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第三章
传动系统动力学
车辆可达到的最高加速度受两个因素限制：驱动轮的最大扭矩和轮胎牵引力。第一个取决于发动机和变速器性能，第二个取决于轮胎-路面摩擦。在这一章中，我们来谈谈发动机和变速器的性能。
3.1 发动机动力学
内燃机可达到的最大功率是发动机角速度的函数。该函数必须通过实验确定，然而，=（）可以用三阶多项式来估计。
图3.1 火花点火发动机的功率和扭矩性能示例
(3.1)
如果我们用表示发动机的最大功率，单位为【W=Nm/s】，出现在角速度时，单位为【rad/s】，那么对于火花点火发动机，我们使用
= = = （3.2）
图3.1显示了火花点火发动机的功率性能示例，该发动机在=586 rad/sasymp;5600rpm时提供=50KW的功率。曲线以发动机平稳空转的角速度开始。
对于间接喷射式柴油发动机，我们使用
=0.6 = = （3.3）
对于直喷式柴油发动机，我们使用
=0.87 = = （3.4）
发动机的驱动转矩是提供的扭矩
（3.5）
例130 保时捷和克尔维特发动机
保时捷911的一款涡轮增压发动机采用了6缸双涡轮增压发动机，总排量为3596立方厘米asymp;220立方英寸，该发动机在=6000转/分asymp;628弧度/秒时提供最大功率=353KWasymp;480马力，在=5000转/分asymp;523弧度/秒时提供最大扭矩=620牛·米asymp;457磅英尺。该车重量约为1585千克asymp;3494磅，可在3.7秒内从0公里/小时加速到90公里/小时asymp;60英里/小时。保时捷911最高车速310公里/小时asymp;193英里/小时。
保时捷911发动机的功率性能方程有系数
===562.1Ws （3.6）===0.89507W （3.7）
===1.425times;W （3.8）
其功率性能函数为
= （3.9）
雪佛兰克尔维特车型使用V8发动机，总排量为6997立方厘米asymp;427立方英寸。发动机在6300转/分asymp;660弧度/秒时提供最大功率= 377千瓦asymp;512马力，在=4800转/分asymp;502弧度/秒时提供最大扭矩= 637牛·米asymp;470磅英尺。该车重量约为1418千克asymp;3126磅，在1档3.9秒内可从0公里/小时行驶到100公里/小时asymp;62英里/小时。最高车速为320公里/小时asymp;198英里/小时。
图3.2 保时捷911和雪佛兰Z06的动力性能曲线
克尔维特发动机功率性能方程有系数
===571.2Ws （3.10）
===0.86547W （3.11）
===1.3113times;W （3.12）
因此，其功率性能函数为
=1.3113times; （3.13）
保时捷911和克尔维特 Z06的功率性能曲线如图3.2所示，以供比较。
尽管开发一台强大的发动机几乎没有限制，但任何功率在100马力左右的发动机都足以满足普通城市应用的街道车辆。1000马力的发动机似乎超过了街头汽车的应用范围。然而，赛车可能有更高的动力，这取决于比赛规则。例如，f1法规规定了允许的发动机类型。它必须是四冲程发动机，小于3000立方厘米的容积，不超过10个气缸，每个气缸不超过5个气门，但是没有功率限制。
例131 曲线=（）和=（）以下
理论上，发动机可以在性能曲线=（）下的任何点工作。因此，功率性能曲线=（）表示发动机的功率容量极限。假设发动机的角速度通过施加制动力保持恒定，然后，通过打开油门，我们产生更多的动力，直到油门被大幅度打开，并且在那个角速度下获得最大的动力。
功率性能通过增加而提高，并继续攀升至处的最大功率点。然后，功率性能开始下降。扭矩=/也随着增加，但在最大功率之前的较低角速度下达到最大值。因此，当增加时，扭矩开始下降的速度比功率下降的速度快。当功率开始下降时，扭矩远离峰值。
驾驶员通常感觉不到发动机的功率，但是他们在加速时可能会感觉到发动机的扭矩。
例132 发动机效率曲线
发动机应该将嵌入燃料中的化学能转化为发动机输出轴上的机械能。根据工作条件，这种转换以特定的效率进行。恒定效率等值线可以添加到发动机的性能图中，以显示运行条件下的效率。因此，曲线=（）下的每个点都可以是特定效率下的工作条件。当节气门几乎全开时，最大效率通常发生在与最大扭矩相对应的角速度附近。具有恒定效率等高线的火花点火发动机的功率性能示例如图3.3所示。
图3.3 具有恒定效率等高线的火花点火发动机的功率性能示例
例133 功率单位
有一些不同的单位来表示功率。功率的公制单位是瓦特[W]。
1W== （3.14）
马力[惠普]也常用于车辆动力学和车辆行业，
