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汽车设计中的动力特性试验与车重关系分析

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:如果继续增加车重,到40 t以上,则最大车速下降较为明显,因为动力曲线和阻力曲线的交点已经不在发动机的调速特性曲线上,但是此时车辆后备功率较小,不利于行驶,故在进行车辆设计时,不会设置较小的发动机带动较大的车重。

汽车设计中的动力特性试验与车重关系分析

装甲车辆整车动力性能的优劣,除了受发动机性能影响外,还和传动比、传动效率、整车质量、行驶阻力、换挡规律等参数有密切的关系,它们对车辆动力性能的影响程度各不相同,研究车辆结构参数、环境参数和换挡规律对车辆动力性能的影响,可以明确哪些参数对动力性影响较为显著,这样在新型号设计时,就可以较快地改善那些灵敏度较大的参数,以便提出一个动力性改进的最佳方案。同时,对于一些影响较小的参数,设计时可以有较灵活的安排。

动力特性试验的主要目的是测试动力传动装置在不同油门开度和不同挡位条件下,动力传动输出的动力因数和动态特性,获得最大车速、加速时间和最大爬坡度等。

动力特性试验的条件是传动输出能够进行加载,能够测量传动输出的转速、扭矩等信号

(一)影响因素分析

动力传动输出动力的大小与整车的方案密切相关。

1.整车质量对动力性参数的影响

在一定范围内改变整车质量,从原质量30 t上下浮动(变化范围是2.9~3.9 t),得到动力性指标的变化规律,如图3-99所示。

图3-99 整车质量对动力性参数的影响

改变整车质量对最大车速影响不显著,最大车速只随着质量的增加有少量下降。造成这个结果的原因在于地面阻力随着整车质量的增加而增加,使得最高挡的动力曲线与阻力曲线交点左移,而最高挡动力曲线和阻力曲线的交点在发动机的调速特性曲线上,所以当阻力增大时转速下降很少,故最大车速仅仅随着整车质量的增加有少量变化,实际上此时车辆的负荷率增加显著。最大车速可以认为是对质量不敏感的性能指标,质量增加10 t之后,最大车速仅从68.8 km/h变为67.9 km/h。如果继续增加车重,到40 t以上,则最大车速下降较为明显,因为动力曲线和阻力曲线的交点已经不在发动机的调速特性曲线上,但是此时车辆后备功率较小,不利于行驶,故在进行车辆设计时,不会设置较小的发动机带动较大的车重。

改变整车质量对0~32 km/h加速时间影响较为显著,车辆质量从29 t增加到39 t,加速时间从6.315 s增加到8.45 s,基本上为线性变化,相关系数为0.999 0。实际上,车辆在加速过程中克服的主要阻力为加速阻力和滚动阻力,其中滚动阻力与整车质量成正比;加速阻力中的旋转质量与整车质量无关。平移质量即为整车质量,故整车质量的增加直接影响了加速时间。

改变整车质量对爬60%坡的速度影响较为显著,且基本上可以认为爬坡速度随整车质量的增加线性下降,相关系数为0.992 8。爬坡时车辆阻力主要是重力在坡度方向的分力,与整车质量成正比,故随着质量增加,爬坡速度单调下降。

综上,整车质量对动力性影响很大,爬坡速度和加速时间随质量的增加线性变化,最大车速变化较小。在设计车辆的过程中,要充分控制车辆的整车质量,不然车辆将不能达到预期的动力性指标。

2.传动效率对动力性参数的影响

将原有的车辆传动系效率乘以一个0.9~1.1的系数,称为效率增加系数,即令传动效率在减小10%到增加10%的范围内变化。动力性指标随传动效率的变化规律如图3-100所示。传动效率的增加意味着动力的增加,传动效率对动力性参数的影响也呈线性变化。

图3-100 效率增加系数对动力性参数的影响

传动效率对最大车速的影响可以忽略,动力特性线与阻力特性线的交点在发动机的调速段,效率对这条线的影响很小,而对阻力特性线无影响,故最大车速只从68.5 km/h增加到68.9 km/h,可认为无明显变化。

传动效率对加速时间的影响较为显著,随效率的增加,加速时间从7.300 s降低到5.885 s。加速时间随效率的增加而线性减小,相关系数为0.997 7。传动效率的增加使得动力增加,于是加速时间得以减小。

传动效率的增加对爬坡速度的影响也较大,随着效率的增加,爬坡速度从6.43 km/h增加到7.58 km/h。爬坡速度随效率的增加而线性增加,相关系数为0.999 7。传动效率的增加使得动力增加,于是爬坡速度得以增大。

3.侧传动比对动力性参数的影响

在一定范围内改变车辆侧传动比,从原侧传动比4上下浮动(变化范围是3~4.1),得到动力性指标的变化规律如图3-101所示。

图3-101 侧传动比对动力性参数的影响

侧传动比对最大车速的影响很大,随着侧传动比的增大,最大车速从84.4 km/h减小到55.3 km/h。最大车速基本随着侧传动比的增大线性减小,相关系数为0.996 0。侧传动比可以改变车辆速度范围,也即改变了最大车速。

侧传动比对加速时间的影响不呈线性规律,在侧传动比较小时,车辆传动比较小,加速时间略长,但是时间的增长是不明显的,从侧传动比为4到侧传动比为3,加速时间只增加了0.3 s,主要原因是车辆加速过程中液力变矩器作用非常明显,加速时如果变速箱的传动比不够大,液力变矩器的自适应性会使得系统的传动比保持较大值,加速度值变化不明显,从而使得加速时间增加不明显。但是如果车辆质量增加一个较大的值,由前面的分析可知,车辆的加速时间会有非常明显的变化,增加不超过2 000 kg的车重,车辆加速时间即增加0.3 s。

