第3章 汽车动力装置和传动系统参数的计算-1

第3章

汽车动力装置和传动系统参数的计算

汽车理论（许兆棠等编）机械工业出版社课件制作：许兆棠3.1燃油汽车发动机功率的选择3.2燃油汽车传动系统主减速器传动比的选择3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配3.5纯电动汽车动力装置和传动系统参数的计算3.6增程式电动汽车动力装置和传动系统参数的计算3.7混合动力电动汽车动力装置和传动系统参数的计算3.8燃料电池电动汽车动力装置和传动系统参数的计算3.9智能汽车和飞行汽车的动力装置和传动系统参数的计算讲授内容3.1燃油汽车发动机功率的选择

1.最高车速法选择发动机的功率

若给出了期望的汽车的最高车速，选择的发动机功率应大体等于，但不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率，根据式(1-53)，考虑汽车在水平路面上等速行驶，得发动机的功率应为：（3-1）汽车的最高车速高，发动机的功率大，根据图1-23，汽车的后备功率大，汽车的后备功率用于汽车加速和爬坡，因此，加速和爬坡能力大。发动机汽车在水平良好的沥青路面上高速行驶3.1燃油汽车发动机功率的选择

2.比功率法选择发动机的功率汽车的比功率是汽车发动机的额定功率(kW)与汽车总质量(t)的比值，是车辆单位总质量所具有的发动机的额定功率，比功率的常用单位为kW/t，可由下式求得：（3-2）

在确定最高车速和比功率时，一定要查找相关资料，获取尽可能多的相关信息，再经研究、比较，才能确定最高车速和比功率。货车燃油汽车3.1燃油汽车发动机功率的选择表3-1汽车的最高车速和比功率的范围汽车类别最高车速

km/h比功率

kW/t乘用车发动机排量V/LV≤1.0110~15030~601.0<V≤1.6120~17035~651.6<V≤2.5130~19040~702.5<V≤4.0140~23050~80V>4.0160~28060~110货

车最大总质量m/tm≤1.880~13516~281.8<m≤6.015~256.0<m≤14.075~12010~20m>14.06~20客

车车辆总长La/mLa≤3.585~120－3.5<La≤7.0100~160－7.0<La≤10.095~140－La>10.085~120－3.2燃油汽车传动系统主减速器传动比的选择

1.主减速器传动比的选择方法

对于三轴式变速器，当变速器为直接挡时，传动系统的传动比就是主减速器传动比；对于两轴式变速器，变速器没有直接挡，变速器的传动比等于1或接近1时，传动系统的传动比就是主减速器传动比；此外，主减速器的传动比与最高车速、后备功率、燃油经济性和驾驶性能有关。

选择主减速器传动比的方法是取变速器的传动比为1，根据最高车速初定主减速器传动比，再考虑汽车的后备功率、燃油经济性和驾驶性能，最后确定汽车的主减速器传动比。手动挡三轴齿轮式变速器手动挡两轴齿轮式变速器圆柱齿轮式主减速器圆锥齿轮式主减速器

2.主减速器传动比的选择（1）根据最高车速选择主减速器的传动比

汽车的最高车速相当于发动机最大功率点的车速，即汽车的最高车速，相应的主减速器传动比。根据式（1-10），取变速器的传动比，得主减速器的传动比：（3-3）图3-1不同时的汽车功率平衡图3.2燃油汽车传动系统主减速器传动比的选择（2）根据后备功率选择主减速器的传动比主减速器传动比不同，汽车的后备功率也不同。增大，在图3-1中发动机功率曲线左移，汽车的后备功率增大，动力性加强，但燃油经济性较差。减小，发动机功率曲线右移，汽车的后备功率较小，动力性较差，但发动机功率利用率高，燃油经济性较好。图3-1不同时的汽车功率平衡图3.2燃油汽车传动系统主减速器传动比的选择（3）根据燃油经济性选择主减速器的传动比选择主减速器的传动比时，不但要考虑动力性，也要考虑燃油经济性。可通过设置超速挡，减小传动系统的最小传动比，提高汽车在高速时的燃油经济性。这样，可取变速器的传动比为1，主要用于汽车取得较高的汽车高车速；可设置超速挡，主要用于取得较好的燃油经济性。3.2燃油汽车传动系统主减速器传动比的选择（4）根据驾驶性能选择主减速器的传动比主减速器的传动比还受到驾驶性能的限制。驾驶性能是包括平稳性在内的加速性，系指动力装置的转矩响应、噪声和振动。它只能由驾驶员通过主观评价来确定。根据汽车的驱动力式（1-5），最小传动比过小，汽车的驱动力小，发动机在重负荷下工作，加速性不好，会出现噪声与振动。最小传动比过大，燃油经济性差，发动机高速运转噪声大。3.2燃油汽车传动系统主减速器传动比的选择3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定

