动力性校核报告

目录
1.概述 (1)
2.计算输入参数 (1)
3.动力性能分析计算基本方法 (4)
4.标杆车车型动力性能分析计算（GW4G15发动机） (7)
5.标杆车车型动力性指标分析及计算结果 (11)
参考文献 (12)
1.概述
汽车作为一种运输工具，运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性。

动力性是各种性能中最基本、最重要的性能。

动力性的好坏，直接影响到汽车在城市和城际公路上的使用情况。

因此在新车开发阶段，必须进行动力性计算，以指导设计方案是否满足设计指标和使用要求。

下面根据汽车理论对标杆车车型的动力性相关指标进行计算分析。

2.计算输入参数
2.1 计算用基本参数列表
1）空气阻力系数
参考《汽车空气动力学》中列举的新型轿车空气阻力系数列表以及CAE的外流场分析，将空气阻力系数定为0.33。

（附同类车型风阻系数:上海大众波罗的空气阻力系数为0.32；神龙富康的空气阻力系数为0.315）
2）迎风面积
根据车身外表面及各种附件的数模投影计算出满载迎风面积A为：
A=2.02m 2
3）传动系统机械效率
根据标杆车车型动力传动系统的具体结构，传动系统的机械效率T η主要由变速器传动效率1η、传动轴万向节传动效率2η、主减速器传动效率3η等部分组成：
321T ηηηη⨯⨯= （1-1）*
其中：1η=95％；2η=98%；3η=96% 可得： T η=95％×98%×96%=89.4%
同时考虑到，采用有级机械变速器传动系的车传动系统效率一般在90％到92％之间，对上述计算结果进行圆整，传动系统效率T η取为90％。

*注：括号内前一数字为公式序号，后一数字为参考资料序号，后面标注同此。

4）滚动阻力系数f
根据《汽车理论》，对于HR 级轮胎，滚动阻力系数采用推荐的轮胎在良好路面上的滚动阻力系数经验公式进行计算：
f ＝⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+4
410100100a a u f u f f c （2-2）
其中： 对于HR 级轮胎，推荐范围如下：
0f —— 0.0081～0.0098，取0.0085； 1f —— 0.0012～0.0025，取0.0013； 4f ——
0.0002～0.0004以上，取0.00025； c —— 对于良好沥青路面，c =1.2；
a u ——
汽车行驶速度，单位为km/h 。

*注：HR 级轮胎允许最高速度为210km/h,与轮胎185/65 R15 88H 的允许最高速度相同，用此种轮胎对应系数估算该车滚动阻力系数精度较高。

2.3 发动机外特性曲线
发动机外特性曲线是发动机功率、转矩以及燃油消耗率与发动机曲轴转速之间的函数关系。

在进行动力性能计算时，主要用到发动机的功率、转矩随转速的变化情况。

1号标杆车、2号标杆车车型采用发动机的主要性能指标如表2所示。

标杆车车型采用发动机的外特性曲线见图1。

校
正
有
效
扭
矩
图1 GW4G15发动机外特性曲线
发动机的功率、转矩随发动机曲轴转速变化的关系曲线通过拟合方式确定，已知条件为功率曲线通过原点，最大功率点，最大转矩点，且最大功率点在功率曲线上的导数为零，最大转矩点在转矩曲线上的导数为零。

此外，发动机在使用过程中还要为汽车附件等提供动力，其使用外特性最大功率要比外特性的最大功率小，用于汽车行驶的有效转矩和有效功率均在原来基础上有所减少，一般汽油发动机使用外特性比外特性约小10%，取有效转矩＝转矩×90％，有效功率＝功率×90％。

3.动力性能分析计算基本方法
汽车动力性能计算的主要依据是汽车的驱动力和行驶阻力之间的平衡关系，汽车的驱动力－行驶阻力平衡方程为：
j i w f t F F F F F +++=
（3-2）
其中： t F —— 驱动力；
f F —— 滚动阻力； w F —— 空气阻力； i F —— 坡道阻力；
j F —— 加速阻力。

对上述驱动力和行驶阻力的计算方法以及各个曲线的计算方法简要说明如下。

3.1 驱动力、行驶阻力及其平衡图
在发动机转速特性、传动系统传动比及效率、车轮半径、空气阻力系数、迎风面积以及汽车的质量等确定后，便可确定汽车的驱动力－行驶阻力平衡关系。

