2.2 动力总成对汽车动力性的影响

动力总成（英文名称Powertrain或者Powerplant）指的是汽车上产生动力，并将动力传递到路面的一系列零部件组件。广义上，动力总成包括发动机、变速器、驱动轴、差速器、离合器等，但通常情况下，动力总成仅指发动机、变速器，以及集成到变速器上面的其余零件，如离合器/前差速器等。汽车的动力是由发动机产生，最终通过车轮产生驱动力 F _t 从而使汽车产生动力性能。

驱动力 F _t 是指发动机产生的转矩经传动系统传到驱动轮，产生驱动力矩 T _t ，驱动轮在 T _t 的作用下给地面作用一圆周力 F ₀ ，地面对驱动轮的反作用力 F _t 即为驱动力，图2-3所示为汽车驱动轮的受力简图。

图中仅表示出圆周力 F ₀ 及驱动力 F _t ，作用在驱动轮上其他的力与力矩均未标出。其中，驱动力 F _t 与驱动力矩 T _t 的关系为

式中 r ——车轮半径，单位为m。

作用在驱动轮上的转矩 T _t 是由汽车发动机所发出的转矩经过传动系统而传递到驱动轮的。若以 T _tq 表示发动机的转矩（N·m）， i _g 、 i ₀ 分别表示变速器、主减速器的传动比， η _T 表示传动系统的效率，则作用在驱动轮上的力矩为

驱动轮产生的驱动力为

式（2-4）说明了汽车的驱动力是由发动机产生，并通过传动系统传到驱动轮的。因此，驱动力的大小，取决于发动机的性能及传动系统的传递能力。

1.如何判断发动机的动力性

发动机的动力性对整车的动力性有着重要的影响，要判断发动机的动力性，首先要明确发动机的动力性指标。发动机的动力性指标是属于结构设计参数，不能直接用于评价汽车的动力性，但可以通过式（2-4）建立联系，在一定条件下（如相同底盘匹配不同排量发动机）通过发动机的动力性来对比整车的动力性。

（1）发动机的动力性指标 动力性指标是表征发动机作功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩 T _tq 、有效功率 P _e 、转速 n 等作为评价发动机动力性好坏的指标。

①有效转矩。发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作 T _tq ，单位为N·m。有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机对外输出的有效功。

②有效功率。发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率，记作 P _e ，单位为kW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后用公式计算出发动机的有效功率 P _e 。

③发动机转速。发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，用 n 表示，单位为r/min。发动机转速的高低，关系到单位时间内做功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。表2-7中为某车型匹配发动机，可供选择的A款与B款发动机性能参数对比。

汽车发动机动力性的对比常常需要在一定的转速范围内进行对比才能确定其动力性能的优劣，通常需要用到发动机的外特性。

（2）发动机的外特性 发动机的结构设计参数主要为转矩 T _tq 、功率 P _e 和转速 n ，三者之间的关系统称为发动机的转速性，按节气门开度的不同又可分为发动机外特性和部分负荷特性。

发动机外特性是指节气门全开时，发动机转矩 T _tq 、功率 P _e 与转速 n 的关系，本章讨论的是汽车的最大运动能力，因此，外特性常作为分析汽车动力性的依据之一，可表示为

图2-4为汽油发动机外特性曲线图，变化范围大、呈“爬坡状”的为功率曲线，在接近最高转速时达到功率最大值，即约5800r/min时， p _emax =55kW；变化范围小，呈“半弧状”的为转矩曲线，在中等转速时达到转矩最大值，即约3800r/min时， T _tqmax =115N·m。

发动机部分负荷特性是指节气门在部分开启状态下，发动机转矩 T _tq 、功率 P _e 与转速 n 的关系。如图2-5所示，位于图像上方的是功率曲线，变化范围大；变化范围小、平缓、位于图像下方的是转矩曲线。对比同一发动机的外特性曲线与各部分负荷特性曲线可知，随着节气门开度的减小，发动机所能发出的最大功率和最大转矩也逐渐减小，出现最大值时对应的转速也逐渐降低。

发动机制造厂提供的发动机外特性曲线，一般是在试验台架上不带空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等附属设备条件下测试得到的。除了节气门对发动机的外特性有显著影响外，汽车上的附件设备工作时，也会产生明显的影响，比如空调、收音机、灯具等。因此，当发动机带上全部附件设备工作时，其外特性称为使用外特性。如图2-6所示，使用外特性的动力性明显降低。

可以得出以下结论：使用外特性与外特性相比，汽油机的最大功率约小15%；货车柴油机的最大功率约小5%；轿车与轻型货车柴油机的最大功率约小10%，并且汽车的耗油量增加，如图2-6的曲线 b 所示，表示内燃机每千瓦时的耗油量，单位为g/(kW·h)。

发动机的外特性还与发动机技术密切相关，比如涡轮增压技术、缸内直喷技术、分层燃烧技术和气门正时技术等。如图2-7所示，上方BENZ OM501LA的Pe曲线和OM501LA的Ttq曲线都出现了“平缓区”，即维持或近似地保持某一功率、转矩不变，达到增强发动机动力性的目的，也是增压发动机的特点。另外，图2-7中也出现了燃油消耗量曲线 b ，显然，增压效果好的BENZ OM501LA发动机每千瓦时的耗油量更低，经济性更好。

