编者按
在进行不同车辆的参数对比时会发现,有些车型看起来马力和扭矩更大,但是和同排量的竞品车相比,加速性能反而会有些许落后。可能有些车迷就会说,这是变速箱的传动效率低导致的。但事实真的就只有这么简单的?
当然不是。
知乎KOL何先生就是来自博世的整车标定工程师。擅长整车驾驶性、发动机标定等工作。他会从专业的视角,告诉大家影响SUV加速能力的因素到底有哪些。
华中科技大学动力机械硕士,主要擅长整车驾驶性、发动机标定领域。作为博世整车标定工程师参与某合资品牌上市车型的驾驶性开发,目前参与国六项目软件开发工作。
当我们讨论车辆的加速性能的时候,其实更为工程学的叫法是:车辆纵向加速度。
但是我们喜欢用百公里加速来评价一款车的加速性能,比如在汽车之家,我们都能看到百公里加速的数据:
影响车辆纵向加速度的主要因素大体上有两个:发动机的功率和驱动轮的路面附着极限。
发动机的作用我就不多说了。
对于驱动轮的路面附着极限,也较好理解,试想一下,在动力输出一定的情况下,如果轮胎打滑,肯定会导致损失一部分的动力因为滑动摩擦而损失掉。
发动机和车辆动力性能表征
发动机我们常用功率和扭矩来表征动力性;而车辆的动力性则更为具体,比如说百公里加速。
关于功率和扭矩哪个更能够表征发动机的动力性,这个话题在知乎上已经是月经贴了。
之前一直有人认为发动机的功率决定了汽车所能达到的最大速度,而扭矩才是决定汽车加速能力的主要因素,但其实,决定汽车加速性能的还是功率。
功率和扭矩并不是完全孤立的两个量,他们是通过转速联系起来的,即
功率=扭矩*转速
对于车辆的加速性,可以做一个简单的估计,在阻力一定的情况下,由牛顿第二定律:
Ma=F
M 代表车辆的质量
a 代表车辆前进方向上的加速度,就是车辆的加速性能
F 表示驱动轮上的驱动力
而功率就是驱动力与速度的乘积: P=F*V
所以上式可以表示为: a=F/M=P/V*M
可见,如果单纯的只看功率,忽略阻力,那么无疑是功率决定了加速能力;而且随着速度的增加,加速能力也会降低。
这只是理想中的情况,功率越大,加速越好。
但是在现实中,即使两台车功率相差无几,加速性能也可能会存在大的差别,比如受到的阻力情况不一样,还有传动系的功率损失,所以:
发动机动力和汽车动力是两码事
如果想要精确的研究发动机功率到整车加速能力之间的关系,我们对扭矩从发动机输出到轮端整个进行建模。
我们所说的发动机的扭矩,其实是在实验室的测功机上,在稳定的工况下测出来的,而且不包括各种车辆附件扭矩,摩擦功损失。
还要扣除那些加速时转动部件的惯量。
比如在汽车之家上翼虎的动力数据,其实都是在实验室里得出的,不包括各种功率损耗。
发动机的"动力"以扭矩的形式在传动系中传递,从飞轮端输出,经过离合器,变速箱,传动轴到达车轮,才变为实在的轮端扭矩。
扭矩从发动机到离合器,发动机扭矩到离合器输出扭矩需要减去发动机的转动惯量损失。
扭矩从离合器出来后到达变速箱,此时扭矩需要乘以变速器的速比,当然还需要减去各轴和齿轮的转动惯量带来的扭矩损失,这才是变速箱扭矩。
此时扭矩就要来到车轮上了,变速箱的输出扭矩乘以主减速器的速比,再减去变速箱和主减速器之间的转动惯量带来的扭矩损失,这才是作用在车轮上的扭矩:轮端扭矩。
轮端扭矩减去驱动车轮所需要的扭矩,剩下的就是终极大Boss: 驱动扭矩。
驱动力矩除以轮胎半径就是驱动力,驱动力克服滚动摩擦阻力和空气阻力,然后驱动车辆前进,用于加速。
到这儿我们似乎还有一些东西没有考虑进去,那就是传动系的机械损失和粘性损失。传动系都会有个传动效率,传动效率随扭矩大小而变化,一般传动效率都在80%-90%之间。
上面说到影响一辆车加速性能最重要的因素,驱动力;然而,即使驱动力足够大,加速性能还要受到轮胎与路面之间摩擦系数的限制。
加速也得有双好鞋子
Fx=uW
这是摩擦力学的基本公式,其中:
