动力装置特性武汉理工大学

1、动力装置特性动力装置特性 螺旋桨特性 汽车动力特性螺旋桨匹配与调速螺旋桨特性),()2 . 3 , 6 . 1 (,dfKmnKPem螺旋桨与柴油机的配合特性调距桨特性 调距桨特性计算主要是指调距桨推力计算和转矩计算。调距桨的推力 调距桨产生的总推力为： Tp=Ts(1-t) Ts=KTn2D4 其中，Ts是敞水时调距桨的推力，t为推力减额系数，Tp为调距桨的有效推力，KT为推力系数。n为柴油机的转速，D为调距桨的直径，为水的密度。影响推力减额系数t的因素 当调距桨的推力系数增加时，t也增加，特别是对于那些方形系数较大的船舶，这种影响更明显。 船速V对t也有影响，这种影响非常复杂，很难用解析式

2、表示。 正车或倒车时，推力减额系数会发生一定的变化(一般倒车的推力减额系数较大)。推力减额系数 根据各船舶的方形系数CB值，可以按照表近似选取推力减额系数t值：方形系数t方形系数t0.520.110.680.190.560.130.720.210.60.150.760.230.640.170.80.25调距桨的推力系数 调距桨的推力系数计算比定距桨要复杂的多，图中给出了4叶调距桨推力系数的敞水特性曲线螺旋桨进程比 调距桨进程比J可表示为： 其中，Va为调距桨的进速，n为柴油机的转速，D为调距桨的直径。nDVJa螺旋桨进速 调距桨的进速Va可表示为： 其中，Vs为船速，w为伴流系数。)1 (wV

3、Vsa影响伴流系数w的因素 影响伴流系数w的因素主要有： 与船型有关，特别是船舶的方形系数影响最大 与螺旋桨的直径有关； 与船体表面的粗糙度有关； 当傅汝德系数小于1时，随着船速的变化而变化。CB与w之间的关系方形系数w方形系数w0.520.150.680.270.560.180.720.30.60.210.760.330.640.240.80.36调距桨的转矩计算 调距桨的负荷转矩Mp可以表示为 Mp=KQn2D5 其中，KQ为转矩系数，n为柴油机的转速，D为调距桨的直径，为水的密度。转矩系数K 转矩系数K与推力系数一样，也是进程比J，和螺距角的函数船-机-桨动态特性结构 船舶运动的方程应当

4、是三维运动方程，为了简化模型，仅考虑船舶的直线运动，并且设船舶舵角为零，则船舶运动方程为： 其中，m为船舶质量与船体附连水质量之和，Vs为船速，t为时间，Tc为螺旋桨有效推力，Rs为船体阻力。船舶运动方程scdtdVRTms 柴油机与螺旋桨采用刚性连接时，则有 其中，I为柴油机、轴系和螺旋桨当量转动惯量的总和，n为螺旋桨转速，Ms为柴油机输出转矩，Mp为螺旋桨回转时产生的水阻力矩，Mf为在柴油机和轴系中因机械损失所消耗的转矩。船-机-桨动态特性方程fpsMMMdtdnI30驱动特性与油耗特性汽车动力特性 汽车动力性评价指标 汽车驱动力和行驶阻力 汽车行驶驱动力附着条件以及汽车附着力 汽车驱动力

5、行驶阻力平衡图 汽车功率平衡研究方法 分析受力 建立行驶方程式 以图、表（或编程）的形式，按汽车动力性评价指标，确定汽车的动力性汽车动力性评价指标 最大车速Vmax 最高车速，是指汽车在平直的、良好道路（混凝土或柏油）上所能达到的平均最高行驶车速 加速时间t 原地起步加速时间：一般用0400m或者0100km/h的时间表示原地起步的加速时间 超车加速时间：以最高档或次高档，以amax加速至某一高速所用的时间 最大爬坡度imax 以满载、良好路面上的imax来表示。 商用车30或16.5 越野汽车60或31 轿车最高车速较大，且通常在良好的市区道路行驶，可爬坡度很大 有的国家要求汽车在常遇坡道上

6、汽车必须保持的速度表明其加速能力汽车加速过程示意图车速时间汽车驱动力和行驶阻力 汽车动力传递路线：发动机离合器变速器副变速器传动轴主减速器差速器半轴轮边减速器车轮 阻力传递路线为逆向TgtqtttjwiftiiTTrTFFFFFFFF0汽车驱动力autF0FZFWtTrTFtt0FFt速度特性及表述汽车牵引力特性 车用内燃机的转矩在汽车驱动轮上产生的驱动力Ft (N)按下式计算riiTFtktqt0发动机输出动力（速度特性）min/,9549),(rnkWnTPNmnfTtqetqmaxePmaxtqTtqnpnminnmaxn汽车加速等过渡工况 在过渡工况，功率和转矩下降约5%6%0008.

