第八章 发动机与整车性能匹配

1、第八章第八章 发动机与整车性能匹配发动机与整车性能匹配 8-1 汽车动力传动装置及主要参数的确定汽车动力传动装置及主要参数的确定8-2 汽车行驶基本原理及特性汽车行驶基本原理及特性 8-3 发动机与传动装置性能匹配发动机与传动装置性能匹配8-4 整车性能的改进途径整车性能的改进途径 整车匹配的必要性：整车匹配的必要性： 整车的动力性、经济性及排放性整车的动力性、经济性及排放性E/G性能性能 E/G性能好性能好汽车性能就好；汽车性能就好； 汽车性能：汽车性能：POWER TRAIN 匹配的结果。匹配的结果。 不仅具有良好的车型结构；而且不仅具有良好的车型结构；而且 具有优良的动力传动系统及其优化

2、匹配。具有优良的动力传动系统及其优化匹配。汽车的标准：优良的车型；汽车的标准：优良的车型； 配优良的发动机；配优良的发动机； 匹配优良的动力传动系统匹配优良的动力传动系统发挥发动机发挥发动机 性能的前提。性能的前提。8-1 汽车动力传动装置及主要参数的确定汽车动力传动装置及主要参数的确定发动发动机机离合离合器器变速变速器器主减速主减速器器差速差速器器半轴半轴车轮车轮一、动力传动装置及其作用：一、动力传动装置及其作用： 汽车动力传递的途径汽车动力传递的途径连接或断开动力传动；并对发动机输出的转矩进连接或断开动力传动；并对发动机输出的转矩进行放大行放大适应汽车行驶过程中对转矩的需求。适应汽车行驶过

3、程中对转矩的需求。 1）离合器：连接或断开发动机的动力传递）离合器：连接或断开发动机的动力传递 1718192021222324机械机械液压液压电磁电磁要求：可靠传递要求：可靠传递E/G最大扭矩；最大扭矩； 足够的传递储备（转矩容量）；足够的传递储备（转矩容量）； 分离时要彻底、迅速；分离时要彻底、迅速； 保证摘挡轻便、换挡冲击小；保证摘挡轻便、换挡冲击小； 接合时平顺、柔和；接合时平顺、柔和； 起步时没有抖动和冲击性。起步时没有抖动和冲击性。 2）变速器：将）变速器：将Ttq/n，通过不同传动比进行放大，通过不同传动比进行放大适应不同汽车行驶条件对不同牵引力的要求。适应不同汽车行驶条件对不同

4、牵引力的要求。 678要求：足够的变速范围要求：足够的变速范围档位数及变速比档位数及变速比在发动在发动机万有特性上有选择余地。机万有特性上有选择余地。 变速比及档位数受变速器结构的限制变速比及档位数受变速器结构的限制 无级变速无级变速CVT 有级变速有级变速 3) 传动轴：传递变速器输出的转矩，传动轴：传递变速器输出的转矩， 要求：吸收变速器和车轮驱动轴间位置和角度的要求：吸收变速器和车轮驱动轴间位置和角度的变化量。变化量。 结构：万向节结构：万向节相对位置不断变化的两根轴之间相对位置不断变化的两根轴之间传递动力。传递动力。 cos21 tgtg主从动轴之间的转角传动关系：主从动轴之间的转角传

5、动关系： 1：主动叉所在平面与主从主动叉所在平面与主从动轴所在平面的夹角；动轴所在平面的夹角； 2：从动叉所在平面与万从动叉所在平面与万向节主从动轴所在平面向节主从动轴所在平面的夹角。的夹角。瞬时角速度的传递关系：瞬时角速度的传递关系： 12212cossin1cos万向节的转矩传递关系万向节的转矩传递关系 ： coscossin112212 MM即，当即，当M1, 一定时，输出转矩随一定时，输出转矩随 1 （轴旋转）周（轴旋转）周期性变化。期性变化。车辆振动。车辆振动。 4）主减速器：进一步增大减速比）主减速器：进一步增大减速比放大驱动转矩，放大驱动转矩，调节转速；将曲轴旋转方向改变成车轮旋

6、转方向。调节转速；将曲轴旋转方向改变成车轮旋转方向。使变速器小型紧凑。使变速器小型紧凑。 1237 . 65 . 30i单级：单级：i0过大过大外壳尺寸增加，外壳尺寸增加，离离地间隙地间隙 ，通过性，通过性 . 1060i双级：双级：确定主减速比时，考虑以下三个方面的因素：确定主减速比时，考虑以下三个方面的因素： 满足汽车动力性和经济性的要求；满足汽车动力性和经济性的要求； 相啮合齿轮的齿数间没有公约数，保证主、从相啮合齿轮的齿数间没有公约数，保证主、从动齿轮各齿之间都能正常啮合，起到自动磨合作动齿轮各齿之间都能正常啮合，起到自动磨合作用；用；大小齿轮的齿数之和大小齿轮的齿数之和40。保证重合