1.根据最大爬坡度确定传动系统的最大传动比和变速器的I挡传动比

汽车在最大上坡路面上匀速行驶时，汽车的最大驱动力应能克服轮胎与路面间滚动阻力及上坡阻力。由于汽车上坡行驶时，车速不高，故忽略空气阻力，此外，汽车匀速上坡时，加速度，根据汽车的行驶平衡方程式(1-31)，得汽车的最大驱动力：（3-4）汽车爬坡3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定将，，代入式（3-4），为最大坡度角，得传动系统的最大传动比：（3-5）根据式（1-3），对于普通汽车，传动系统的最大传动比itmax是变速器I挡传动比igl与主减速器传动比i0的乘积。根据式（3-5），当i0已知时，确定传动系统最大传动比也就是确定变速器的I挡传动比igl，即：（3-6）3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定

2.根据驱动轮与路面的附着条件确定传动系统的最大传动比

汽车行驶时，应满足附着条件。为了使驱动轮不打滑，必须使驱动力小于或等于驱动轮与路面间的附着力，根据汽车行驶的附着条件式(1-36)，得：（3-7）由式（3-7），得传动系统的最大传动比：（3-8）3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定

3.根据最低稳定车速确定传动系统的最大传动比

对于越野汽车，为了避免在松软路面上行驶时，土壤受冲击剪切破坏，损害地面附着力，传动系统的最大传动比应保证汽车能在极低车速下稳定行驶。对于乘用车，为了在拥堵的车流中跟车行驶，不必频繁地踩制动踏板或离合器踏板，也需要设置最低稳定车速。

设最低稳定车速为，发动机的最低转速为(r/min)，根据式（1-10），得传动系统的最大传动比：（3-9）3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定例3-1已知整车满载总质量=2500kg，滚动阻力系数f=0.015，传动系统总效率ηT=0.85，发动机的最大转矩

，车轮滚动半径r=0.358m，主减速器传动比,后轮为驱动轮，后轮的地面法向力，路面附着系数，要求汽车爬坡的最大坡度角，试根据最大爬坡度和驱动轮与路面的附着条件确定传动系统的最大传动比和变速器的I挡传动比。3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定解：1确定传动系统的最大传动比根据式（3-5），得汽车满足最大爬坡度条件的传动系统的最大传动比

根据式（3-8），汽车满足驱动轮与路面的附着条件的传动系统的最大传动比取传动系统的最大传动比。3.3燃油汽车传动系统最大传动比的确定

2确定变速器的I挡传动比根据，得变速器的I挡传动比3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配

1.传动系统的挡位数的选择

传动系统的挡位数为传动系统的挡位个数。在只有变速器变速的传动系统中，传动系统的挡位数为变速器的挡位数；在变速器和副变速器共同变速的传动系统中，传动系统的挡位数为变速器与副变速器的挡位数的乘积；当驱动桥可变速时，可视驱动桥中变速器的为副变速器；当越野的分动器可变速时，可视分动器的为副变速器。不同类型的汽车具有不同的传动系挡位数。其原因在于汽车的用途及使用条件不同，对汽车的动力性和经济性等性能的要求不同，汽车的功率不同。传动系统的挡位数与汽车的动力性和燃油经济性有关，此外，还与传动系统的重量、结构的复杂性有关。三轴齿轮式变速器两轴齿轮式变速器主、副变速器越野汽车的传动系统3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配

挡位数多有利于改善汽车的动力性和燃油经济性。根据汽车的功率平衡图1-23，就动力性而言，挡位数多，增加了发动机在最大功率附近工作机会，后备功率大，提高了汽车的加速与爬坡能力；就燃油经济性而言，挡位数多，增加了发动机在最小燃油消耗率附近工作机会，后备功率小，降低了燃油消耗量；所以，挡位数多可以改善汽车的动力性和燃油经济性。挡位数多少影响挡与挡之间的传动比的比值。相邻两挡传动比的比值过大，要求换挡前后发动机的转速差大，同步器的同步时间长，会造成换挡困难。一般认为该比值不宜大于1.7～1.8。传动系统的最大传动比与最小传动比之比值越大，挡位数也应越多。三轴齿轮式变速器两轴齿轮式变速器图1-23汽车的功率平衡图3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配

挡位数多少还影响传动系统的重量、结构的复杂性。挡位数多，变速及换挡机构增多，变速器的轴向和横向尺寸增大，变速器的重量增大，结构变复杂；此外，变速器与发动机相连，使变速器与发动机总成的体积增大，给汽车的总体设计带来困难。定轴齿轮式的变速器的挡位数多于6时，还会设置副变速器或在驱动桥上设置变速器，这进一步影响传动系统的重量、结构的复杂性。选择传动系统的挡位数的方法是用类比法，参考同类汽车的传动系，再考虑汽车的动力性和燃油经济性、挡与挡之间的传动比的比值、传动系统的重量、结构的复杂性，确定传动系统的挡位数。三轴齿轮式变速器两轴齿轮式变速器3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配