7、00007.0tqstqstqTdtdTTTT发动机部分负荷工况tTePntTeP传动系传动系机械效率T 主要损失部件 变速器和主减速器(含差速器) 主要损失形式 液力损失和机械摩擦损失：液力损失,如搅动和磨擦。它与润滑油品种、温度、转速、油面高度等有关%100)1(%1002PPPPPTeTeT典型传动系的效率 汽车传动系总成机械效率 46档变速器T =0.96 68档变速器T =0.95 传动轴T = 0.98 主减速器T = 0.96 (单级)；T = 0.92(双级) 汽车传动系机械效率 轿车T=0.900.92 商用车T=0.820.85 越野车T=0.800.85动力学分析车轮半径

8、 自由半径 r 静力半径 rs 滚动半径 rr= rs = r=S/(2n) S行驶距离，n转动圈数 欧洲车轮委员会 rr= Fd/(2) 其中：子午线轮胎 F=3.05；斜交轮胎F=2.99车速与转速 汽车行驶速度 (kmh)与发动机转速n(rmin)的关系0377. 0irnika汽车驱动力与行驶阻力汽车驱动力)()(atqufnfT1tF2tF3tF4tFtF驱动力au车速，行驶阻力 行驶阻力主要有滚动阻力、空气阻力、爬坡阻力、加速阻力等。jiwfrFFFFF滚动阻力 滚动阻力Ff：轮胎内部摩擦产生的迟滞损失。这种迟滞损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶 式中，m为汽车总质量；g为重力加速度；

9、f为轮胎滚动阻力系数，对货车可取f=0.020.03，对轿车为f=0.0131+0.01(va-50) ；va为汽车的行驶速度(km/h)；为坡道角，当不大时，COS1mgfmgfFfcos轮胎的形变与受力CDKNF,mmh/ZF车轮受力与滚动摩擦系数 滚动阻力系数的试验确定法：牵引法、滑行法和转鼓法1ZFa1xF1fT1W1pFau111111111111WFffWFrafFraFrFrFaFTWFppzppxzfz则令影响滚动摩擦系数的因素 汽车速度ua对 f 的影响 轮胎的结构、材料、帘线对f 的影响也很大。子午线轮胎 f 小，天然橡胶 f 低脱落和爆裂。产生驻波现象，高温、fhkmuc

10、onstfhkmuaa,/200.,/100fPfWPfPaaa参与变形（稍微）道路寿命道路受力aaaauf,ufu.f)/u(ff商用车轿车商用车：轿车：220000056000760194401f的经验公式甚至增加几十倍。侧滑时。通常不考虑转弯的影响转弯时ff%,10050汽车空气阻力 定义：汽车直线行驶时受到的空气阻力在汽车行驶方向上的分力。 分类： 压力阻力主要受形状、扰动和诱导阻力组成 形状阻力主要与汽车的形状有关，约占58 干扰阻力：汽车突出部件，如后视镜、门把手、导水槽、驱动轴、悬架导向杆等，约占14。 内循环阻力：发动机冷却系、车身通风等气流流过汽车内部，占12。 诱导阻力：空

11、气升力在水平方向的分力，占7。 摩擦阻力：9。汽车空气阻力公式 与汽车迎风投影面积和汽车对空气相对速度的动压 成正比。CD为汽车的空气阻力系数，轿车取0.40.6，客车取0.60.7，货车取0.81.0；A对货车为前轮距总高，轿车为0.78总宽总高；a为空气密度，在常温下可取=1.226kgm3221raDwACF影响 Fw 的因素：CD 和 A 由于乘坐空间的制约A变化不大；但CD变化较大 CD大小对轿车（高速）汽车的性能影响极大 帕萨特 (Passat) CD= 0.28降低风阻系数CD的方法 前部低， 过渡平滑， 后部加扰流板， 掠背式， 底部导流，平整化，向后应逐步升高， 整车俯视形状