7、系数和轮齿。保证重合系数和轮齿的抗弯强度。的抗弯强度。对轿车，一般小齿轮齿数对轿车，一般小齿轮齿数Z19；货车；货车Z165）差速器：汽车转弯时，左右轮转弯半径不同）差速器：汽车转弯时，左右轮转弯半径不同旋转速度不同。差动装置就是适应这种左右车轮的旋转速度不同。差动装置就是适应这种左右车轮的转速差转速差同时向车轮传递动力。同时向车轮传递动力。 设差速器外壳角速度设差速器外壳角速度 0，两个半轴角速度分别为，两个半轴角速度分别为 1， 2。0212则，则，;2, 0012210, 0差速器外壳受到的转矩为差速器外壳受到的转矩为T0；转速快；转速快/慢的两个半轴慢的两个半轴对差速器的反转矩分别为对

8、差速器的反转矩分别为T1，T2；Tr为差速器内部为差速器内部摩擦力矩，则摩擦力矩，则 ;12rTTT012TTT差速器的锁紧系数差速器的锁紧系数K： 0TTKr；则则，)1 (5 . 001KTT)1 (5 . 002KTT不计差速器内部摩擦力矩，不计差速器内部摩擦力矩，K=0，T1=T2=0.5T0，半轴转矩平均分配半轴转矩平均分配 考虑内摩擦力矩，使考虑内摩擦力矩，使K0时，时，T1T2。增大增大K，可较好地利用左右轮上的附着力，提高汽，可较好地利用左右轮上的附着力，提高汽车的通过性。车的通过性。所以，现代汽车一般取所以，现代汽车一般取 K=0.330.67。二、动力传动系统主要性能参数的

9、选择二、动力传动系统主要性能参数的选择1）发动机最大功率的选择：依据最高车速）发动机最大功率的选择：依据最高车速)15.213600(13maxmaxaDaevACvWfP货车：最高车速及加速性要求低，估算时，可货车：最高车速及加速性要求低，估算时，可忽略空气阻力：忽略空气阻力： max36001aevWfP2）最小传动比的选择：）最小传动比的选择： 最小传动比最小传动比=最高档位，最高档位，汽车常用工况。汽车常用工况。汽车总传动比：汽车总传动比： Ktiii0：逐减速比：逐减速比0i：变速器速比：变速器速比Ki动比为：动比为：直接挡时，汽车最小传直接挡时，汽车最小传当当1Ki0miniit最

10、高挡为超速挡最高挡为超速挡iKmin时，时，最高档最高档min0minKtiii在选择在选择iKmin时，主要考虑两方面因数：时，主要考虑两方面因数： 最高挡爬坡能力和加速能力最高挡爬坡能力和加速能力具有足够的最高具有足够的最高挡最大动力因数：挡最大动力因数： WvACriTDaMDttq/ )15.21(2minmaxmax0的的车车速速点点转转速速对对应应MtqaMnTv: 从整车匹配观点确定最高变速比；根据路况选定从整车匹配观点确定最高变速比；根据路况选定io和轮胎半径和轮胎半径r后，使最高档行驶于平路时的牵引功后，使最高档行驶于平路时的牵引功率曲线与率曲线与E/G外特性曲线交于额定功率

11、点。外特性曲线交于额定功率点。 2maxmax)377. 0(15.2196. 7okDokhmeiirnACWfriiiVp 3）最大传动比的选择）最大传动比的选择最大传动比是根据汽车最大爬坡度、附着力和最最大传动比是根据汽车最大爬坡度、附着力和最低稳定车速来确定。低稳定车速来确定。 0maxiiiIt确定最大传动比的三种方法：其中取最小确定最大传动比的三种方法：其中取最小iI值值 根据最大爬坡度确定变速器第一档速比。根据最大爬坡度确定变速器第一档速比。 爬坡时，忽略空气阻力，爬坡时，忽略空气阻力，最大牵引力为：最大牵引力为： maxmaxifKFFFriiTFItqK0maxmax0max

