各類高中物理練習冊在《機械能》一章中都要涉及到有關汽車功率、牽引力、行駛速度的問題,筆者查閱了有關資料并向汽車駕駛員請教后,就下列幾個問題談一些膚淺認識,望能起到拋磚引玉的作用。
一、汽車發(fā)動機 發(fā)動機是一般汽車總體構造四大部分(發(fā)動機、底盤、車身和電氣設備)的核心部分。發(fā)動機是汽車的動力裝置,其作用是將所供入的燃料燃
燒,使熱能轉變?yōu)闄C械能而發(fā)出動力,并通過汽車的傳動系統(tǒng)驅(qū)動汽車行駛。發(fā)動機的技術指標主要有動力性指標(有效扭矩、有效功率、轉速等)、經(jīng)濟性指標
(燃油消耗率)以及運轉性能指標(冷起動性能、噪聲和排氣品質(zhì)等)。下面談談與本文有關的技術指標。 (1)有效扭矩 發(fā)動機通過飛輪對外輸出的扭矩稱為有效扭矩,用Me表示,單位為N?m.發(fā)動機的扭矩是由于燃燒氣體作用在活塞上的力通過連桿椎動曲柄而產(chǎn)生的。 (2)有效功率 發(fā)動機通過飛輪對外輸出的功率稱為有效功率,用Pe表示,單位為kW。它是發(fā)動機克服了各部分摩擦阻力和驅(qū)動各種輔助裝置(如水泵、機油泵等)所消耗的功率后所得到的凈功率。有效功率的計算公式為:
(3)轉速 發(fā)動機的轉速影響其結構形式與性能,提高發(fā)動機的轉速可以使功率提高,但轉速的提高受到許多條件的限制。 (4)燃油消耗率(比油耗)發(fā)動機要發(fā)出1KW有效功率,在1小時內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)量(g),稱燃油消耗率,用ge表示,單位為g/kW?h。ge越小,經(jīng)濟性越好。
發(fā)動機的速度特性是指發(fā)動機的功率、扭矩和燃油消耗率隨曲軸轉速變化的規(guī)律。當油門開到最大時,所得到的速度特性稱為發(fā)動機外特性,如
圖1所示。發(fā)動機外特性代表了發(fā)動機在使用中允許達到的最高性能,因此最為重要。一般發(fā)動機的銘牌上標明的功率Pe,扭矩Me及其相應的轉速n,最低燃油
消耗率ge等都是以外特性為依據(jù)的。發(fā)動機功率的大小,均標明產(chǎn)生該功率時曲軸的相應轉速。如解放CA-10B型載重汽車,最大功率/轉速為70千瓦
/2800轉/分,東風EQ-240型越野汽車最大功率/轉速為99千瓦/3000轉/分。一般習題中所說的汽車額定功率就是指的最大有效功率。由圖1可
知,在n1~n2范圍內(nèi),因Me和n都是逐漸增加的,故Pe是隨n的增加而增加的。在n2~n3范圍內(nèi),n雖然繼續(xù)增加,但Me卻逐漸降低,故Pe是緩慢
地增加,到n3時Pe達最大值。轉速超過n3時,雖然n是增加的,但由于Me下降很快,故Pe也逐漸下降。發(fā)動機最小燃油消耗率的相應轉速為n5,它的數(shù)
值一般介于n2和n3之間。因此,一般發(fā)動機工作時所使用的范圍應盡可能在最大功率轉速與最大扭矩轉速之間,即提倡所謂的中速行車”,這樣方可保證發(fā)動機
在最佳動力性與經(jīng)濟性情況下工作。車速過高和過低,都將增加燃油的消耗。
二、
變速器 變速器是實現(xiàn)變速、傳遞和改變扭力的大小、改變汽車進退方向及使驅(qū)動車輪脫離發(fā)動機影響的傳動裝置。變速器一般由變速傳動機構和變速操縱機構組
成。變速傳動機構的作用是改變轉速及扭矩的數(shù)值和方向;操縱機構的作用是實現(xiàn)變速器傳動比的變換——換檔。發(fā)動機與變速器之間是離合器,離合器保證發(fā)動機
的動力與傳動機構可靠接合和徹底分離。 變速器傳動速度改變的大小,用傳動速比i來表示。傳動速比等于主動齒輪的轉速n主與從動齒輪的轉速n從之比;也等于從動輪的齒數(shù)Z從與主動輪的齒數(shù)Z主之比,即 i=n主/n從=Z從/Z主 (2) 變速器扭矩的改變:在略去變速器傳動摩擦損失的情況下,輸入功率P入應等于輸出功卒P出。由(L)式可知發(fā)動機的功率Pe主要取決于發(fā)動機的轉速n和輸出扭矩Me,故由P入=P出得:
