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第二節(jié) 整車(chē)節(jié)能技術(shù)

由等速百公里燃油消耗公式可以看出,等速百公里燃油消耗量正比于等速行駛時(shí)的行駛阻力與燃油消耗率,反比于傳動(dòng)效率。因此,影響汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的因素除了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能之外,還包括汽車(chē)行駛阻力、汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)、汽車(chē)結(jié)構(gòu)因素、汽車(chē)總質(zhì)量等諸多方面。

一、改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)

汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性有重要影響,主要影響因素包括汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的擋數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率等。

1.傳動(dòng)系統(tǒng)的最優(yōu)匹配與參數(shù)優(yōu)化

在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和汽車(chē)的常用行駛工況確定后,傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配和參數(shù)選擇是否恰當(dāng)直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性等。發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配示意如圖3-6所示,AB線為發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性的最佳燃油消耗曲線,R區(qū)為發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工作區(qū),顯然R區(qū)距AB線越近,發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性越好。汽車(chē)以車(chē)速νa行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以在等功率線P上任一點(diǎn)工作。例如,當(dāng)傳動(dòng)比為i3,發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n3工作時(shí),離經(jīng)濟(jì)區(qū)較遠(yuǎn),要使發(fā)動(dòng)機(jī)切換到燃油經(jīng)濟(jì)性較好的n4工作,可通過(guò)改變傳動(dòng)比到i4實(shí)現(xiàn)。

圖3-6 發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配示意

變速器的傳動(dòng)比范圍、擋位數(shù)、傳動(dòng)比分配規(guī)律和主傳動(dòng)比等參數(shù)都影響到整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性,在滿足汽車(chē)動(dòng)力性能的前提下,優(yōu)化傳動(dòng)系各參數(shù),使汽車(chē)常用工況處于發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)或接近最佳經(jīng)濟(jì)區(qū),則可有效地降低汽車(chē)的燃油消耗。

2.采用機(jī)械多擋變速器

傳動(dòng)系統(tǒng)的擋位越多,汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中越有可能選用合適的傳動(dòng)比使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最經(jīng)濟(jì)的工作狀況,以提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此,近年來(lái)轎車(chē)手動(dòng)變速器已基本上采用5擋,高級(jí)轎車(chē)開(kāi)始轉(zhuǎn)向6擋變速器。大型貨車(chē)有采用更多擋位的趨勢(shì),如裝載質(zhì)量為4t的五十鈴貨車(chē)裝用了7擋變速器。由專(zhuān)職駕駛員駕駛的重型汽車(chē)和牽引車(chē),為了改善動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性,變速器的擋位可多至10~16個(gè)。但擋位數(shù)過(guò)多會(huì)使變速器結(jié)構(gòu)大為復(fù)雜,同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)也過(guò)于繁瑣,因此使變速器操作不便,選擋困難,為此常在變速器后接上一個(gè)兩擋或三擋的副變速器。

圖3-7所示為中國(guó)重型汽車(chē)集團(tuán)公司生產(chǎn)的斯太爾重型汽車(chē)用ZFS6-90型帶副變速器傳動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意。圖3-7(a)所示組合式變速器在主變速器(五擋變速器)的后面串聯(lián)安裝了一個(gè)兩擋副變速器Ⅱ,這樣可得到10個(gè)前進(jìn)擋。在主變速器Ⅰ中,除倒擋采用直齒輪傳動(dòng)外,其余各擋均采用斜齒輪傳動(dòng)。二~五擋采用同步器換擋,而一擋和倒擋是利用接合套11的移動(dòng)完成換擋的。副變速器Ⅱ中的高速擋(直接擋)和低速擋的掛擋也采用了同步器。當(dāng)副變速器中的同步器接合套17左移并與固定外齒圈16接合時(shí),行星齒輪內(nèi)齒圈15被固定而不能轉(zhuǎn)動(dòng),則副變速器掛入低速擋。當(dāng)同步器接合套17右移并與副變速器高速擋齒圈18接合時(shí),行星齒輪軸14、變速器輸出軸19、行星齒輪內(nèi)齒圈15與副變速器輸入軸齒輪20固連在一起而同步旋轉(zhuǎn),則副變速器掛入高速擋。

