《发动机原理 第4版》课件 第八章发动机与汽车动力传动系统的匹配

第八章发动机与整车性能匹配

8-1现代汽车动力传动系统8-2汽车动力传动装置及主要参数的确定8-3汽车行驶基本原理及特性

8-4发动机与传动装置性能匹配8-5燃油车整车性能的改进途径

整车匹配的必要性：整车的动力性、经济性及排放性

E/G性能

E/G性能好≠汽车性能就好；汽车性能：POWERTRAIN匹配的结果。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匹配。汽车的标准：优良的车型；配优良的发动机；匹配优良的动力传动系统；

发挥发动机性能，完善汽车性能的前提。8-1现代汽车动力传动系统一、传统燃油汽车的动力传动系统：传统燃油汽车动力传动系统的匹配：一种是对动力传动系统已确定的车辆，选用适合于该汽车行驶要求的内燃机；另一种是在车型内燃机已确定的条件下，通过正确选用动力传动系统的布置形式和主要性能（底盘）参数，使汽车常用运行工况选择在该内燃机整机性能最佳的工况。二、纯电动汽车的动力传动系统：单机前置前轮驱动双机轮边电动机驱动轮毂电动机两驱轮毂电动机四驱对纯电动汽车根据汽车动力性和成本要求确定动力源布置(驱动)方式，然后根据续驶里程等要求确定电池类型及其能量管理系统。三、混合动力汽车的动力传动系统：串联式并联式混联式对混合动力汽车根据混合程度，即电动机输出功率相对内燃机输出功率的比值，以及整车动力性、经济性和排放特性，确定混合动力驱动方式后，根据不同混合动力的驱动方式进行匹配设计。8-2汽车动力传动装置及主要参数的确定发动机离合器变速器主减速器差速器半轴车轮一、动力传动装置及其作用：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行放大

适应汽车行驶过程中对转矩的需求。1）离合器：连接或断开发动机的动力传递1718192021222324干摩擦液压电磁要求：可靠传递E/G最大扭矩；足够的传递储备（转矩容量）；分离时要彻底、迅速；保证摘挡轻便、换挡冲击小；接合时平顺、柔和；起步时没有抖动和冲击性。2）变速器：将Ttq/n，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。678要求：足够的变速范围

档位数及变速比

在发动机万

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

无级变速CVT有级变速3)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变化量。结构：万向节

相对位置不断变化的两根轴之间传递动力。主从动轴之间的转角传动关系：

1：主动叉所在平面与主从动轴所在平面的夹角；

2：从动叉所在平面与万向节主从动轴所在平面的夹角。瞬时角速度的传递关系：万向节的转矩传递关系：即，当M1,

一定时，输出转矩随

1

（轴旋转）周期性变化。车辆振动。

4）主减速器：进一步增大减速比

放大驱动转矩，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。123i0过大

外壳尺寸增加

离地间隙

，通过性

.

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；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，起到自动磨合作用；大小齿轮的齿数之和>40。保证重合系数和轮齿的抗弯强度。对轿车，一般小齿轮齿数Z1≥9；货车Z1≥65）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转速差

同时向车轮传递动力。设差速器外壳角速度

0，两个半轴角速度分别为

1，

2。差速器外壳受到的转矩为T0；转速快/慢的两个半轴对差速器的反转矩分别为T1，T2；Tr为差速器内部摩擦力矩，则差速器的锁紧系数K：不计差速器内部摩擦力矩，K=0，T1=T2=0.5T0

半轴转矩平均分配考虑内摩擦力矩，使K>0时，T1<T2。增大K，可较好地利用左右轮上的附着力，提高汽车的通过性。所以，现代汽车一般取K=0.33~0.67。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：依据最高车速货车：最高车速及加速性要求低，

估算时，可忽略空气阻力2）最小传动比的选择：最小传动比=最高档位，

汽车常用工况。汽车总传动比：最高挡为超速挡iKmin时，最高档在选择iKmin时，主要考虑两方面因数：①最高挡爬坡能力和加速能力

具有足够的最高挡最大动力因数：②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r后，使最高档行驶于平路时的牵引功率曲线与E/G外特性曲线交于额定功率点。

