中国汽车工程师之家--聚集了汽车行业80%专业人士 

论坛口号:知无不言,言无不尽!QQ:542334618 

本站手机访问:直接在浏览器中输入本站域名即可 

  • 1866查看
  • 5回复

汽车驱动理论

[复制链接]

该用户从未签到

发表于 5-10-2011 15:07:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

汽车零部件采购、销售通信录       填写你的培训需求,我们帮你找      招募汽车专业培训老师


马力与扭力哪一项最能具体代表车辆性能?有人说「起步靠扭力,加 速靠马力」,也有人说「马力大代表极速高,扭力大代表加速好」,其实这些都是片段的错误解释,其实车辆的前进一定是靠引擎所发挥 的扭力,所谓的「扭力」在物理学上应称为「扭矩」,因为以讹传讹的结果,大家都说成「扭力」,也就从此流传下来,为导正视听,

本文以下皆称为「扭矩」。

扭矩的观念从小学时候的「杠杆原理」就说明过了,定义是「垂直方向的力乘上与旋转中心的距离」,公制单位为牛顿-米(N-m),除以重力加速度 9.8m/sec2之后,单位可换算成国人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制单位则 为磅-呎(lb-ft),在美国车的型录上较为常见,若要转换成公制,只要将lb-ft的数字除以7.22即可。

汽车驱动力的计算方式:

将扭矩除以车轮半径即可由引擎马力-扭力输出曲线图可发现,在每一个转速下都有一个相对的 扭矩数值,这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢?答案很简单,就是「除以一个长度」,便可获得「力」的数据。举例而言,一 部1.6升的引擎大约可发挥15.0kg-m的最大扭力,此时若直接连上185/ 60R14尺寸的轮胎,半径约为41公分,则经由车轮所发挥的推进力量为15/0.41=36.6公斤的力量(事实上公斤并不是力量的单位,而是重量的单位,须乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的标准单位「牛顿」)。

36公斤的力量怎么推动一公吨的车重呢?而且动辄数千转的引擎转速更不可能恰好成为轮胎转速,否则车子不就飞起来了?幸好聪明的人类发明了「齿轮」,利用不同大小的齿轮相连搭配,可以将旋转的速度降低,同时将扭矩放大。由于齿轮的圆周比就是半径比,因此从小齿轮传递动力至大齿轮时,转动的速度降低的比率以及扭矩放大的倍数,都恰好等于两齿轮的齿数比例,这个比例就是所谓的「齿轮比」。

举例说明,以小齿轮带动大齿轮,假设小齿轮的齿数为15齿,大齿轮的齿数为45齿。

当小齿轮以3000rpm的转速旋转,而扭矩为20kg-m时,传递至大齿轮的转速便降低了1/3,变成1000rpm;但是扭矩反而放大三倍,成为60kg-m。这就是引擎扭矩经由变速箱可降低转速并放大扭矩的基本原理。

在汽车上,引擎输出至轮胎为止共经过两次扭矩的放大,第一次由变 速箱的檔位作用而产生,第二次则导因于最终齿轮比(或称最终传动 比)。扭矩的总放大倍率就是变速箱齿比与最终齿轮比的相乘倍数。举例来说,手排六代喜美的一档齿轮比为3.250,最终齿轮比为4.058,而引擎的最大扭矩为14.6kgm/5500rpm,于是我们可以算出第一档的最 大扭矩经过放大后为14.6×3.250×4.058=192.55kgm,比原引擎放大了13倍。此时再除以轮胎半径约0.41m,即可获得推力约为470公斤。然而上述的数值并不是实际的推力,毕竟机械传输的过程中必定有磨 耗损失,因此必须将机械效率的因素考虑在内。

论及机械效率,每经过一个齿轮传输,都会产生一次动力损耗,手排变速箱的机械效率约在95%左右,自排变速箱较惨,约剩88%左右,而传动轴的万向接头 效率约为98%,各位自己乘乘看就知道实际的推力还剩多少。整体而 言,汽车的驱动力可由下列公式计算:

扭矩×变速箱齿比×最终齿轮比×机械效率

驱动力= ————————————————————

        轮胎半径(单位为公尺)

马力亦非「力」乃「功率」的一种

了解如何将扭矩经由变速箱的齿比放大成为实际推力之后,接着可以研究什么叫做「马力」。马力其实也不是一种「力」,而是一种功率 (Power)的单位,定义为单位时间内所能做「功」的大小。尽管如此,我们不得不继续使用「马力」这个名字,毕竟已经用太久了,讲「功率」恐怕没几个消费者听得懂?