u:最大摩擦系数
W: 驱动轮上的重量
当静摩擦力绷不住,车轮要打滑时,上面这个公式就用上了。摩擦系数是固定的,所以就看驱动车轮上的重量了,驱动轮重量由两部分组成。
一是静载荷和由于纵向加速度引起的前后车轮的载荷转移。
二是由于驱动力矩引起的横向载荷转移。
静载荷和前后载荷转对于特定的车基本都是就这样了,没啥好讨论的,但是对于横向载荷转移大有文章。
当车辆进行加速时,多多少少都会有横向的载荷转移,这样使得左右车轮受到的载荷不平衡,一个大,一个小,此时最大静摩擦力肯定就取决于载荷小的那个车轮。
如果差速器不能锁止,这时的后果就是谁先绷不住打滑谁歇菜,拖了整车加速性能的后腿,弹射起步会经常有打滑发生。
如果整车是差速器可锁止的独立悬架,即使加速载荷横向转移,载荷较大一侧车轮的附着力也能用上,因而驱动力的最大值有所提高。
从以上分析,你可以看出,发动机功率高并不意味着整车加速性能就好,还有很多的因素制约着整车的加速性能。
下面开始正儿八经答题,为什么昂科威动力比翼虎强,反而加速慢?
以下根据前面的理论知识进行推测,毕竟我没有亲自做过两个车的百公里加速测试,更没有参与两个车的研发,也许只有昂科威和翼虎的总工才知道自家车加速能力几何。
请注意:以下分析均忽略测试方法,边界环境,等等其他外在条件。
请注意:以下分析均忽略测试方法,边界环境,等等其他外在条件。
请注意:以下分析均忽略测试方法,边界环境,等等其他外在条件。
重要的事情说三遍下面的分析才有意义。。
昂科威0-100km加速时间为8.4s;翼虎0-100km加速时间为7.1s。
上面提到了影响一台车加速的一些主要因素有:功率大小;传动系数;传动比;传动系部件的转动惯量;风阻系数;车重;轮胎与地面的摩擦系数;轮胎尺寸等等。
先看动力:2.0T 昂科威最大功率为191Kw;2.0T的翼虎最大功率为180Kw,在动力上,翼虎比昂科威少了11Kw。
但是2.0T翼虎的重量为1740Kg;而2.0T昂科威为1800kg;昂科威比翼虎重,根据加速度公式,重量越大,加速越慢;而且重量越大,滚动摩擦力也会越大,这部分摩擦力是做负功的。
就风阻而言,昂科威的风阻系数是0.34;而翼虎的风阻系数是0.35,昂科威占优势;影响风阻重要的还有迎风面积,迎风面积跟整车尺寸正相关,一般来说整车的宽度和高度决定了迎风面积,迎风面积越大,阻力越大。
翼虎的迎风面积:宽1838*高1701;昂科威迎风面积:宽1839*高1695; 翼虎的迎风面积稍大于昂科威,但是从结果看,在这几秒钟的时间内,风阻不是加速性能的决定因素。
如果扭矩一定,轮胎半径越大,力就越小。查了下,昂科威的轮胎规格是235/50 R19,半径19英寸;翼虎选用的轮胎规格是固特异的节油轮胎235/50 R18,半径18英寸;只有很细小的区别。
最后来到了传动系:从目前的分析来看,翼虎加速之所以优于昂科威,传动系是主因了。
传动系包括变速箱到轮胎的整个传动结构:2017款翼虎搭载的是6档手自一体的变速箱,前置四驱,起步加速能够四个车轮同时发力;用中央多片离合器式限滑差速器来实现前后轴动力分配;后桥差速器为开放式。
传动比的配置对加速能力影响是很大的,特别是前两档的速比,在传动比与发动机的匹配上大有文章,经过仔细标定,发动机性能才能最大发挥作用,也并不是9AT就会比6AT要好,对于一台发动机来说,变速箱合适的才是最好的。
传动效率包括机械损失,部件与部件之间的粘性损失,克服转动惯量的功率损失等。
传动效率的高低直接决定了功率损耗大小,内耗越小,驱动功率就越大,这一块翼虎可能比优于昂科威。
所以,对于这个问题,我从理论上的推测是翼虎在他的四驱传动系上,做了一些优化,当然这些优化是什么,估计只有翼虎的总工知道了。
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