12、maxiTrWitqImaxmaxmaxsincos f最大坡度角最大坡度角 根据驱动轮与路面附着力确定第一档速比根据驱动轮与路面附着力确定第一档速比: 车行驶时驱动轮不打滑条件：驱动力车行驶时驱动轮不打滑条件：驱动力附着力附着力 ,0maxNriiTItq0maxiTrNitqI =0.50.6，道路附着系数，道路附着系数，N:驱动轮垂直反力。驱动轮垂直反力。 根据最低稳定车速确定第一档速比根据最低稳定车速确定第一档速比: 越野车越野车 松软路面上轮胎对地面的附着力松软路面上轮胎对地面的附着力最最低车速低车速 amin iivrniaI0minmin377. 04）变速器各档传动比的确定）变

13、速器各档传动比的确定变速器最高档和最低档确定后，中间各档位初步变速器最高档和最低档确定后，中间各档位初步可按几何级数公比法确定：可按几何级数公比法确定： ) 1(minmax/kiiqqiinn1几何公比，挡位数几何公比，挡位数k5）轮胎的选择）轮胎的选择主要考虑轮胎负荷系数主要考虑轮胎负荷系数=轮胎承受的最大静负荷与轮胎承受的最大静负荷与额定负荷之比。取额定负荷之比。取0.91.0。高速型取下限，车速。高速型取下限，车速低时取偏大的值，但不能大于低时取偏大的值，但不能大于1.2。8-2 汽车行驶基本原理及特性汽车行驶基本原理及特性 ：一、牵引力一、牵引力设设 整车质量为整车质量为m，汽车加速

14、度为，汽车加速度为a，则则 牵引力为牵引力为amFK牵引力：牵引力：Ttq经传动系统传递到轮胎的驱动力。经传动系统传递到轮胎的驱动力。汽车行驶中轮胎对路面作用力的反作用力通过车汽车行驶中轮胎对路面作用力的反作用力通过车轴向车体传递轴向车体传递形成推动汽车前进的推动力。形成推动汽车前进的推动力。 rFTK牵引力和驱动扭矩：牵引力和驱动扭矩： ihVmeptqT3 .318Ttq=f(n)，但其变化范围相对汽车工况窄。为适应，但其变化范围相对汽车工况窄。为适应复杂变化的道路阻力，需将复杂变化的道路阻力，需将E/G的转矩范围，通过的转矩范围，通过变速器放大。变速器放大。 变速时的扭矩特性变速时的扭矩

15、特性 riiTFktqK/0牵引力与牵引力与E/G转矩转矩: 二、汽车行驶特性二、汽车行驶特性 汽车稳定行驶：牵引力汽车稳定行驶：牵引力=汽车行驶阻力，即汽车行驶阻力，即 riiTFFFFFoktqjWifK：轮轮胎胎滚滚动动阻阻力力fF) 1平坦路面上：平坦路面上： fWFfW：汽车总重量（：汽车总重量（kg）f：轮胎的滚动阻力系数轮胎的滚动阻力系数 ：空空气气阻阻力力WF)2车速车速va时：时：15.212aDWAvCFA：汽车正投影面积：汽车正投影面积m2CD：空气阻力系数：空气阻力系数 u准确测量准确测量f和和CD是确定稳定行驶所需牵引力的基础是确定稳定行驶所需牵引力的基础 3）Fi：

16、坡道阻力：坡道阻力 路面坡度倾斜角为路面坡度倾斜角为 时，克服自身重量引起的爬时，克服自身重量引起的爬坡阻力：坡阻力： sinWFi爬坡能力：在良好路面上克服爬坡能力：在良好路面上克服Ff、FW后的余力，后的余力，在等速下所能爬坡的最大坡度。爬坡行驶时汽车在等速下所能爬坡的最大坡度。爬坡行驶时汽车加速度为零，加速度为零， )(sinWfKiFFFWFWFFFWfK)(arcsin即即，爬坡时的牵引力：爬坡时的牵引力： 215.21cossinaDKvACWfWF最大爬坡能力：变速器最大爬坡能力：变速器1挡时的爬坡能力。挡时的爬坡能力。 此时，车速低，此时，车速低，FW0 4）Fj：加速阻力：水

17、平路面上加速运行时：加速阻力：水平路面上加速运行时W：汽车总重量汽车总重量W：旋转部分等效重量：旋转部分等效重量gaWWFj/)(222/)(riiIIIIWOKETFW前后车轮前后车轮主减速器主减速器 变速器变速器 E/G旋转件转动惯量旋转件转动惯量 汽车汽车加速时，道路的坡度角加速时，道路的坡度角 =0=0，)(/)(fWKjFFFgaWWF汽车加速度汽车加速度a： gWWFFFafWK)(最高车速：良好水平路面上，最高车速：良好水平路面上，a=0， =0，则，则215.21aDKvACWfF）（1000/602)(15.21maxinrACWfFvDKa即，牵引力和车速是沟通汽车运行参数