功率是由扭矩计算出来的,而计算的公式相当简单:功率(W)﹦2π× 扭矩(N-m)×转速(rpm)/60,简化计算后成为:功率(kW)=扭矩(N-m) ×转速(rpm)/9549,详细的推导请参看方块文章。然而功率kW要如何 转换成大家常见的「马力」呢,这又有一段故事得讲。

英制或公制?

1PS=735W;1hp=746W

马力定义竟然不一样!

谈到引擎的马力,相信不少人会直觉地想到什么DIN、SAE、EEC、JIS等等不同测试标准,到底这些标准的差异在哪儿,以后有空再研究;有点夸张的是由于英制与公制的不同,对「马力」的定义基本上就不一样。英制的马力(hp)定义为:一匹马于一分钟内将200磅(lb)重的物体拉动165英呎(ft),相乘之后等于33,000ft-lb/min;而公制的马力(PS)定义则为一匹马于一分钟内将75公斤的物体拉动60公尺,相乘之后等于4500kg-m/min。经过单位换算,(1lb=0.454kg;1ft=30.48cm)竟然发现1hp=4566kg-m/min,与公制的1PS=4500kg-m有些许差异,而如果以功率W(1W=1Nm/sec= 9.8kgm/sec)来换算的话,可得1hp=746W;1PS=735W两项不一样的结果。

同样是「马力」,英制马 力与公制马力的定义竟然不一样!难道英国马比较「有力」吗?

到底世界上为什么会有英制与公制的分别,就好像为什么有的汽车是右驾,有的却是左驾一样,是人类永远难以协调的差异点。若以大家 比较熟悉的几个测试标准来看,德国的DIN与欧洲共同体的新标准 EEC还有日本的JIS是以公制的PS为马力单位,而SAE使用的是英制的 hp为单位,但为了避免复杂,本刊一率将马力的单位标示为hp。近来,越来越多的原厂数据已改提供绝对无争议的KW作为引擎输出的功率数值。

不过话说回来,1PS与1hp之间的差异仅1.5%,每一百匹马力差1.5匹,差异并不大。一般房车的马力多半仅在200匹马力以下,两者由于定义的差异也仅3匹马力左右,因此如果您真要「马马计较」,就把SAE 标准的数据多个1.5%吧!不过SAE、JIS、DIN、EEC各种测试标准之 间亦有些许差异,这个老问题已经争论过很多次了,单位之间不能真正划上等号,然而在差别不怎么多的情况之下,就当作相同吧!因此 管他是PS或hp,都差不多可以视为相等。

终于可以做结论了!将上述获得的马力与功率换算方式代入功率与扭矩的换算公式,并且将扭矩的单位换算为大家熟悉的kg-m之后,可得下列结果:

英制马力hp=扭力(kg-m)×引擎转速(rpm)/727

公制马力PS =扭力(kg-m)×引擎转速(rpm)/716

知道这些公式之后有什么用呢?从「马力hp=扭力×转速/727」看来, 如果能增加引擎转速,扭力不变的情况下,便能增加马力。例如若能 将转速从6000rpm增加到8000rpm,等于增加了33%,但因为凸轮轴的 限制使得8000rpm时的扭力下降了10%,则仍能使马力增加19.7%,这 说明了时下改装计算机的为何能在解除断油后大幅增加马力。

所以不要被「增加??匹马力」的广告所著魔。

让我们从另外一个角度来想:如果在同样的转速下,增加20匹马力,代表能增加多少推力呢?以最大扭力点发挥于5000rpm的情况下,将公式稍微变换一下,可发现增加的扭力=20hp×727/ 5000rpm=2.9kgm。再将这个结果代入汽车驱动力的公式,同样以喜美 的一档计算,2.9×3.250×4.058/0.41=93公斤。对于一吨重的车身而言,影响似乎也不怎么大;再者如果相差5匹马力的话,推力更仅增加23公斤,可见相差5匹马力,根本也没差多少,所以能「增加5匹马力」的产品,到底应该花多少钱去改装,您自个儿会拿捏了吧?

大马力决定真性能!