驱动力
max t F =
d
T
g tq r i i T η0
（4-2）
其中： tq T —— 发动机的输出转矩，单位为N·m ；
g i —— 变速器某前进档速比； 0i —— 主减速器速比；
T η—— 动力传动系统机械效率；
d r —— 车轮滚动半径，单位为m 。

滚动阻力
f
F ＝αcos mgf （5-1）
其中：
m —— 汽车计算载荷工况下的质量，单位为kg ；
g —— 重力加速度，单位为m/s 2；
f —— 滚动阻力系数；
α—— 道路坡角，单位为rad 。

空气阻力
15
.212a
D w u A C F = （6-1）
其中： D C —— 空气阻力系数；
A —— 迎风面积，单位为m 2；
a u —— 汽车行驶速度，单位为km/h 。

坡道阻力
i F ＝αsin mg （7-1）
其中： m —— 计算载荷工况下汽车的质量，单位为kg ； g —— 重力加速度，单位为m/s 2；
α
—— 道路坡角，单位为rad 。

加速阻力
dt
du m
F a
j δ= （8-1）
其中： δ—— 旋转质量换算系数；
m —— 计算载荷工况下汽车的质量，单位为kg ；
dt
du a —— 汽车行驶加速度，单位为m/s 2。

在进行动力性初步计算时，由于不知道汽车飞轮、轮胎等旋转部件准确的转动惯量数值，对于旋转质量换算系数δ，通常根据下述经验公式进行计算确定：
δ＝2
211g i δ+δ+ （9-5）
其中： 1δ——
0.03～0.05，取0.04； 2δ——
0.03～0.05，取0.04；
g i ——
变速器某前进档速比。

在进行不同档位的驱动力和阻力计算时，还需要知道汽车速度与发动机转速之间的关系：
o g d i i n
r 377.0u ⨯
=α （10-1）
其中： a u ——
汽车行驶速度，单位为km/h ； n —— 发动机转速，单位为r/min ； 0i ——
主减速器传动比； g i —— 变速器某前进档速比；
d r ——
车轮的滚动半径，单位为m 。

根据上述公式，我们还可以方便地计算出汽车在任意发动机转速、档位下的驱动力、行驶阻力，进而可以绘制出汽车的驱动力－行驶阻力平衡图。

汽车的驱动力－行驶阻力平衡图形象地表明了汽车行驶时的受力情况和平衡关系。

由此可以确定汽车的动力性。

在驱动力－行驶阻力平衡图中，求出最高档或次高档下驱动力和行驶阻力曲线的交点，曲线交点处对应的速度值即为汽车的最高车速。

3.2 动力特性图
动力因数为
mg F F D w
t -=
（11-1）
其中： D —— 各前进档动力因数。

其它各个参数的意义和单位同上述说明。

利用公式（11-1）结合前面公式就可以计算出汽车各个前进档位下的动力因数值，进而可以绘制出动力特性图。

3.3 功率平衡图
在汽车的行驶方程式的基础上，在公式两端同时乘以车辆速度a u ，经过单位换算、整理就可以得到汽车的功率平衡方程式：
)dt du 3600mu 76140Au C 3600u )(mgsin 3600u )(mgfcos (1P a a 3a
D a a T δααη+++=
（12-1） 其中：
P —— 发动机功率，单位为kW 。

其它各个参数的意义和单位同上述说明。

利用公式（12-1）就可以计算出汽车行驶功率平衡关系，并可进一步绘制出功率平
衡图。

3.4 爬坡度曲线图
根据汽车的行驶方程式和驱动力－行驶阻力平衡图，可以计算汽车的爬坡能力。

在计算爬坡度时，认为汽车的驱动力除了用来克服空气阻力、滚动阻力外，剩余驱动力都用来克服坡道阻力，即加速阻力j F 为零。

根据公式（3-2）可以得到如下公式
w
t i f F F F F -=+
将公式（5-1）、（7-1）代入上式，就可以得到如下公式：
w t F F mg mgf -=+ααsin cos
代入公式αα2
sin 1cos -=以及公式（11-1），经过整理那么就可得
2
2
211arcsin
f
f
D f D ++--=α
（13）
然后根据公式α
tg i =进行转换，这样就可以计算出爬坡度，并进一步绘制出爬坡
度曲线图。

3.5 加速度曲线及加速时间
汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价。

汽车加速时，驱动力除了用来克服空气阻力、滚动阻力以外，主要用来克服加速阻力，此时不考虑坡道阻力i F （i F =0）。

根据公式（3-1）、（8-1），可以得到如下公式：
()a F F F m
dt du w f t a =--=
δ1
（14） 所以，加速时间
⎰
⎰==2
1
1
dt t t
u u a j
du a
根据以上公式，通过数值积分方法对上式进行积分求解，就可以得到所需要的加速时间。

