硬核汽车理论(三):汽车是怎么跑起来

在上一篇当中,根据力学知识,我们很容易理解,汽车能够加速跑起来是由于有驱动力的作用,汽车能够匀速行驶是驱动力和行驶阻力相等,其实从本质上,我们研究汽车的运动就是研究汽车的受力,通过建立平衡方程就可以获得汽车动力性的评价指标。

在这一篇文章中,我们将了解一下汽车的驱动力,汽车的驱动力从发动机来,相信大家都不陌生。发动机产生的扭矩通过离合器,变速器,传动轴,主减速器,差速器,半轴,最后到达车轮,那发动机产生的扭矩是如何变成汽车前行的驱动力F呢?

首先我们通过对驱动轮的受力分析来了解一下:

对于一个半径为r的车轮,以速度Ua向前运动,假设受到的发动机的扭矩为Tt,那么车轮就会对路面产生一个行驶反方向的力F0,根据牛顿第三定律,地面也会给车轮一个反作用力,也就是指向行驶方向的力Ft,这就是驱动轮在水平方向上的受力图:

而驱动力Ft的计算公式为:

驱动系统扭矩Tt是发动机传动系统一层层传输过来的,因此,传动系统的传动比和传动效率必然会影响传动力的大小,根据机械原理:驱动扭矩Tt为:

其中Ttq为发动机转矩,ig为变速器传动比,i0为主减速器传动比 ηT为传动系的机械效率.将Tt带入驱动力Ft计算公式,可以得到:

因此我们可以看出,上述的因素都会影响汽车的驱动力,如果汽车当中还有分动器,轮边减速器,公式需要修正,因为这些因素都会影响到汽车驱动力的大小。

接下来我们一一分析影响汽车驱动力的各个因素:

一:Ttq发动机转矩

这是发动机驱动力的本源,发动机最重要的特性,也就是转速特性,一般用功率Pe,转矩Ttq,燃油消耗量b与转速n的关系来表示。当节气门全开的时候,这时候发动机的转速曲线称之为外特性曲线,如果节气门没有全开,称之为部分负荷特性曲线。

比如上图,为一款发动机的外特性曲线,包括了功率Pe和扭矩Ttq,而Ttq就是计算发动机驱动扭矩的核心参数,当然发动机的扭矩和功率满足以下公式的关系:

并且汽油机和柴油机的发动机转速曲线还是很不同的:

上图中,左图为汽油机右图为柴油机,图中的百分比为节气门的开度,节气门的开度越大,表示汽车的负荷也就越大,此时发动机的功率和扭矩也就越大,因此当节气门全开的时候,表示的为发动机的外特性曲线,这个曲线也可以衡量发动机的性能指标。

一般来说,测量发动机的外特性曲线是在汽车实验室中进行测量,在不安装水泵,发电机的情况下进行测量,而汽车中的使用外特性曲线是需要带上全部的附件设备时来进行测量,当然这样测量的发动机性能也会稍微小一些:

一般来说,汽油机的最大功率约小15%,货车柴油机的最大功率约小5%,轿车与轻型货车柴油机的最大功率约小10%,因此我们在计算汽车动力性的时候要使用外特性曲线,而不是外特性曲线。但真实情况中比较复杂,为了更真实的获取汽车的发动机性能,我们一般采用多项式来描述转矩曲线:

来对发动机的输出曲线进行一个拟合,而多项式的系数可以使用最小二乘法来进行恒定。

二:传动效率Nt

在动力传输的过程中,不可避免的会存在动力的损失,简单来说,传动系统中的损失Pt主要分为两类:

1:机械损失

机械损失指的是由于机械零件摩擦导致的损失,与转矩和齿轮对数有关

首先转矩影响,传动的Ttq越大,损失也就越大,但是液力损失的比重较小,整体来看Nt还是较高的。然后是齿轮影响,齿轮对数越少,损失就越小,Nt也就越高。

2:液力损失

液力损失主要是指由于润滑油搅动和零件之间摩擦导致的损失。这与润滑油的品质,温度,油面的高度,转速都有关联

尽管影响传动效率的因素比较多,但在工程上我们可以把传动效率看作一个常数来进行动力性的估算,一般根据动力特性,可以看做如下表中常数:

三:车轮半径r

车轮半径也是影响汽车驱动力的一个重要因素,要考虑两个要素:

1:自由半径r:车轮处于无载时的半径

2:静力半径rs:当我们把车轮装到车上,汽车静止不动,车轮就会收到车自身重量而发生一些变形,这个时候车轮中心到轮胎与道路接触面的距离。

3:滚动半径rr:当车轮开始滚动的时候,车轮几何中心到速度瞬心的距离

实际上车轮滚动半径可以用以下公式开始计算:

一般我们进行动力学分析的时候,我们会使用静力半径,当我们进行运动学分析的时候,我们会使用滚动半径进行分析,但当我们进行计算的时候:一般将这三种车轮半径看为无差别,可以认为是近似相等。

四:i0ig

ig为变速器的传动比,i0为主减速器的传动比,对于确定的一款车,i0是一个定值,而ig则在不同的档位有多个,通常在低档位的传动比要大,高档位的传动比要小。

在我们知道上述几个参数之后,就可以求出驱动力了,但是因为对于一辆车而言,很多参数比如车轮半径,主减速器传动比等都是常数,公式可以进行简化:

另外车速与发动机的转速也有相应的对应关系:

再者进行结合,可以得到驱动力Ft和车速Ua的关系从而画出驱动力图:

PS:驱动力图是指驱动力和车速的关系曲线,本质上是对扭矩曲线的横纵坐标进行缩放得到的。如下图所示:

另外关于车速与发动机转速的关系,简单推导一下:

如果存在变速的情况,存在ig,i0,公式为

简化得到:

以上就是汽车驱动力的讲解,在下一篇文章中我们将了解汽车的滚动阻力

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