到底大马力的车子跑得快,还是大扭力的车子跑得快?从公式可以知 道大马力的原因是「高转速的时候仍保有高扭力数值」,也就是说要 有大马力,不只是低转速的扭力要好,连高转速的扭力都得继续维持 ,这表示扭力与马力的争论根本是多余的,只要能做到高马力,除了表示各转速区域的扭力都很大之外,更代表材料技术的优越性,将活塞、进排气阀门的材质与重量予以强化与轻量化,才能将引擎转速提高。

扭矩与功率的换算公式推导

假设一圆的半径为r(单位为m),扭矩为T(单位为N-m),则圆周上切线 方向的力F=T/r,由于功率的定义为「每秒钟所作的功」,对于圆周?动而言,每旋转一圈所作的功为:F×圆周总长2πr 将F=T/r代入计算,每一圈所作的功Work=F×2πr=(T/r)×2πr=2πT

再乘上引擎转速rpm就是每分钟所作的功,但功率P的单位是N-m/sec ,所以需除以60,转换成每秒所作的功。代入公式:P=T2πrpm/60,将常数整理后,则可得P(kW)=Trpm/9545。

由上文可见,一台车的动力由发动机传输到车轮,需要经过多组齿轮因此有所损耗,如果德制马力测的是传递到车轮上的动力,那么同样发动机用在不同车型上的动力输出应该不同,试拿bmw330和bmw530做比较,其功率均是225hp/5900rpm;结论,要么bmw在数据上造假,要么它测的是发动机输出净值

一.传动系统(Drive Line System)

  1.F.F.式车辆(Front Engine Front Drive)

  表示前置引擎前轮驱动的车辆,目前小轿车多采用此种装置,它的优点是加速传动较轻快,高速行驶直线性较佳,车内空间可加大,缺点是车辆前半部较重,增加前轮的负担,且左右两根传动轴较易损坏,增加保养费。

  2.F.R.式车辆(Front Engine Rear Drive)

  表示前置引擎后轮驱动的车辆,它的优点是传动系统较坚固耐用,爬坡性较佳保养费较低,缺点为车内空间较小,加速较不轻快。

  3.离合器(Clutch System)

  系将来自引擎的动力,给予传达,或予截断的机构,使用于截断与变速机构之连结使引擎起动,或使引擎处于旋转状态停车,或变速机构的齿轮之变换,或将离合器接续做车辆徐徐出发等。

 4.飞轮(Flywheel)

  装置在曲柄轴的一端,是铸铁制造较重的轮盘,在爆发冲程传递回转力,由飞轮一时吸收储蓄,供给在下次动力冲程,能使曲柄轴圆滑回转作用,外环的齿环可供起动时摇转引擎之用,背面与离合器片接触,成为离合器总成的组件。

5.离合器片(Clutch Disc, Clutch)

  作为传递引擎动力到变速箱的媒介物。

 6.液压式离合器系统(Cable-Operated Control System)

  利用特殊钢绳,连接踏板与释放杆间,作为切断或接通的连杆机构。

 7.手排档变速箱(Manual Transmission)

  需要离合器配合操纵的变速机构,可依车辆行走阻力的变化,变换引擎的扭矩,使车辆正常行驶。

 8.自动排档变速箱(Automatic Transmission)

   没有装置操作变速机的离合器机构,操纵机构是没有选择杆(Selecter),附有P(停车)、R(倒车)、N(空档)、D(高速)、L(低速)等记号。

 9.速率表(Speedometer Drive)

  表示轮轴回转数的仪表,每辆汽车都必须配备,可供驾驶人员随时注意车速,通常装于驾驶室,以显示状况,另一端连接到变速箱的输出轴。

 10.同步啮合式变速机(Synchro-Mesh Type Transmission)

  一般用于手排变速箱内,在齿轮啮合前先由设置在两齿轮的摩擦圆锥体机构接触,使两个齿轮在啮合前其回转成一致后,同时啮合方式的变速箱,通常在第一檔到第二檔,第二档到第三档,或第三档到第四档时才有此种装置,倒文件并没有。

 11.行星齿轮装置(Planetary Gear System)

    属于自动变速箱内的齿轮组,如太阳系运动状况组成的齿轮,有太阳齿轮、行星齿轮、环齿轮、行星齿轮架所构成,由液压控制,由选择而可获得各种减速比。

 12.超速传动(Overdrive)

  使变速箱的输出轴回转数超过引擎的转速,可降低燃料消耗量,噪音,震动均随之减少的装置。一般称O/D档,即第五档,自动变速箱亦有加装此装置。

 13.差速器(Differential)

  传递推进轴的回转动力至后左右轮所需之差异的旋转速度,使汽车能够自由转弯行驶的一种齿轮装置。

 14.万向接头(Universal Joint)

  可让动力传送到成一角度的二个轴,其中包括二支Y型轭及一个叫做十字轴架的十字型构件。

 15.滑动接头(Slip Joint)

  有外栓槽和内栓槽与二轴连接。栓槽不但可以使两轴一起转动,且也可以允许二轴沿轴线作有限度的移动,亦即可应付传动轴的长度变化。

 16.传动轴(Drive Shaft)