侧传动比对爬坡速度的影响没有明显的规律。(www.xing528.com)

4.地面滚动阻力系数对动力性参数的影响

在一定范围内改变地面滚动阻力系数,从原滚动阻力系数0.05上下浮动(变化范围是0.03~0.07),得到动力性指标的变化规律如图3-102所示。

图3-102 地面滚动阻力系数对动力性参数的影响

改变地面滚动阻力系数对最大车速影响较为显著。地面滚动阻力系数小于0.065时,最大车速基本呈线性变化,相关系数为0.989 7,且变化较平缓;地面滚动阻力系数大于0.065时,最大车速也基本呈线性变化,相关系数为0.992 2,但是变化较为剧烈。造成变化曲线分成两段的原因是:滚动阻力系数较小时,最高挡动力曲线和阻力曲线的交点在外特性曲线的调速段,最高车速随着滚动阻力系数的增加而有少量降低;滚动阻力系数较大时,最高挡动力曲线和阻力曲线的交点在外特性曲线的非调速段上,最高车速随着滚动阻力系数的增加而有较显著的降低。从路面数据来看,普通路面的滚动阻力系数没有超过0.06的,所以平路上车辆的最高车速受滚动阻力系数的影响总体可认为呈线性变化,且变化不大,如滚动阻力系数从0.03增大到0.065,最高车速仅仅从69.7 km/h变为67.9 km/h。

改变地面滚动阻力系数对加速时间影响较为显著,因为在加速过程中,滚动阻力是一项主要的阻力,它的大小直接影响加速时间。加速时间基本随地面滚动阻力的增加而线性增加,相关系数为0.997 8,随着滚动阻力系数的变化,加速时间从5.82 s增加到7.375 s。

地面滚动阻力系数对爬60%坡速度的影响较小,因为在爬坡时主要克服的阻力是车辆重力在坡的方向的分力,地面阻力在总阻力中所占比例较小,故对爬坡速度的影响不大。

地面滚动阻力系数是一个环境和车辆共同决定的参数。已有的数据表明,车辆地面滚动阻力系数与履带特性有关,也与路面条件和车速有关,不同路面以及是否挂胶对滚动阻力系数的影响不同。车辆行动部件的好坏对动力性的影响不单表现在滚动阻力系数方面,实际上车辆悬挂的性能好坏不仅影响车辆的平顺性,还直接影响车辆的越野速度等动力性参数。

5.空气阻力系数对动力性参数的影响

在一定范围内改变空气阻力系数,从原空气阻力系数0.4上下浮动(变化范围是0.2~0.6),得到动力性指标的变化规律如图3-103所示。

空气阻力系数对3个动力性指标的影响都不大,原因是履带车辆的车速较低,空气阻力比起滚动阻力等其他阻力可以忽略不计,对车辆动力性产生的影响也可以忽略不计。

6.车辆换挡规律对动力性的影响

换挡规律对最高车速和爬坡速度无影响。

换挡规律对加速时间有较大影响。对于6挡车辆,以2挡起步,加速到32 km/h要经历两次换挡过程。以下分析两次换挡过程的换挡时机对车辆动力性的影响。

图3-103 空气阻力系数对车辆动力性参数的影响

求解换挡点的方法如图3-104所示,计算车辆在液力工况的各挡加速度特性曲线,求得2挡和3挡加速曲线的交点即为2挡换3挡的换挡点,求得3挡和4挡加速曲线的交点即为3挡换4挡的换挡点(图中标出的点)。为了研究不同换挡点对加速时间的影响,对两个换挡点做正交试验设计,各取11个点,共取121个点,得到换挡点对加速时间的影响曲面如图3-105所示。将换挡点提前得到的加速时间与通过加速度交点得到的加速时间基本相同;但是如果将换挡点延后,加速时间则增加了约0.6 s,原因是如果换挡速度较大,发动机工作点将接近调速段,输出功率减小,所以加速时间有较大幅度的增加。

由以上分析可知,换挡规律对加速过程有较为明显的影响。

图3-104 换挡点的求解方法

图3-105 换挡规律对加速时间的影响

通过研究车辆结构参数、环境参数和换挡规律对车辆动力性能的影响规律,可知:整车质量对动力性影响很大,爬坡速度和加速时间随质量的增加线性变化,最大车速变化较小。传动效率对最大车速的影响较小,对加速时间影响较为显著,对爬坡速度影响也较大。侧传动比对最大车速的影响很大,对加速时间和爬坡速度的影响规律性不强;改变地面滚动阻力系数对最大车速和加速时间影响较为显著,对爬60%坡速度的影响较小;空气阻力系数对3个动力性指标的影响都不大。换挡规律对加速过程有较为明显的影响。

(二)试验设计

对于动力特性试验,可进行加速特性、最大车速、爬坡或者牵引特性试验,可以在台架试验上进行测试。传动输出配置整车惯量,传动两侧加载不同扭矩,模拟不同的路面阻力,通过设定各个挡位、发动机油门开度,达到平衡之后记录转速、扭矩、油门开度等数据可以得到动力传动系统输出动力特性曲线,得到最大车速、爬坡度、牵引特性等。对于加速特性,可以在模拟水泥路面阻力的条件下,按照自动换挡,通过控制发动机油门,得到加速特性数据。

(三)试验数据分析

动力传动装置整机台架动力特性试验需要记录的原始数据主要包括挡位(G)、发动机转速 (n1)、油门开度、左输出转速 (nL)、左侧输出扭矩(ML)、右输出转速(nR)、右侧输出扭矩(MR)、传动油温(T)、变矩器状态等。

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