最大爬坡度等项目作为评价指标。动力性代表了汽车行驶可发挥的极限能力。在评价汽车动力性时，由于汽车用途和使用条件的不同，要求也不一样。如经常在公路干线上行驶的汽车，起主要作用的是汽车最大速度，而加速度的要求居于次位。而市内行驶的汽车正好相反，由于城市内交通繁忙，汽车在行驶中需要经常制动、停车和起步，汽车加速性能便成为评价这类汽车的主要指标。下面就讨论对于不同的工况选择同一评价标准。2.2.1 不同工况选择同一评价标准2.2.1.1 良好路面主要在良好路面（路面质量为三级以上，坡度等符合高速公路条件要求）行驶的各类车辆，包括轿车、货车、越野车及客车，在良好路面，对于汽车的最高车速和加速时间有一定的要求，因而通过最高车速和加速时间的测定，能主要反映汽车的动力性。但此时，通过汽车的爬坡度并不能纵向比较汽车的动力性。此时，汽车的爬坡度对于三指标评价汽车动力性而言，所占比重不大。2.2.1.2 丘陵及山丘行驶汽车的实际使用工况主要是在丘陵及山区地带行驶的各类车辆，包括货车、农用汽车、越野车等。由于汽车行驶的路面坡度比较大，因此，发动机的后备功率主要是用来克服坡度阻力功率。此时，汽车的最高车速和加速时间并不能反映其所需的动力性。虽然汽车的最高车速在一定程度上反映了汽车的爬坡能力，但在这种工况下通过确定汽车的最高车速来确定汽车的动力性显然是不准确的，此时，爬坡度对于汽车的动力性评价比重，明显较大。2.2.1.3 无路地区行驶对于主要行驶在坏路、无路地区（如沙漠、泥泞沼泽地、矿区等）的车辆，包括越野车、矿用车等，由于路面的附着系数较小，此时，不要求车辆有很高的速度，在评价动力性时，爬坡度和加速时间所占比重应该比较大。2.2.1.4 市区路面对于主要在城市内行驶的车辆，如公交车、各类公用车辆等，由于行车密度及城市交通的种种限制，此时，最高车速在评价汽车动力性时并没有多大意义，因为此时，汽车多以抵挡行驶，应加重加速时间的比重，以更好的评价汽车的实际使用动力性。2.2.2 不同用途汽车使用同一评价指标2.2.2.1 客车大客车动力性指标的优劣主要通过汽车在良好路面上能够达到的最高车速、加速时间和满载时的最大爬坡度3个指标进行综合评价，但3个指标相互独立，并没有综合的评价指标。对于客车的动力性评价增大比功率，对提高大客车的动力性、经济性，改善环保性能都将产生积极的影响。随着公路质量等级的提高和高速公路的迅速发展，客车设计中的最高车速应高于高速公路上规定的最高车速，实际上大多数大客车的设计最高车速已超过100km/h。超车加速时间短，可使超车时与被超车辆并行行程短，行驶亦安全。大型客车加速性能无论是对公交车辆的频繁起步，还是公路上的客运或旅游客车的超车都是非常实际的。2.2.2.2 货车货车的主要功能在于运输，提高车速能提高运输数量，所以其动力性也应满足最高车速的原则，不同吨位的货车使用不同的发动机，其动力性用3个指标来评价不能说明汽车的动力性，因而可以用比功率等检测参数进行评价。2.2.2.3 轿车最高车速和加速时间是评价轿车动力性最常用的两个评价指标，虽然最高车速越高，加速时间越快，能在一定程度上说明轿车的爬坡度越好。但是同两款轿车，如甲轿车和乙轿车，如果最高车速一样，加速时间甲轿车大于乙轿车，而叫轿车的最大爬坡度远小于乙轿车，此时，我们并不能直观评判两者的动力性的优越。2.2.2.4 越野车越野车主要采用四轮驱动形式，主要在无路等路面行驶，对动力性要求较高，由于对爬坡度要求很高。此时，如甲、乙两越野车，甲越野车爬坡度大于乙越野车，而乙越野车在最高车速和加速时间上大于甲越野车，我们也不能直观地评判两越野车的动力性优越。2.2.3 三大指标评价方法的主要问题 由于存在上述不同工况和不同用途的汽车，且三个指标互相独立，就无法用单一的评价指标直观地评判车辆的动力性好坏。正如轿车注重最高车速和加速时间，而越野车却注重爬坡度，不能简单的说越野车的爬坡度好，越野车的动力性能就优于轿车；反之，轿车的最高车速大，加速时间短，也不能简单地说轿车的动力性能好于越野车。同理，一辆在良好路面表现优越的汽车，并不能简单的说比在山丘路面表现优越的汽车动力性好，反过来说也同样不成立。这些情况就表现了三大评价指标的一大缺陷。此外在用汽车随着使用时间的延续、反映动力性的最高车速、加速能力和爬坡能力都会变差，如最高车速降低了，加速能力差了，最大爬坡能力小了，从而显示了具体在用汽车动力性量标固有量值变差的动态是其技术状况衰退变差进程的反映。