即有 n入/n出=M出/M入 (3) (3)
式表明,在發(fā)動機輸入的n入、M入不變時,變速器輸出的n出降低多少,則輸出的M出就增大多少;反之,n出增高多少,M出就減少多少。由(2)、(3)式
得變速器傳動比也等于從動輪上的扭矩M從與主動輪上的扭矩M主之比。這說明傳動比既是降(增)速比,也是增(降)扭比。
三、如何改變速度和牽引力 汽車的牽引力 F牽=M驅(qū)/r驅(qū)=Me i?i主?ηm/r驅(qū) (4)
(4)式中的M驅(qū)為驅(qū)動扭矩;r驅(qū)為輪胎滾動半徑; i主為主減速器速比。主減速器的作用是降低傳動軸傳來的轉速,同時增大扭矩,并改變力的傳動方向90°。nm為傳動機構效率。由(4)式可知,當Me、nm、r驅(qū)一定時,速比越高,M驅(qū)和F牽越大。 汽車變速亦稱換檔。一般汽車的檔位分為低速檔、中速檔和高速檔,如解放CA1091型汽車以一、二檔為低速檔,三檔為中速檔,四、五檔為高速檔。變速的實質(zhì)是改變發(fā)動機的轉速和傳動軸轉速的比值。如東風EQ1090型汽車各檔的速比、扭力和速度關系如下表所示。 表中1、2、3、4、5是前進檔位,6是倒車檔位。從表中可知,檔位越低,速比越大,汽車驅(qū)動輪的轉速越低,但獲得的扭矩和牽引力越大;反之,檔位越高,速比越小,汽車驅(qū)動輪的轉速越高,但獲得的扭矩和牽引力越小。
在
汽車行駛的實際應用中,如行駛總阻力增大至需要加大牽引力(如起步、上坡、通過困難路段)時,就應選用低速檔,以使驅(qū)動輪獲得較大的扭矩。但在使用低速檔
時,速度慢,發(fā)動機轉速高,溫度容易升高,燃料消耗也大。因此,在行駛總阻力不大的情況下,應盡量縮短低速檔行駛的時間,更不宜在低速檔時過多地踏下油門
(即踏下加速踏板)而片面追求速度。中速檔是由低速檔到高速檔或由高速檔到低速檔的過渡檔位。它的加速性能比較好,行駛的速度比較快,使用的機會也比低速
檔多,但與高速檔比較,就很不經(jīng)濟。高速檔使用時,傳遞到驅(qū)動輪的扭矩較小,汽車行駛速度較快,而發(fā)動機轉速較低,磨損較小,燃料消耗少,有較好的經(jīng)濟效
益,適用于在路況較好的情況下長距離行駛。即在良好的道路上,應以高速檔的經(jīng)濟速度行駛。經(jīng)濟車速又因車型不同而有所區(qū)別。如解放CA141型汽車的經(jīng)濟
車速為45~50km/h,解放CA10B型汽車的經(jīng)濟車速為30~40km/h。車速過高,不僅增加燃料消耗,加劇機件輪胎的磨損,又容易發(fā)生行車事
故;車速過低,既降低了運輸效率,燃料燃燒還可能增多,也是很不適宜的。堅持經(jīng)濟車速行車,即前文所述的提倡“中速行車”。在車速掌握上,除堅持經(jīng)濟車速
外,還必須遵守所在地區(qū)交通管理的限速度規(guī)定,不得超出規(guī)定的車速限制。 綜上所述,汽車發(fā)動機的轉速、發(fā)動機的最大功率、發(fā)動機的扭矩、汽車
的行駛速度、汽車的牽引力是一個互相制約的系統(tǒng)工程。最大扭矩Memax及其對應的轉速為n2,最大功率對應的扭矩Mg及相應轉速n3,當這兩個扭矩之差
(Memax-Mg)越大,則汽車在不換檔的情況下發(fā)動機克服阻力的潛力越大;與最大扭矩Memax對應的轉速n2越低,發(fā)動機克服阻力的潛力越強。大范
圍改變汽車行駛速度,改變汽車牽引力,應使用換檔的手段來實現(xiàn)。最低的前進檔位對應最低的速度和最大的扭矩、牽引力及發(fā)動機轉速;最高的前進檔位對應最大
的速度和最小的扭矩、牽引力及發(fā)動機轉速。這就是通常所說的“減速增力和減速增矩”。當檔位一定,在不太大的范圍內(nèi)調(diào)整車速時,只需適當加大油門或減小油
門即可。
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