此外，由于在试验台架上所测的发动机工况相对稳定，而在实际使用中，发动机工况通常是不稳定的，但由于两者差别不显著，所以在进行动力性估算时，仍可用稳态工况时发动机的试验数据。

如果找不到外特性曲线的数据，若已知发动机的 P _emax 和 n _P ，则可用式（2-6）估算发动机的外特性 P _e -n _e 曲线：

式中 C ₁ 、 C ₂ ——发动机类型系数，汽油机 C ₁ = C ₂ =1，直接喷射式柴油机 C ₁ =0.5， C ₂ =1.5，有预燃室式柴油机 C ₁ =0.6， C ₂ =1.4， n _P 为最大功率所对应的转速。

如果在已知 P _emax 和 n _P 之外，还已知了 T _tqmax 及 n _tq ，则可用式（2-7）估算发动机的外特性 T _tq -n _e 曲线：

式中 T _P ——最大功率时对应的转矩。

2.动力总成对汽车动力性的影响

（1）发动机对汽车动力性的影响 发动机功率越大，汽车的动力性越好。设计中发动机最大功率的选择必须保证汽车预期的最高车速。最高车速越高，要求的发动机功率越大，其后备功率也大，加速和爬坡能力必然较好。但发动机功率不宜过大，否则在常用条件下，发动机负荷率过低，油耗增加。

单位汽车重力所具有的发动机功率 F _e /G 称为比功率或功率利用系数。比功率和汽车的类型有关。总重量为49kN（5t）的货车其比功率在较小范围内变化，一般在75kW/kN以上。轿车和总重量为小于39.2kN的货车比功率较大，动力性很好。重型自卸汽车速度低，比功率较小，发动机的最大转矩大，在 i ₀ 、 i _g 一定时，汽车的加速和上坡能力也强。

（2）变速器的传动比 i _g 对汽车动力性的影响 变速器传动比 i _g 是指变速器在相应挡位时，输入轴与输出轴的转速比比值。同一车型相比，一般挡位越低，比值越大；依据式子 可知，其驱动力也越大，动力性越好。但对于不同的车型而言，传动比并非越大越好，而是要与汽车的外形、用途，发动机的结构设计参数，变速器的类型等相匹配。比如，越野车的传动比设计一般比轿车的要大，因为越野车的体型较大、较为方正（风阻系数较大），又常用于爬坡、越野，因此在动力性方面偏向于获得较大的驱动力。

（3）主减速器的传动比对汽车动力性的影响 传动系统总传动比是传动系统各部件传动比的乘积。普通汽车上没有分动器和副变速器，如果变速器的最高挡是直接挡，减速器传动比 i ₀ 对汽车动力性的影响： i ₀ 增大，汽车的动力性加强，但燃油经济性变差； i ₀ 减小，汽车的动力性下降，但燃油经济性较好；可利用汽车在直接挡行驶时的功率平衡图来分析。

（4）传动系统的机械效率 η _T 对汽车动力性的影响 传动系统的机械效率 η _T 是指输入传动系统的有用功率与总功率之间的比值。其中输入传动系统的总功率为 P _in ，传动系统损失的功率为 P _T ，其表达式如下

等速行驶时， P _in = P _e ( P _e )，则等速行驶时可表示为

如表2-8所示，影响传动系统机械效率 η _T 的主要因素包括变速器传动效率、主减速器传动效率和传动轴的万向节传动效率。其中，变速器的传动效率主要由变速器的类型决定，比如手动变速器（MT）的传动效率最高，通常可以达到95%；双离合变速器（DSG）次之，通常可以达到92%；无级自动变速器（CVT）的传动效率一般为90%；液力自动变速箱（AT）的传动效率则通常只有85%。

由表2-8中，4～6挡变速器与8挡以上变速器的传动比可知，对于一同种变速器而言，一般挡位越多，其传动效率越低。影响传动系统损失功率 P _T 大小的因素主要有两个，一个是机械损失，一个是液力损失，如表2-9所示。

（5）车轮半径对汽车动力性的影响 轮胎的尺寸及结构直接影响汽车的动力性。比如，在汽车销售过程中，客户会问：“怎么才用15寸的轮胎？”从理论上而言，同一型号的汽车配备轮胎尺寸越大，其动力性越好，但轮胎的尺寸增大会导致汽车滚动阻力、空气阻力等的变化，因此，需要全面考虑才能准确地配备合适尺寸的轮胎。

车轮按规定气压充好气后，处于无载时的半径，称为自由半径。在汽车重力作用下，轮胎发生径向变形。车轮中心与轮胎接地面的距离称为静力半径 r _s 。静力半径小于其自由半径，它取决于载荷、轮胎的径向刚度，以及支承面的刚度。作用于车轮上除径向载荷外，还有转矩。车轮中心至轮胎与道路接触面切向反作用力之间的距离为动力半径。此时，轮胎不仅产生径向变形，同时还产生切向变形。其切向变形取决于轮胎的切向刚度、轮胎承受的转矩及转动时的离心惯性力等。

以车轮转动圈数 n 与车轮实际滚动距离 S 之间关系换算得出的车轮半径，称为车轮的运动半径（滚动半径） r _r ，即

但在一般的分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径 r ，即认为

任务实施

任务引入