汽车驱动力计算与输出效率分析

汽车发动机产生的有效转矩T_e，经传动系传到驱动轮上；此时，作用于驱动轮上的转矩T_t产生一个对地面的圆周力F₀；地面对驱动轮的反作用力F_t（方向与F₀相反）即是驱动汽车行驶的外力，称为汽车的驱动力，见图3-2，其数值为：

式中 F_t——汽车的驱动力（N）；

T_t——作用于驱动轮的转矩（N·m）；

r——车轮半径（m）。

T_t由T_e经传动系传至驱动轮而产生，若变速器、主减速器的传动比分别为i_g、i₀，传动系的机械效率为η_t，则T_t（N·m）的值（对于普通汽车）为：

T_t=T_ei_gi₀η_t

若汽车装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置，计算T_t时应计入相应的传动比和机械效率。

这样，驱动力F_t表示为：

图3-2 汽车的驱动力

因此，汽车的驱动力T_t取决于发动机有效转矩T_e、传动系速比i_g·i₀和机械效率η_t、车轮半径r。参数T_e、η_t和r的确定方法如下（i_g·i₀的确定方法见本章第五节）：

1.发动机有效转矩T_e

图3-3 发动机特性曲线

发动机输出功率P_e（kW）、有效转矩T_e（N·m）和燃油消耗率g_e（g/kW·h）随曲轴转速n_e（r/min）的变化关系曲线，称之为发动机的速度特性曲线。节气门全开（或高压油泵在最大供油位置）时的速度特性曲线，称为发动机的外特性曲线，见图3-3；而节气门部分开启（或部分供油量位置）时的速度特性曲线，称为发动机部分负荷特性曲线，见图3-4。P_e和T_e满足如下关系：

发动机带有全部附件（空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等）时，测得的发动机特性曲线称为使用外特性曲线（图3-3），其功率和转矩均小于外特性曲线的功率和转矩。汽油发动机最大功率比其外特性的最大功率小约15%左右；货车和轿车（含轻型汽车）柴油机则分别小10%和5%。

发动机外特性是通过台架试验得到的。此时，发动机工况相对稳定，冷却液温度、机油温度保持规定数值，且维持各个转速不变，对转矩、油耗进行测试。实际使用时，发动机的工况是不稳定的。发动机的转速、节气门开度、热状况和可燃混合气的浓度与稳定工况有显著差异，导致发动机输出转矩和油耗值较稳定工况有较大变化。但一般忽略二者的差别，在进行汽车动力性估算时仍使用稳定工况下的使用外特性曲线。

利用发动机使用外特性中的转矩T_e（N·m）曲线和功率P_e（kW）曲线，可以确定转矩T_e和功率值P_e在转速n_e（r/min）范围内的变化情况。据此可求出汽车在各档位、不同车速下的驱动力和功率，建立汽车的驱动力图和输出功率图。

图3-4 发动机部分负荷特性曲线中的功率与转矩曲线

2.传动系的机械效率

发动机有效功率P_e（kW），经传动系传至驱动轮的过程中，产生了功率损失P_w（kW）。传动系的机械效率η_t为：(www.xing528.com)

根据产生的部位，P_w由传动系中的部件——变速器、传动轴、万向节、主减速器等的功率损失所组成，其中变速器和主减速器的功率损失所占比重最大。根据成因，P_w可分为机械损失和液力损失两大类。前者指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失，其大小与参与啮合齿轮的对数、传递的转矩大小等因素有关；后者是消耗于旋转零件搅动润滑油、零件表面与润滑油之间的表面摩擦等的功率损失，其大小与润滑油的品种、温度、油面高度以及齿轮等旋转零件的转速有关。

汽车以直接档工作时，所啮合的齿轮不传递转矩，因此效率要高；若负荷及所传递的转矩增大时，液力损失的比例降低，机械效率较高；转速低时，搅油损失小，比转速高时的机械效率要高。

传动系机械效率受多种因素影响，其实际数值在一定范围内变化。但为简单起见，进行汽车动力性分析时常把其作为常数。表3-1为传动系各总成的传动效率。

表3-1 传动系各总成的传动效率

3.车轮半径r

无载荷作用时的车轮半径称为自由半径r₀（m）；仅受汽车重力作用时，车轮中心至轮胎与道路接触面间的距离称为静力半径r_s（m）；同时承受垂直载荷和转矩时的车轮半径称为动态半径r_d（m）。显然，r₀＞r_s＞r_d。

车轮的滚动半径r_r（m）为换算半径，即：

式中 n_g——车轮转动的圈数；

S——滚动n_g圈时车轮前进的距离（m）。

作动力学分析时，应该用动态半径或静力半径；而作运动学分析时，应该用滚动半径。但粗略计算时，通常不计其间的差别，统称为车轮半径r，即认为：

r≈r₀≈r_s≈r_d

4.汽车的驱动力图

汽车的驱动力图即驱动力F_t（N）与车速V_a（km/h）之间的函数关系曲线，可全面表示汽车驱动力的大小及其变化。

若已知汽车传动系各档传动比i_gi₀、传动效率η_t、车轮半径r等参数，利用发动机使用外特性曲线中的转矩曲线，根据发动机输出转矩T_e与汽车驱动力F_t的关系式（式3-1），可得到驱动力F_t与发动机转速n_e之间的关系曲线。

发动机转速n_e（r/min）与汽车行驶速度V_a（km/h）之间的关系为：

据此可作出驱动力图，即各个档位（i_g）下汽车驱动力F_t与车速V_a间的关系曲线（图3-5）。

驱动力图根据外特性曲线中的转矩曲线求得，因此表明的是汽车使用各档位时在各车速下所能产生的驱动力最大值。实际行驶中，由于发动机是在不稳定状态下工作，且常使用部分负荷，因而相应的驱动力较其最大值小得多。

图3-5 装有五档变速器的某型汽车的驱动力图