4.标杆车车型动力性能分析计算（GW4G15发动机）
根据上述已知条件以及相关的计算理论，通过编程计算，得到标杆车车型的动力性
能曲线图及相关的动力性能指标的计算结果，计算时状态为汽车的满载工况。

4.1 驱动力、行驶阻力平衡图
图2 标杆车车型驱动力－行驶阻力平衡图（GW4G15）
在驱动力－行驶阻力平衡图中，可以求出驱动力和行驶阻力曲线的交点，曲线交点处对应的速度值即为汽车的最高车速h km u a /168max (在5档达到最高车速)，此时的驱动力约为F t =1.374 kN 。

4.2 动力特性图
图3 标杆车车型动力特性图（GW4G15）
由动力特性图知，最大动力因数0.416，5档最大动力因数D=0.074。

4.3 功率平衡图
图4 标杆车车型功率平衡图（GW4G15）
图4是标杆车车型配装GW4G15发动机的功率平衡图，其中发动机功率曲线为考虑了拖带发动机附件引起的功率损失（10％）。

由此图也可以得出标杆车车型的最高车速Umax=168 km/h ，所得结果与由驱动力－行驶阻力平衡图（图2）所得结果一致。

4.4 爬坡度曲线图
图5 标杆车车型爬坡度曲线图（GW4G15）
由爬坡度曲线可以得出最大爬坡度%7.36i max 。

该车具有最大爬坡能力时，处在一
档位置，对应车速为km/h 84.20u =。

4.5 加速度曲线图
图6 标杆车车型加速度曲线图（GW4G15）
由图6可知，该车最大加速度出现在一档，为2max /2.832a s m =。

4.6 加速时间-速度曲线图
图7 标杆车车型加速时间——速度曲线图（GW4G15）
由图7可知，原地换档加速至100km/h 时间为13.85秒。

5.标杆车车型动力性指标分析及计算结果 5.1 一档附着条件校核
5.1.1当装配GW4G15发动机时：
汽车发动机在一档时可提供的最大驱动力在发动机转矩值最大时取得，代入公式（4-2）可得：
max t F ＝
d
T
g tq r i i T η0
其中： tq T =136N·m ； g i =3.545；0i =4.313；
T η=0.9； d r =0.301m 。

可得：max t F ＝
301
.09
.0313.4455.3361⨯⨯⨯
＝6217.4N
同时，标杆车车型为前轮驱动，考虑良好的混凝土或沥青路面，取路面附着系数为
ϕ=0.8，则该车在36.7%（α=20.15°）的坡道上可提供的最大附着力为
1X F =1Z F ϕ
=ϕ（L
h mg L mg g
ααsin cos 2-） =0.8×9.8×（1456×cos20.15°×1291-1456×sin20.15°×512）/2460 =4805.3N
公式参数说明：
因为1X ＜max t ，所以该车在36.7%（α=20.15°）的坡道上面会出现打滑现象，故最大爬坡度需重新计算，下面按最大地面附着力确定最大爬坡度:
根据公式mgfcosα+mgsinα=ϕ（L
h sin mg L cos mg g 2αα-）
式中：m=1456kg 汽车满载质量
f =0.011 滚动阻力系数
=1291 质心距后轴中心的距离
L
2
=512 满载质心高度
h
g
L=2460 轴距(忽略满载和半载的轴距变化，计算时取半载轴距)
代入以上数据可以求出%
35
（α=19.31°）
i
.
05
max
5.2 动力性指标计算结果
根据上述曲线图和分析结果，我们得到标杆车车型动力性主要指标的计算结果，如表3所示。

表3 标杆车车型主要动力性指标计算结果（185/65 R15 88H）
由表3数据可以看出，标杆车车型的动力性能指标达到设计要求。

参考文献
1.余志生. 《汽车理论》（第三版）. 北京：机械工业出版社，2000
2.余志生. 《汽车理论》（第二版）. 北京：机械工业出版社，1990
3.张洪欣. 《汽车设计》（第二版）. 北京：机械工业出版社，1989
4.刘惟信. 《汽车设计》. 北京：清华大学出版社，2002
5.汽车工程手册编写组编. 《汽车工程手册》（理论篇）. 北京：机械工业出版社，2001。