汽车使用者对所驾驶的汽车跑不快了、拉不动了、爬长坡的速度慢了的反映和体会，即是用这几个量标对所驾驶的汽车动力性状况的一种定性评定。尽管汽车的最高车速、加速能力和最大爬坡度通俗、直观、易于理解，可以直接测定，但要将测得的具体在用汽车的这几个量标的量值与其固有的量值比较对汽车动力性状况进行定量评价，就困难多了。首先新车定型时的这几个量标的额定值是在规定道路条件下试验确定，或者是经计算得出。要测得具体在用汽车的这几个量标值必须在符合定型试验条件的道路上进行试验，才具有可比性。而路试检测汽车动力性受试验条件制约，通用性差，不适于广泛应用。此外，汽车使用手册提出的额定值未加界定，如最大爬坡度就未界定爬坡度的速度，若越测同类同型汽车虽然都能爬上使用手册给定的最大坡度但爬上最大坡度的速度却快慢不等。因此信息性差的量标就不适于用作在用汽车的检测参数。 实践表明，汽车的最高车速、加速能力、最大爬坡度等量标随汽车技术状况恶化变差而变化的幅值小，体现汽车技术状况的能力差，难以反映技术状况的微小变化，灵敏性差。因此，不适于用作动力性检测参数，它们不能定量地评定汽车的技术状况。 汽车使用手册提供的汽车动力性评价量标的额定值均是在规定条件下，经道路试验确定。由于道路试验和室内台架检测的条件不同，不可将道路试验确定的额定值用作室内台架检测评价汽车动力性的参照值。而要建立各类型汽车的最高车速、加速能力的台架检测评价的通用限值体系，需要投入大量的资金进行大量的实车试验，在全而深入分析试验数据的基础上才能形成切合实际、普遍实用的限值。显然，开展这种基础性、仅具社会效益的工作在当前是相当困难的，也是不必要的。因此，汽车的最高车速、加速能力和爬坡能力用作台架检测参数受外部条件制约。当然，同一辆汽车可通过台架检测其最高车速或加速能力在维修前后或运行前后的变化对比评价其在维修前后或运行前后其动力性状况的变化。 汽车技术等级评定标准JT/Tl9895规定汽车动力性可用发动机功率、底盘输出功率、汽车直接档加速时间3个参数中的任一参数评定，但只规定了发动机功率的限位，未规定后两个参数的限值(JT/T198一95中的评定技术要求)，只规定将检测结果折算发动机功率后，再按发动机功率的跟值要求来评定。这样，虽然JT/T198-95规定了汽车动力性可用3个参数检测，由于未规定底盘输出功率和加速时间的限值，实质上JT/T198-95只是规定了发动机功率一个参数用作汽车动力性的检测参数。2.3 发动机功率、驱动轮输出功率2.3.1 发动机功率评价动力性的主要问题众所周知，汽车运动的动力来自于发动机，汽车整车动力性取决于该车发动机的输出功率。因此，国家规定了机动车“比功率”（比功率=发动机最大净功率/机动车最大允许总质量）作为机动车上牌注册的依据，以此来综合评价机动车的动力性能和确定与最大允许总质量相适应，有足够动力保证的最低限值。发动机在不同工况，不同转速下有不同的输出功率，但一般在技术资料上给出有代表某一型号发动机动力性的指标是“标定功率”（也称额定功率）或“净功率”。发动机的“标定功率”是发动机不安装规定的辅件（如空气滤清器，风扇，发电机，消声器等），在规定的试验条件下测得的最大功率。车辆使用说明书或发动机标牌上给出和标明的就是“标定功率”值。发动机的“净功率”是指按实际用途带有工作所需的全部辅件，在规定的试验条件下测得的最大功率。目前，许多机动车使用说明书和发动机标牌上尚未给出这一指标数据。无论是发动机的“标定功率”还是“净功率”，发动机制造厂提供的数据都是在发动机未装上车之前，在实验室内试验台架（测功机）上测得的。那么，大量在用车辆发动机的功率测试和动力性评定，不可能从每一台车上将发动机拆下进行台架测试。正因为如此，在汽车不解体检测设备中就研制了“发动机无外载加速测功仪”。虽然这种设备可实现就车检测发动机的动力性，但一方面由于其测量结果容易受检测操作的人为因素影响，测试精度较低；另一方面由于型号繁多的发动机的等效转动惯量难以一一确定并列出，其测功转换系数就难以确定，因此，也就难以适应和测得每种型号发动机的准确功率值。此外，发动机输出功率的大小，只能表明发动机本身的动力性，不能完全表明传至驱动轮实际可供利用的有效功率，因为它没有考虑和包含传动系的机械效率，传动系的机械效率受传动系技术状况的影响，技术状况越好，传动效率越高，机械损失也就越小，在相同发动机输出功率的情况下，驱动轮的有效输出功率也就越大，汽车整车的动力性就越好。发动机功率是汽车动力性的基础。发动机不能输出规定的功率，汽车动力性将明显