1W=0.001341hp 1hp=745.699872W （3.15）
然而，马力有四种定义：国际马力、公制马力、水马力和电动马力。他们略有不同。
1 hp (国际) = 745.699872W （3.16）
1 hp (电气) = 746W (3.17 )
1 hp (水) = 746.043W ( 3.18 )
1 hp (公制) = 735.4988W (3.19 )
根据应用，也可以使用其他单元。
1W = 0.239006cal/s （3.20）
1W = 0.000948Btu/s （3.21）
1W = 0.73756ftlb/s （3.22）
詹姆斯·瓦特( 1736 - 1819 )试验并得出结论：一匹马一秒钟能举起一英尺550磅的重量。这意味着每匹马以550英尺磅/秒asymp;745.701瓦或33000英尺磅/分钟的速度工作。瓦特随后指出，33000英尺磅/分钟的功相当于一匹马的功率，或者一匹马力。以下公式适用于根据英制单位系统中的扭矩测量值计算马力：
[] = [] = （3.23）
例134 匀速燃油油耗
假设一辆车以恒定速度直线行驶。行驶所需的能量可以通过将驱动轮的功率乘以时间来计算
（3.24）
其中是行驶的距离，是转动车轮所需的能量。为了找到运行整个车辆所需的实际能量，我们应该包括效率系数。我们用表示发动机效率，用表示燃料的热值，用表示燃料的密度。当车辆匀速行驶时，牵引力等于阻力。因此，单位距离的油耗为
（3.25）
国际单位制中的维数为，然而，升每100公里更常见。在美国，车辆的油耗被称为[英里每加仑]。
例135 改变曲线=（）
当发动机压缩比增加时，整个动力性能曲线上升。可以通过改变凸轮、集管长度和进气歧管流道长度来移动与发动机峰值扭矩相关的角速度。
由于传输损耗，车轮功率曲线或传递到地面的功率可能具有不同的形状和不同的峰值。最好的结果是由底盘测功机测量的功率曲线获得的。
例136 功率峰值与扭矩峰值
当发动机在齿轮中以其扭矩峰值运行时(假设=173.4千瓦asymp;232.5马力，=3600转/分)，它在驱动轮上产生一定水平的扭矩(假设=460牛米asymp;340英尺磅乘以总传动比)。这是那个齿轮的最佳性能。通过改变档位并使发动机在功率峰值下运行(假设=209千瓦asymp;280马力，=5000转/分)，它传递的扭矩=400牛米asymp;295英尺磅。然而，在相同的车速下，它将向驱动轮传递更多的扭矩。这是因为我们将其提高了近39%(asymp;[5000-3600] /3600)，而发动机扭矩降低了13%(asymp;[460-400]/460)。因此，在给定车速下，在功率峰值时，驱动轮扭矩比扭矩峰值时增加26%。
只要发动机的性能曲线与图3.1中的相似，在给定车速下，除功率峰值速度之外的任何发动机速度都将在驱动轮上提供较低的扭矩值。因此，理论上，最佳最高速度总是在车辆以其功率峰值运行时出现。
以最高功率行驶的汽车在同样的车速下不能加速。没有更好的档位可供选择，即使另一个档位会使发动机更接近其扭矩峰值。在给定车速下以峰值功率行驶的汽车正在向轮胎传递最大可能扭矩，尽管发动机不会以其扭矩峰值行驶。变速箱将来自发动机的扭矩放大一个等于传动比的系数。
例137 理想的发动机性能
据说理想的发动机是一种不管速度如何都能产生恒定功率的发动机。对于这样一个理想的发动机，我们有
（3.26）
图3.4描绘了=50kW的理想发动机的功率和扭矩性能曲线的示例。
图3.4 理想发动机的功率和扭矩性能曲线
在车辆动力学中，我们引入变速箱来保持发动机在最大功率或最大功率附近的工作范围内运行。所以，实际上我们保持发动机的功率，因此，车轮的功率恒定在最大值。因此，车轮的扭矩应该与理想发动机的扭矩相似。
恒定功率性能是电动机的一个应用近似值。
理想发动机的另一个想法是提供线性扭矩-速度关系。对于这样一个理想的发动机，我们有
（3.27）
然而，内燃机不像这种发动机那样工作。图3.5显示了=0.14539时的理想性能。
图3.5 理想的引擎的性能曲线有一个线性关系高频= 0.14539
例138 相同下的最大功率和扭矩
发动机的理想性能是在相同的角速度下具有最大功率和最大扭矩。然而，不可能具有这样的发动机，因为火花点火发动机的最大扭矩发生在
=0 （3.28）
（3.29）
这是功率最大时速度的一半。当扭矩最大时，功率为
（3.30）
然而，当 = ，功率最大时，扭矩为
（3.31）
3.2 传动系统和效率
我们用传动系统这个词，相当于变速器，来称呼将扭矩和动力从发动机传递到车辆驱动轮的系统和装置。大多数车辆使用两种常见的变速器类型之一:手动齿轮变速器和带变矩器的
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