18、与发动机即，牵引力和车速是沟通汽车运行参数与发动机工况的工况的“桥梁桥梁”。汽汽车车加加速速运运行行0)(WifKjFFFFF汽汽车车减减速速运运行行0)(WifKjFFFFF汽车匀速运行汽车匀速运行0)(WifKjFFFFF8-3 发动机与传动装置性能匹配发动机与传动装置性能匹配汽车动力传动系统：动力源和传递系统组合汽车动力传动系统：动力源和传递系统组合发动机性能发动机性能 工况工况有限有限变速器不同挡位变速器不同挡位E/G工况不同工况不同性能不同性能不同整车性能整车性能 发动机和动力传动装置的优化匹配发动机和动力传动装置的优化匹配一、发动机性能与汽车性能之间的关系一、发动机性能与汽车性能之

19、间的关系1) 发动机转速与车速、传动比之间的关系：发动机转速与车速、传动比之间的关系：min/654. 2, km/h377. 0306 . 3000rviriniirniirnvakkka或2) 车速、牵引力与所需发动机功率之间的关系：车速、牵引力与所需发动机功率之间的关系：4010779. 29550aKkKevFiinrFP，由由9550/nTPtqe,/0riiTFktqKakvirin0654. 23) 汽车百公里油耗汽车百公里油耗:afvBq100100rbpiiiVvbPqemekfsafee010000884. 0101000/eebPB 30/niVpPsmee4）传动效率及

20、传动损失）传动效率及传动损失%100eTePPP传传动动系系统统内内部部功功率率损损失失输输出出功功率率；:E/G:TePP 齿轮速比越大，转速越高，传动效率就越低。齿轮速比越大，转速越高，传动效率就越低。二、汽车万有特性及评价二、汽车万有特性及评价发动机工作经济区发动机工作经济区:100%bemin110%bemin100%bemin110%bemin100%bemin线：各等功线：各等功率线最低油耗点的连线率线最低油耗点的连线车速与发动机转速车速与发动机转速n成线性关系成线性关系 牵引功率线：不同档牵引功率线：不同档位下与道路阻力平衡线位下与道路阻力平衡线 三、整车性能匹配方法三、整车性能

21、匹配方法1）常用工况的确定）常用工况的确定 根据汽车的用途，在设计时确定。根据汽车的用途，在设计时确定。车型及其常用工况车型及其常用工况底盘及传动比底盘及传动比发动机的常用工况区。发动机的常用工况区。2）制取汽车万有特性）制取汽车万有特性目的：对确定的发动机及传动系统进行评价目的：对确定的发动机及传动系统进行评价评价方法：制取发动机万有特性；评价方法：制取发动机万有特性； 各挡位下行驶阻力各挡位下行驶阻力=牵引力随牵引力随n的变化曲线的变化曲线 常用挡位、车速下发动机工作区常用挡位、车速下发动机工作区 3）匹配结果评价与改进措施）匹配结果评价与改进措施经济性评价：经济性评价： 经济性匹配时，要

22、求常用档下行驶时经济性匹配时，要求常用档下行驶时E/G工作工作领域接近领域接近100%曲线，或在曲线，或在(100%110%)bemin范范围内。围内。 措施：对有级变速，尽可能用高档；措施：对有级变速，尽可能用高档； 优化传动比：适当减小主减速比优化传动比：适当减小主减速比但对但对 Ttq放大倍数降低放大倍数降低 改善发动机常用工况区经济性改善发动机常用工况区经济性动力性评价：动力性的评价动力性评价：动力性的评价 指标指标p最高车速：在水平良好路面上最高档行驶时，所最高车速：在水平良好路面上最高档行驶时，所能达到的最高车速。能达到的最高车速。最高档位下牵引功率线与最高档位下牵引功率线与行驶阻

23、力曲线交点所对应的车速。行驶阻力曲线交点所对应的车速。p汽车加速时间：原地起步加速时间与超车加速时汽车加速时间：原地起步加速时间与超车加速时间表示。间表示。原地起步加速时间：原地起步加速时间：车速从车速从0km/h加速到加速到Akm/h时连续换档加时连续换档加速时间表示。速时间表示。100km/h80km/h60km/h40km/hA=超车加速时间：直接档行驶时从超车加速时间：直接档行驶时从50 km/h加速到加速到B km/h所需要的时间。所需要的时间。u汽车的加速能力与各档位下的后备功率有关。汽车的加速能力与各档位下的后备功率有关。90km/h80km/h60km/hB=100km/h最大