3）最大传动比的选择最大传动比是根据汽车最大爬坡度、附着力和最低稳定车速来确定。确定最大传动比的三种方法：其中取最小iI值①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，最大牵引力为：

最大坡度角②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≤附着力

=0.5~0.6，道路附着系数，N:驱动轮垂直反力。③根据最低稳定车速确定第一档速比:越野车

松软路面上轮胎对地面的附着力最低车速

amin

4）变速器各档传动比的确定变速器最高档和最低档确定后，中间各档位初步可按几何级数公比法确定：几何公比，挡位数k5）轮胎的选择主要考虑轮胎负荷系数=轮胎承受的最大静负荷与额定负荷之比。取0.9~1.0。高速型取下限，车速低时取偏大的值，但不能大于1.2。8-3汽车行驶基本原理及特性

：一、牵引力设整车质量为m，汽车加速度为a，则牵引力为牵引力：Ttq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轴向车

体传递

形成推动汽车前进的推动力。牵引力和驱动扭矩：Ttq=f(n)，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E/G的转矩范围，通过变速器放大。变速时的扭矩特性

牵引力与E/G转矩:二、汽车行驶特性

汽车稳定行驶：牵引力=汽车行驶阻力，即平坦路面上：W：汽车总重量（kg）f：轮胎的滚动阻力系数车速va时：A：汽车正投影面积m2CD：空气阻力系数准确测量f和CD是确定稳定行驶所需牵引力的基础3）Fi：坡道阻力路面坡度倾斜角为

时，克服自身重量引起的爬坡阻力：爬坡能力：在良好路面上克服Ff、FW后的余力，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，爬坡时的牵引力：最大爬坡能力：变速器1挡时的爬坡能力。此时，车速低，FW0

4）Fj：加速阻力：水平路面上加速运行时W：汽车总重量ΔW：旋转部分等效重量前后车轮主减速器变速器E/G旋转件转动惯量汽车加速时，道路的坡度角

=0，汽车加速度a：最高车速：良好水平路面上，a=0，

=0，则即，牵引力和车速是沟通汽车运行参数与发动机工况的“桥梁”。8-4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发动机性能

工况

有限变速器不同挡位

E/G工况不同性能不同整车性能

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1)发动机转速与车速、传动比之间的关系：2)车速、牵引力与所需发动机功率之间的关系：纯电动汽车通过电动机负载电流控制电动机输出功率：直流电路的主电路负载电流为：交流电路的主电路负载电流为：3)汽车百公里油耗:对纯电动汽车而言，其经济性可用动力电池单次充满电后的百公里能耗或续驶里程等表示，也可以用比能耗表示。电动汽车在实际行驶过程中，续驶里程还与蓄电池的放电效率、放电深度、放电电流以及自放电现象等有关。设单位里程能耗为e(=0.11~1.07kW

h/km)、电动汽车总质量为M(t)则电动汽车行驶的比能耗e0定义为当蓄电池组充满电后的总能量为E(kW

h)时，电动汽车的理论续驶里程为：4）传动效率及传动损失

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发动机工作经济区:100%bemin~110%bemin100%bemin110%bemin100%bemin线：各等功率线最低油耗点的连线车速与发动机转速n成线性关系牵引功率线：不同档位下与道路阻力平衡线挡位纯电动汽车用续驶里程来评价动力传动系统匹配的好坏；影响电动汽车续驶里程的因素较多，包括驱动电动机的工作效率、动力电池的容量及其放电效率等；良好的动力传动系统是在满足汽车动力性的要求下，使汽车常用的行驶工况落在驱动电机高效率工作区。电动汽车驱动电动机的等效率曲线三、整车性能匹配方法1）常用工况的确定根据汽车的用途，在设计时确定。车型及其常用工况底盘及传动比发动机的常用工况区。2）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评价方法：制取发动机万有特性；各挡位下行驶阻力=牵引力随n的变化曲线常用挡位、车速下发动机工作区（一）燃油汽车动力传动系统匹配3）匹配结果评价与改进措施经济性评价：经济性匹配时，要求常用档下行驶时E/G工作领域接近100%曲线，或在(100%~110%)bemin范围内。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

