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      汽車用柴油機、汽油機匹配變速器技術(shù)差異性分析

      2015-01-02 02:42:40王燕云
      科技視界 2015年1期
      關(guān)鍵詞:速比汽油機變速器

      王燕云

      (北京福田戴姆勒汽車有限公司技術(shù)中心,中國 北京101400)

      運輸車輛傳動系統(tǒng)的型式與所用的發(fā)動機類型有密切的關(guān)系。這是由于不同類型的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性有著很大的差別。為了使裝用不同類型發(fā)動機的車輛在各種行駛條件下都有滿意的牽引力——車速特性,就必須根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性,采用相應(yīng)的傳動系方案。

      下面就匹配柴油機、汽油機車輛匹配變速器技術(shù)差異性進行簡要分析。

      1 柴油機、汽油機性能差異分析

      1.1 汽油機、柴油機概述

      汽油機具有轉(zhuǎn)速高(轎車用汽油機轉(zhuǎn)速可高達5000~6000轉(zhuǎn)/分,貨車用汽油機達4000轉(zhuǎn)/分左右),質(zhì)量輕、工作噪聲小、起動容易、制造和維修費用低等特點,故在轎車和中、小型貨車及軍用越野車上得到廣泛應(yīng)用。其不足之處是燃油消耗率較高,燃油經(jīng)濟性較差。

      柴油機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。扭矩大,轉(zhuǎn)速較低等優(yōu)點。在燃燒效率方面,燃燒效率更高,燃油消耗低、排放更低。缺點是:轉(zhuǎn)速較低(一般最高轉(zhuǎn)速在2500~3000r/min左右),質(zhì)量大,制造和維修費用高。但目前柴油機的這些缺點正在逐漸得到克服。特別是柴油機技術(shù)日益成熟,冬天不好啟動、提速慢的缺點已經(jīng)得到了克服。

      柴油機比汽油機車輛省油,因為壓燃式的柴油機比點燃式的汽油機具有更高的能量轉(zhuǎn)換,能源消耗為汽油機的45%~60%。

      隨著近年來柴油機技術(shù)的進步,特別是小型高速柴油發(fā)動機的新發(fā)展,一批先進的技術(shù),例如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等技術(shù)得以在小型柴油發(fā)動機上應(yīng)用,使原來柴油發(fā)動機存在的缺點得到了較好的解決,而柴油機在節(jié)能與CO2排放方面的優(yōu)勢,則是包括汽油機在內(nèi)的所有熱力發(fā)動機無法取代的。

      1.2 柴油機、汽油機性能對比

      1.2.1 速度特性對比

      發(fā)動機速度特性是指發(fā)動機在油量調(diào)節(jié)機構(gòu)保持不變的情況下,主要性能指標(有效轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率等)隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。

      圖1 柴油機外特性曲線

      圖2 汽油機外特性曲線

      表1

      1.2.2 萬有特性

      在汽車設(shè)計與開發(fā)工作中,常需要根據(jù)發(fā)動機臺架試驗得到的萬有特性圖與汽車功率平衡圖,對汽車燃油經(jīng)濟性進行估算。

      柴油機與汽油機的萬有特性曲線如圖3、圖4所示。

      汽油機燃油消耗率比柴油機高;汽油機最經(jīng)濟區(qū)域處在偏上位置的高負荷區(qū),負荷率降低,油耗增加很快;而柴油機的最經(jīng)濟區(qū)比較適中,負荷變化時油耗變化不大。

      由于汽油機經(jīng)常在低負荷工況下,燃油消耗率高,因此經(jīng)濟性不佳;柴油機多用于載貨車、工程機械等,工作負荷率高,故其燃油經(jīng)濟性好。

      2 柴、汽油機對傳動系速比的影響

      圖3 柴油機萬有特性曲線

      圖4 汽油機萬有特性曲線

      變速器在汽車動力總成中的功用是:通過變化速比,調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速,達到汽車克服行駛阻力,保持一定行駛速度的要求。