轿车多用6挡变速器，且设置超速挡。轻型货车和中型货车比功率小，一般采用5~6挡变速器。重型货车一般采用6挡至十几挡的变速器。越野汽车的使用条件最复杂，还要经常牵引火炮或挂车，很大，其传动系统的挡位数较同吨位的普通货车常多一倍左右。变速器的挡位数超过6~8时，要设置副变速器，否则，变速器的挡位数太多，变速机构和操纵机构会很复杂，不便于设计和制造，也不便于手动挡变速器的操纵。三轴齿轮式变速器两轴齿轮式变速器主、副变速器越野汽车的传动系统3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配

2.各挡传动比的分配（1）变速器的换挡过程及按等比级数分配各挡的传动比

换挡开始时，设车速按图3-2中的Ⅰ挡的车速线增长，到达发动机的转速n2时，汽车的车速为：图3-2变速器的换挡过程到达发动机的转速n2后，驾驶员迅速由Ⅰ挡换Ⅱ挡，设换挡过程中车速不变，发动机的转速快速降低，换上Ⅱ挡时，发动机转速降到，汽车的车速为：3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配由于换挡过程式中车速不变，则有：图3-2变速器的换挡过程

由此可以得出下列关系式：（3-10）3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配

驾驶员挡换上Ⅱ挡后，车速按图3-2中的Ⅱ挡的车速线继续增长，到达发动机的转速n2时，根据汽车的车速式（1-10），汽车的车速为：图3-2变速器的换挡过程由于换挡过程中车速不变,可以得出下列关系式：（3-11）到达发动机的转速n2后，驾驶员迅速由Ⅱ挡换Ⅲ挡，设汽车的车速为：3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配驾驶员继续挡换，同理有：图3-2变速器的换挡过程

由式（3-10）～式（3-13）得：（3-11）（3-12）（3-13）式（3-14）中，q是常数，称为各挡之间的公比，各挡之间的公比大于1，即q>1。3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配由式（3-14），得各挡的传动比：

若有n个挡位，根据式（3-15），可按等比级数分配的各挡传动比，各挡的传动比如下：（3-15）（3-16）将式（3-16）从右向左依次代入，得：

（3-17）3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配对于没有分动器或副变速器的传动系统，变速器只有一个超速挡，超速挡的传动比为；三轴式变速器为直接挡时，或两轴式变速器的传动比等于1或接近1时，取变速器的传动比，根据式（3-16），得，代入式（3-17），得

（3-18）进一步得各挡之间的公比：由3.2节和3.3节分别可确定、，由，计算得igl，再取挡位数n，则由式（3-18）可确定各挡之间的公比q，公比q为常数，再由式（3-16），可确定各挡的传动比，也即获得按等比级数分配的各挡传动比。如果传动系统有分动器或副变速器，同样可用获得式（3-18）的方法确定各挡之间的公比q。3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配对于重型汽车，按等比级数分配传动比的(主)变速器，还便于和副变速器结合构成更多挡位的变速器。

例如一具有5挡位的主变速器，各挡问的公比为，其传动比序列为l、、、、。若结合一个后置的两挡副变速器，其传动比为1、，便可构成一个具有10挡位的变速器，各挡间的公比为，其传动比序列为:

l、、、、、、、、、。3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配（2）按降比分配各挡的传动比

1）按等比级数分配各挡传动比的问题

实际上，各挡的传动比按降比分配更优，而不是按等比级数分配各挡的传动比，这是因为：1.齿轮的齿数必须是整数，这使配齿后传动比的计算值与传动比的分配值之间有理论误差，各挡的传动比之间的比值并不刚好相等，没有各挡之间的公比q，难以按等比级数分配的各挡传动比。2.换挡过程中车速有所降低，换挡车速越高，空气阻力越大，换挡过程中车速下降得越多，不可能在换挡过程式中车速不变且在两个固定的车速换挡，也即不满足按等比级数分配各挡传动比的前提条件。

3.传动比的分配还应考虑汽车的后备功率。3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配2）按降比分配各挡传动比的原理降比分配各挡传动比是指各挡依次传动比的比减小的传动比的分配，即（3-19）3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配图3-3按等比级级数和降比分配各挡传动比的功率平衡图

换挡过程中车速下降得少是指导按降比分配各挡传动比的理论基础。功率曲线右、左移后，密度增加，换挡过程中车速下降得少，动力性和经济性好，有利于高速换挡；Ⅰ挡和Ⅳ挡（直接挡）的传动比不变，均为实线，不改变传动系统的最大传动比和最高车速。3.4燃油汽车传动系统挡位数的选择与各挡传动比的分配

3）按降比分配各挡传动比的方法按降比分配各挡的传动比的方法:可先按等比级数分配的各