24、爬坡能力：汽车满载时在良好的路面上所能最大爬坡能力：汽车满载时在良好的路面上所能爬坡的最大坡度来表示。爬坡的最大坡度来表示。 直接档最大爬坡度直接档最大爬坡度表示汽车的超载能力。表示汽车的超载能力。 动力因素动力因素D：评价不同类型、不同排量汽车单位：评价不同类型、不同排量汽车单位质量所能克服的道路阻力的能力和加速能力。质量所能克服的道路阻力的能力和加速能力。 mgFFDWK：牵牵引引力力KF：行行驶驶阻阻力力WFnNnMFWPFWPTFKn排放特性：排放特性：pCO、HC、NOx以及烟度排放特性表示的万有以及烟度排放特性表示的万有特性上特性上评价评价常用档位和常用工况下各种排放常用档位和常用

25、工况下各种排放物的水平物的水平 p 根据排放法规规定的试验工况根据排放法规规定的试验工况NEDC循环工循环工况法：评价或预测循环工况法的排放水平。况法：评价或预测循环工况法的排放水平。u 通过匹配，分析存在的问题通过匹配，分析存在的问题提出改进的有效提出改进的有效途径和措施。途径和措施。8-4 整车性能的改进途径整车性能的改进途径改善汽车百公里油耗的措施：改善汽车百公里油耗的措施： 满足动力性的前提下，尽可能选用小排量发满足动力性的前提下，尽可能选用小排量发动机。动机。小排量化的发展趋势。小排量化的发展趋势。在汽车适用范围内满足牵引力及动力性要求在汽车适用范围内满足牵引力及动力性要求的前提下，

26、尽可能减小传动比。的前提下，尽可能减小传动比。改进发动机的性能。改进发动机的性能。 emebpq100KtqmeFTp确定行驶条件，确定行驶条件，Fk一定，一定，E/G常用工况下的常用工况下的be是是 q100的重要措施的重要措施相对外特性上的相对外特性上的bemin1212123一、发动机性能的改进一、发动机性能的改进改善万有特性形状的主要措施：就是改善不改善万有特性形状的主要措施：就是改善不同负荷下的发动机高低速性能，如同负荷下的发动机高低速性能，如 p可变进气系统技术：可变进气管长度可变进气系统技术：可变进气管长度 可变配气相位可变配气相位进气管可变：根据不同进气管可变：根据不同n，改变

27、旋转件转角位置，改变旋转件转角位置达到控制目的达到控制目的改善高低速充气效率。改善高低速充气效率。 配气相位的可变技术：配气相位的可变技术： 充气效率：进气迟关角及气门升程充气效率：进气迟关角及气门升程高低速性能高低速性能 MIVECMD：休缸控制：休缸控制 VVT-i进气迟关角：重叠角进气迟关角：重叠角内部内部EGR 燃烧方式：燃烧方式：FVVT配气相位及气门升程全程可变配气相位及气门升程全程可变 实现负气门重叠角实现负气门重叠角内部内部EGR HCCI/CAI p增压技术：是一种改善万有特性形状的最有效增压技术：是一种改善万有特性形状的最有效方法。方法。 废气涡轮增压方式：不能很好地兼顾高

28、低速废气涡轮增压方式：不能很好地兼顾高低速性能。性能。需优化匹配技术需优化匹配技术 兼顾高低速性能的措施：兼顾高低速性能的措施：VNT/VGT技术。技术。 汽油机增压：难点是爆震汽油机增压：难点是爆震 成功的汽油机增压技术成功的汽油机增压技术在米勒循环在米勒循环+双蜗双蜗杆耦合式机械增压器杆耦合式机械增压器 p发动机混合气及燃烧模式的控制技术发动机混合气及燃烧模式的控制技术改善点燃式发动机不同工况下特性的措施：改善点燃式发动机不同工况下特性的措施： 根据不同工况分别实施不同燃烧方式。根据不同工况分别实施不同燃烧方式。提早喷油l 低速中小负荷区：采用混低速中小负荷区：采用混 合气分层稀薄燃烧技术合气分层稀薄燃烧技术 压缩后期喷油；压缩后期喷油； 形成上浓下稀分层混合气形成上浓下稀分层混合气; 点火后能高效稳定燃烧点火后能高效稳定燃烧l大负荷区：输出最大转矩大负荷区：输出最大转矩; 进气行程中提前喷油进气行程中提前喷油;