      在與整車動力總成性能匹配方面,車橋主減速比、變速器各檔速比的確定是至關(guān)重要的。

      在本文中,為比較柴、汽油機匹配變速器性能的差異性,我們設(shè)定如下前提條件:對變速器各重要檔位速比的設(shè)計進行說明,并根據(jù)柴、汽油機性能要求的不同,說明變速器速比選取的差異性。

      2.1 設(shè)定前提

      假設(shè)在同一款汽車上分別配置柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機。為使汽車的動力性(這里使用整車最高車速)達到一致,設(shè)定兩款發(fā)動機額定功率相同。

      2.2 傳動系主要參數(shù)說明

      2.2.1 主減速比

      主減速比在傳動系中主要用來起到對發(fā)動機動力減速增扭的作用。其值的確定一般是依據(jù)發(fā)動機最大功率點轉(zhuǎn)速,根據(jù)變速器最小傳動比、輪胎直徑、汽車行駛阻力等參數(shù),進行設(shè)計計算,使汽車能夠達到所能達到的最高行駛車速。

      2.2.2 變速器最大傳動比

      變速器最大傳動比一般是用來使汽車達到設(shè)定的最大爬坡度,頭檔動力因數(shù)以及最低穩(wěn)定車速。 在以下動力性分析時,從汽車的最大爬坡能力方面設(shè)計計算。

      2.2.3 變速器超速檔

      考慮汽車燃油經(jīng)濟性,設(shè)置該檔位,增加發(fā)動機工作負荷率,提高整車燃油經(jīng)濟性。

      2.3 傳動系速比設(shè)計及分析

      2.3.1 主減速比

      主減速比一般是選定變速器傳動比為1時,根據(jù)汽車功率平衡圖,使發(fā)動機最大功率點與阻力功率曲線相交。這樣可以使汽車發(fā)揮出其最大功率,從而跑出該車所能達到的最高車速。根據(jù)汽車最高車速及發(fā)動機最大功率點的轉(zhuǎn)速,折算出傳動系主減速比,計算公式如下:

      其中:Uamax為汽車最高車速 (km/h);n為發(fā)動機最大功率點轉(zhuǎn)速(rpm);r為車輛半徑 (m);f為滾動阻力系數(shù);CD空氣阻力系數(shù);A迎風面積ig為變速器速比(取1);io為主減速器速比。

      由式(2),主減速比與發(fā)動機最大功率點轉(zhuǎn)速成正比。同功率發(fā)動機,汽油機最大功率下轉(zhuǎn)速高于柴油機轉(zhuǎn)速,因此計算出的主減速比要大于柴油發(fā)動機匹配的主減速比。

      2.3.2 變速器最大速比

      變速器最大傳動比的確定是根據(jù):在發(fā)動機發(fā)揮出最大扭矩工況下,使整車克服道路阻力,坡道阻力所需要的變速器速比。 參數(shù)的確定主要與發(fā)動機最大扭矩、汽車總重、坡度有關(guān),計算公式如下:

      其中:G為汽車總重 (kg);f滾動阻力系數(shù);r為車輛半徑(m);Ttqmax為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩;ηT為發(fā)動機機械效率;ig1為變速器一檔速比;io為主減速器速比;αmax為最大爬坡角度約為16.7°。

      發(fā)動機最大扭矩與最大功率點扭矩的比值為發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù),該參數(shù)決定了發(fā)動機適應(yīng)負荷變化的能力。該值越大,需要使用變速器速比調(diào)整扭矩量越小,使變速器最大速比值越小。解釋如下:

      設(shè)汽車達到最高車速時所需驅(qū)動力為Famax,爬坡時最大驅(qū)動力Ftmax,發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩Ttqmax,發(fā)動機最大功率點處扭矩為Ttqn,根據(jù)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩與阻力轉(zhuǎn)矩平衡,有:

      由(3)、(4)式可得到:

      其中:Kt為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù);

      上式中,變速器一檔速比與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)成反比,因此,發(fā)動機轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)越大,匹配的變速器最大速比值越小。