12、为腰鼓式， 改进通风进口、出口位置， 商用车顶部安装导流罩系统。当前车身设计的降风阻理念爬坡阻力较小时）（道路阻力系数，较小，当fitgshiitgmgFWFmgimgFiii/sinsinsinsin加速阻力dtdmFaj 为汽车旋转质量换算为平移质量的换算系数2211ki06. 004. 0105. 003. 02驱动力、附着力分析汽车驱动附着力图示1ZF2xF1xFdtdumsinmgcosmgmgwFghgwhh1fT2fT1jT2jTLabaudtdu2ZF汽车行驶附着力条件fFfFFFFFFFFFFZtZftxZxZx222max)(足：所以，附着力条件应满则产生滑转现象，若轮胎与

13、地面的附着条件dtddtdIw22ZF2fT2pFdtdum22W2xFtT0F汽车附着力系数 在硬质路面上，汽车附着系数取决于路面种类和状况，也与车速相关。不同汽车的附着系数与利用率加速、爬坡与动力平衡汽车行驶动力描述的特征 汽车行驶方程仅表示各个物理量之间的数量关系汽车行驶方程仅表示各个物理量之间的数量关系 汽车行驶方程有些项并不是外力汽车行驶方程有些项并不是外力 Ft不是作用于车轮的地面（切向）反作用力，仅不是作用于车轮的地面（切向）反作用力，仅为了计算方便才将其定义为驱动力为了计算方便才将其定义为驱动力 滚动阻力也不是作用于汽车上的阻力，而是以滚滚动阻力也不是作用于汽车上的阻力，而是以

14、滚动阻力偶矩的形式作用于车轮上动阻力偶矩的形式作用于车轮上 作用在汽车上的惯性力是作用在汽车上的惯性力是mdu/dt而不是而不是mdu/dt 飞轮的惯性力矩作用在汽车的横截面上，而不作飞轮的惯性力矩作用在汽车的横截面上，而不作用于车轮上用于车轮上 Fj只是代表惯性力和惯性力矩的只是代表惯性力和惯性力矩的总效应总效应行驶方程dtdmACmgfriiTaaDtktq200473. 0 行驶方程式反映了汽车行驶时，驱动力和外界阻行驶方程式反映了汽车行驶时，驱动力和外界阻力之间的普遍情况。力之间的普遍情况。 可分析汽车在附着条件良好路面上的行驶能力。可分析汽车在附着条件良好路面上的行驶能力。即在油门全

15、开时，汽车可能达到最高车速、加速即在油门全开时，汽车可能达到最高车速、加速能力和爬坡能力。能力和爬坡能力。驱动力与行驶阻力平衡图 为了清晰地描述汽车行驶时受力情况及其平衡关系，通常将平衡方程式用图解方式进行描述，即将驱动力Ft和常见行驶阻力Fw和Ff 绘在同一张图上1tF2tF3tF4tFwfFF fFmaxauau)(sin1maxmgFFFtgiwfth/kmua，车速riiTFTgtqt0mgfFf15212.AuCFaDw加速能力a aj j不方便评不方便评价。通常用价。通常用加速时间或加速时间或加速距离来加速距离来评价评价。jjjwftjjjjwftjauussaudusduauds

16、FFFmdsududtdudsdsdtduaauttadutadudtFFFmdtdua)(1)(1或者离散化处理后则加速度倒数曲线为加速度：汽车的加速度-速度图1 ja2ja3ja4jamFFwffmaxauauuua不同于h/kmua，车速加速度倒数曲线auja/1jautjauus11ja41ja21ja31jaconstuuismu/6 . 31加速时间曲线au速度加速时间计算法 手工计算时,一般忽略原地起步过程的离合器打滑过程.即假设在最初时刻，汽车已具备起步换档所需的最低车速。 换档时刻的确定：若I-II加速度曲线相交，则规定在交点处换档；若I-II的加速度曲线不相交，则规定在发动

17、机最高转速处换档；换档时间一般忽略不计（正态分布t=0.20.4s)。 计算加速时间的用途：确定汽车加速能力；传动系最佳匹配；合理选择发动机的排量。爬坡能力 利用驱动力利用驱动力-行驶阻力平行驶阻力平衡图确定汽衡图确定汽车的爬坡能车的爬坡能力，其前提力，其前提条件是路面条件是路面良好，克服良好，克服 Fw+Ff后的后的全部力都用全部力都用于克服坡道于克服坡道阻力。阻力。)(arcsin,)(arcsin)(sin)1cos(15.2102mgFFFtgtgiimgFFFFFFmgAuCmgfFFFFFFadtduwftwftwftaDwfiwftj表示通常用坡度假设汽车爬坡度%100i坡度ma