  连接或装配各项配件而可移动或转动的圆形物体配件,一般均使用轻而抗扭性佳的合金钢管制成。

 17.四轮驱动(Four-wheel Drive)

  许多汽车及一些卡车使用四轮驱动,也就是说。引擎动力可传送到四个轮子,因此车辆可越野行驶,也可以爬陡峭的斜坡,甚至可以在崎岖不平或泥泞的地上行驶。

 18.车(主动)轴(Axle Shaft)

  多使用在前轮驱动汽车上,除了可传轮由变速箱来的动力到左右两前轮外,还需配合转向角度的改变。

二、钢圈与车胎(Wheel rim, Tire)

  1.轮胎面(Tire Tread)

  指轮胎面接触在地面的部份,为防止打滑及散热起见,在轮胎面设置有许多花纹。

  2.无内胎轮胎(Tubeless Tires)

  轮胎内未配装内胎而此轮胎本身就有内胎构造,空气即充填在胎中,目前已普遍采用,取代有内胎的车轮。

  3.内胎(Tire Tube)

  以良质的橡胶制成,充填空气支持车重,配装在外胎内部,目前小轿车较少采用,而大客货车仍普遍用之。

  4.轮胎尺寸(Tire Size)

  轮胎尺寸印在胎壁上,表示方法有二种,即如34*7或7.50-20等表示之。前者为高压轮胎,后者为低压轮胎。另外也有许多记号,例如D用于轻型汽车,F 用于中型汽车,G指标准型汽车,H、L、J是用于大型豪华及高性能汽车。如胎壁上加印个R,如175R13,表示轮胎是径轮胎,宽长175mm(6.9英吋),装在轮圈直径13英吋(330mm)在车轮上,一般也会刻上RADIAL字。

  5.钢圈(Wheel Rim)

  大多数车辆所使用的钢圈为钢材压制及焊接而成,目前的钢圈为钢材压制及焊接而成,目前的钢圈外环制造的很精确,以装配无内胎的轮胎。

  6.铝合金钢圈(Alumminum-Rim)

  质轻,加工容易,是一体铸成,不易变形,外观多变化,目前多采用,有省油,导热性良好,强度分布均匀,减少滚动噪音的优点。

  7.轮胎平衡(Wheel Balance)

  是前轮定位中,对轮胎的检查项目之一,轮胎若不平衡,会造成车辆行驶时,左右偏摆震荡上下跳动,方向盘摆震的现象,驾驶乘座极不舒适,必须配挂重铅块于钢圈的两侧,使之平衡。

  8.车轮定位(Wheel Alignment)

  汽车的前轮,为顾及操作容易及行驶上的安全,减少轮胎的磨损,于设计时则订定各项角度,即前束、内倾角、外倾角、后倾角,转向前展等五个项目,近年来车辆多采用四轮独立悬吊,而后轮亦做有前束及外倾角,以增加行驶的稳定及舒适性,故有后轮定位。

  9.偏滑测试(Side Slip Tester)

  以车子行驶1公里,车子偏向横侧之公尺数表非,即m/km,一般不得超过3-5m/km。车辆产生侧滑之原因为前束、外倾角,后倾角等调整不良之结果,所以监理站做车辆安全检查时,只需量偏滑值即可

该用户从未签到

发表于 20-10-2011 22:26:44 | 显示全部楼层
很好啊,学习了。谢谢
回复 支持 反对

使用道具 举报

该用户从未签到

发表于 10-10-2013 12:13:36 | 显示全部楼层
不错,受教了
回复 支持 反对

使用道具 举报

该用户从未签到

发表于 14-10-2013 17:42:00 | 显示全部楼层
很实在,居然自己拿笔算了一遍,理解更深刻了!
回复 支持 反对

使用道具 举报

该用户从未签到

发表于 14-10-2013 21:26:11 | 显示全部楼层
果断的赞一个啊,这汽车理解能力,这工科知识
回复 支持 反对

使用道具 举报

  • TA的每日心情
    开心
    20-4-2017 22:00
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    发表于 20-4-2017 22:58:39 | 显示全部楼层
    厉害啊,很喜欢啊啊啊
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    快速发帖

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

    本版积分规则

    QQ|手机版|小黑屋|Archiver|汽车工程师之家 ( 渝ICP备18012993号-1 )

    GMT+8, 26-4-2024 22:23 , Processed in 0.562994 second(s), 32 queries .

    Powered by Discuz! X3.5

    © 2001-2013 Comsenz Inc.