      一般情況下,汽油發(fā)動機扭矩適應(yīng)系數(shù)大于柴油機,因此匹配變速器最大速比值小于柴油機用變速器最大速比值。

      新型柴油機采用油量校正后,扭矩適應(yīng)系數(shù)與汽油發(fā)動機接近,因此,匹配變速器最大速比值差別不大。

      3.3 變速器超速檔速比:

      圖5 不同檔位下發(fā)動機的功率平衡圖

      如圖5所示,使用超速檔發(fā)動機功率曲線右移,在功率平衡點,發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低提高工作負荷率,使其工作在燃油經(jīng)濟區(qū)域,從而達到提高整車燃油經(jīng)濟性的目的。

      超速檔的確定方法如下:

      設(shè)發(fā)動機燃油消耗率最小處發(fā)動機功率為Pεb,轉(zhuǎn)速為nb,汽車行駛功率平衡方程式:

      可解出變速器超速檔速比。

      其中:G為汽車總重(kg);f為滾動阻力系數(shù);CD空氣阻力系數(shù);A迎風面積;Uae為汽車在變速器超速檔時車速(km/h);r為車輛半徑(m);ic為變速器超速檔速比;

      i0為主減速器速比;

      以該超速檔行駛,是在保持燃油經(jīng)濟性高情況下跑出的汽車的次高車速。

      依據(jù)汽油機、柴油機萬有特性圖,汽油機經(jīng)濟工作區(qū)域較柴油機小,其轉(zhuǎn)速范圍、負荷范圍均小于柴油發(fā)動機,對汽車道路阻力反應(yīng)敏感。因此,為使汽油發(fā)動機汽車燃油經(jīng)濟性好,有時要設(shè)兩個超速檔。而柴油發(fā)動機汽車變速器一般只設(shè)一個超速檔或不設(shè)超速檔。同理,汽油機用變速器其他檔位速比級差要比柴油機用變速器小。

      2.4 計算實例

      2.4.1 計算方法

      選定兩款功率相當?shù)钠蜋C和柴油機,匹配同一車型,要求整車到達同一動力性(最高車速、最大爬坡度)前提下,利用“汽車動力性能參數(shù)計算”軟件,選擇傳動系速比,并對計算結(jié)果進行分析。

      2.4.2 參數(shù)設(shè)定

      表2 整車參數(shù)

      表3 發(fā)動機參數(shù)

      圖6 福康ISF2.8L外特性曲線

      圖7 三菱4G64外特性曲線

      4.3 計算結(jié)果

      1)???ISF2.8L(96kW)

      (1)整車最高車速: 128.2km/h;

      (2)主減速器速比: 4.11;

      (3)變速器一檔速比:4.99;

      圖8

      2)三菱 4G64(95kW)

      (1)整車最高車速: 125.2km/h;

      (2)主減速器速比:6.43;

      (3)變速器一檔速比:4.59

      圖9

      表4

      3)結(jié)果分析

      3 結(jié)語

      總體來說,匹配汽車用發(fā)動機,汽油機動力適應(yīng)性好而燃油經(jīng)濟性較差;柴油發(fā)動機相反,燃油經(jīng)濟性好而動力適應(yīng)性差。由于性能差異性,汽油發(fā)動機與柴油發(fā)動機匹配用變速器應(yīng)具有如下特征,以補償發(fā)動機性匹配汽車性能的缺陷:

      (1)汽油機配車橋主減速器速比大于柴油機用主減速比;

      (2)汽油機用變速器一檔速比小于柴油機用變速器一檔速比;

      (3)汽油機用變速器速比級差比柴油機用變速器要小;

      (4)汽油機用變速器更需要設(shè)置超速檔,甚至2個超速檔;柴油機一般只設(shè)一個超速檔或不設(shè)超速檔。

      [1]余志生.汽車理論[M].機械工業(yè)出版社.

      [2]周龍保,劉巽俊,高宗英.內(nèi)燃機學[M].機械工業(yè)出版社.

      [3]劉惟信.汽車設(shè)計[M].清華大學出版社.

      [4]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].人民交通出版社.

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