18、ximax0imaxumgFFfw)(arcsinmaxmgFFFtgtgiwftmgFt汽车动力性评价dtdugGFFDdtdugifdtduGmGFFGFFFFFFFwtfiwtjiwft动力因素)(动力因素图示dtdugii或maxmax0imaxumax1Dmax0DdtdugifD动力因素与爬坡)(, 011arcsinsin1cossincos0maxmax222max1max1maxmax2maxmaxmaxImImmaxmaxfDgdtduiitgffDfDfDfDiifDdtduiaxax，在加速时时，在求汽车的功率平衡图 用纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动机功率与经常

19、遇到的阻力功率对车速的关系绘制在直角坐标图上，就得到功率平衡图kw功率，hkmua/，车速maxauautwfPPIIIIIIIV部分油门开度后备功率abC后备功率 汽车后备功率越大，汽车的动力性越好。 利用后备功率也可确定汽车的爬坡度和加速度。 功率平衡也可描述汽车行驶时的发动机负荷率，有利于分析汽车燃油经济性。后备功率)PP(PwfTe1汽车功率与阻力 档位不同时车速的范围不同，但是功率的大小不变，只是各档的功率曲线对应的车速位置不同。低档时车速低，速度变化区域窄；高档时车速高，所占速度变化区域大。 滚动阻力功率在低速时近似为直线，而在高速时是二次曲线（低速、货车） 空气阻力功率曲线为三次

20、函数 在低速时以滚动阻力功率为主，而在高速时以空气阻力功率为主。档位变换、动力与油耗燃油经济性 汽车的使用油耗(L/100km)可根据发动机的负荷(功率或阻力)和燃油消耗率计算f31001078. 2trrbFqriibpVBqkemesta010000884. 0100档位匹配与油耗 单纯改变传动比，使发动机在较高而较低的工况运行，并不能降低汽车的油耗。应设法使发动机万有特性的低油耗区移至中等转速、较低负荷区，也就是说，设法使发动机的经济区位于常用挡位、常用车速区。这就要求在选择发动机时，对其特性提出具体的要求，或者设法改变发动机的特性，以适应与汽车配套的要求。 汽车用不同的变速器挡位行驶时

21、，差异较大。在同一道路条件与车速下，虽然发动机发出的功率不变，但挡位越低(传动比越大)，后备驱动力越大，发动机的负荷率越低，越高，也越大。使用高挡位的情况则与此相反。因此增加变速器的挡位，加大通过选用合适挡位使发动机处于经济工况的概率，有利于汽车的节油。近年来，汽车变速器挡位有逐渐增加的趋势，轿车变速器已有5挡，重型货车甚至达10挡以上。自动控制的无级变速在这方面可达到最优化。离合过程 在汽车起步离合器接合过程中，离合在汽车起步离合器接合过程中，离合器从动盘上的扭矩是随离合器同步时器从动盘上的扭矩是随离合器同步时间和接合时转速的变化而变化的。离间和接合时转速的变化而变化的。离合器的实际接合过程

22、如右图所示。对合器的实际接合过程如右图所示。对离合器的接合过程我们最感兴趣的是离合器的接合过程我们最感兴趣的是离合器从动轴扭矩的增长过程，它是离合器从动轴扭矩的增长过程，它是时间时间t的函数。的函数。换挡规律汽车在实际行驶时，货车高档位使用率汽车在实际行驶时，货车高档位使用率90%以以上。为了合理利用有限的档位，使汽车具有良好上。为了合理利用有限的档位，使汽车具有良好动力性和燃料经济性，将传动比间隔由低档到高动力性和燃料经济性，将传动比间隔由低档到高档逐渐减小的偏等比级数分配各档传动比，使变档逐渐减小的偏等比级数分配各档传动比，使变速器在不同档位工作时发动机的转速范围不同。速器在不同档位工作时发动机的转速范围不同。低档时转速范围宽，而高档时窄，使高档两档之低档时转速范围宽，而高档时窄，使高档两档之间的重合区域增大。当汽车高速行驶变速器在高间的重合区域增大。当汽车高速行驶变速器在高档之间换档时，发动机功率下降较小，在发动机档之间换档时，发动机功率下降较小，在发动机工作区内平均功率较大。工作