但对

Ttq放大倍数降低改善发动机常用工况区经济性动力性评价：动力性的评价指标最高车速：在水平良好路面上最高档行驶时，所能达到的最高车速。

最高档位下牵引功率线与行驶阻力曲线交点所对应的车速。汽车加速时间：原地起步加速时间与超车加速时间表示。原地起步加速时间：车速从0km/h加速到Akm/h时连续换档加速时间表示。100km/h80km/h60km/h40km/hA=超车加速时间：直接档行驶时从50km/h加速到Bkm/h所需要的时间。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。直接档最大爬坡度

表示汽车的超载能力。

动力因素D：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。nNnMFWPFWPTFKn排放特性：CO、HC、NOx以及烟度排放特性表示的万有特性上评价常用档位和常用工况下各种排放物的水平

根据排放法规规定的试验工况

NEDC循环工况法：评价或预测循环工况法的排放水平。

通过匹配，分析存在的问题

提出改进的有效途径和措施。（二）纯电动汽车动力传动系统匹配1）电动机类型的选择2）电动机参数的确定峰值功率：考虑加速能力的最大功率：最高转速和基速：驱动电机的最高转速根据电动汽车最高设计车速确定，同时要求基速的4~5倍；

驱动电机的基速nb，也称之为电机的额定转速。当电机的转速n

nb

时，电机输出恒转矩；当n>nb时电机输出恒功率。峰值转矩：根据汽车最大爬坡能力确定；一档下满载以最低车速在最大坡度的路面上爬坡行驶时，所需求的功率为则，峰值转矩为：3）动力电池参数的确定当选择动力电池时首先要考虑其比能量和比功率是否满足电动汽车动力性的要求。比能量影响汽车的行驶里程；而比功率影响汽车的加速能力和爬坡能力。电池节数的确定：根据动力电池组总电压确定电池节数根据电池总容量或续驶里程确定电池节数根据最大需求功率确定电池节数（三）混合动力汽车动力传动系统的匹配根据汽车行驶过程中动力性的要求，确定两种动力传动系统的控制策略。1）串联式混合动力系统的控制模式起动-正常行驶-加速轻载减速-制动蓄电池充电2）并联式混合动力系统的控制模式轻载行驶减速-制动正常行驶起动-加速3）混联式混合动力系统内燃机与发电机/电动机之间以及电动机与变速器之间必须进行机械连接。目前常用的机械连接方式为行星齿轮机构。太阳轮与发电机相连，齿圈与传动装置相连，行星架与内燃机输出端相连。内燃机输出动力的一部分通过行星齿轮传递给齿圈，并通过传动轴直接驱动车轮，而另一部分动力传递给太阳轮以驱动发电机发电，可作为蓄电池充电或电动机的电源。混联式混合动力系统（THSII型）的控制模式起动-中低速行正常运行急加速制动-减速蓄电池充电8-5

整车性能的改进途径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动机。

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的前提下，尽可能减小传动比。改进发动机的性能。确定行驶条件，Fk一定，

E/G常用工况下的be是q100的重要措施相对外特性上的bemin1212123一、发动机性能的改进改善万有特性形状的主要措施：就是改善不同负荷下的发动机高低速性能，如可变进气系统技术：可变进气管长度可变配气相位进气管可变：根据不同n，改变旋转件转角位置

达到控制目的

改善高低速充气效率。配气相位的可变技术：充气效率：进气迟关角及气门升程高低速性能

MIVECMD：休缸控制

VVT-i进气迟关角：重叠角内部EGR燃烧方式：FVVT

配气相位及气门升程全程可变实现负气门重叠角内部EGRHCCI/CAI

增压技术：是一种改善万有特性形状的最有效方法。废气涡轮增压方式：不能很好地兼顾高低速性能。需优化匹配技术

兼顾高低速性能的措施：VNT/VGT技术。汽油机增压：难点是爆震成功的汽油机增压技术在米勒循环+双蜗杆耦合式机械增压器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：根据不同工况分别实施