潤(rùn)滑油泵2由第一軸1直接驅(qū)動(dòng),并通過(guò)第一軸1和第二軸6中的中心油道,潤(rùn)滑第二軸6上的常嚙合齒輪5、7、9、10、12的內(nèi)孔與第二軸6的配合表面以及副變速器中的行星齒輪軸14。

在組合式變速器中,除上述副變速器在主變速器之后的布置形式外,當(dāng)副變速器傳動(dòng)比較小時(shí),也可布置在主變速器之前[見(jiàn)圖3-7(b)]。有的重型貨車(chē)為了得到更多的擋位,在主變速器的前、后都裝有副變速器。

圖3-7 斯太爾重型汽車(chē)用ZFS6-90型帶副變速器傳動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1—第一軸;2—潤(rùn)滑油泵;3—第一軸常嚙齒輪;4—四、五擋同步器接合套;5—第二軸四擋常嚙合齒輪;6—第二軸;7—第二軸三擋常嚙合齒輪;8—三擋同步器接合套;9—第二軸二擋常嚙合齒輪;10—第二軸一擋常嚙合齒輪;11—倒擋接合套;12—第二軸倒擋常嚙合齒輪;13—副變速器行星齒輪;14—行星齒輪軸;15—行星齒輪內(nèi)齒圈;16—固定外齒圈;17—副變速器高、低擋同步器接合套;18—副變速器高速擋齒圈;19—變速器輸出軸;20—副變速器輸入軸齒輪;21—倒擋齒輪;22—倒擋軸;23—中間軸倒擋齒輪;24—中間軸一擋齒輪;25—中間軸二擋齒輪;26—中間軸三擋齒輪;27—中間軸四擋齒輪;28—中間軸常嚙齒輪;29—中間軸;30—副變速器輸入軸;31—副變速器輸入軸常嚙齒輪;32—副變速器輸出軸(主變速器第一軸);33—五、六擋同步器接合套;34—第二軸五擋常嚙齒輪;35—四擋同步器接合套;36—二擋同步器接合套;37—第二軸-擋齒輪;38—第二軸倒擋外齒圈;39—倒擋齒輪撥叉;40—中間軸倒擋雙聯(lián)齒輪;41—中間軸五擋齒輪;42—中間軸六擋齒輪;43—副變速器中間軸常嚙齒輪;44—副變速器中間軸Ⅰ-主變速器Ⅱ-副變速器

3.采用無(wú)級(jí)變速器

無(wú)級(jí)變速器,即CVT(Continuously Variable Transmission),是理想的傳動(dòng)系統(tǒng)。采用CVT使得駕駛方便,傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)得到最優(yōu)匹配。

(1)結(jié)構(gòu)原理 如圖3-8所示為金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu),它由CVT傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括金屬傳動(dòng)帶、輸入軸、輸出軸、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、離合器和殼體等。變速系統(tǒng)中的主、從動(dòng)工作輪是各由固定部分4a、6a和可動(dòng)部分4、6組成,工作輪的固定部分和可動(dòng)部分間形成V形槽,金屬傳動(dòng)帶在槽內(nèi)與它嚙合。當(dāng)主、從動(dòng)工作輪的可動(dòng)部分做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),即可改變傳動(dòng)帶與工作輪的嚙合半徑,從而改變了傳動(dòng)比。工作輪可動(dòng)部分的軸向移動(dòng)是根據(jù)汽車(chē)的行駛工況,通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)地調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。其動(dòng)力傳遞是由發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪經(jīng)離合器傳到主動(dòng)工作輪、金屬帶、從動(dòng)工作輪后,再經(jīng)中間減速齒輪機(jī)構(gòu)和主減速器,最后傳給驅(qū)動(dòng)輪。

圖3-8 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)

1—發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪;2—離合器;3—主動(dòng)工作輪液壓控制缸;4—主動(dòng)工作輪可動(dòng)部分;4a—主動(dòng)工作輪固定部分;5—液壓泵;6—從動(dòng)工作輪可動(dòng)部分;6a—從動(dòng)工作輪固定部分;7—中間減速器;8—主減速器與差速器;9—金屬帶;10—從動(dòng)輪液壓控制缸

1)金屬傳動(dòng)帶。CVT金屬傳動(dòng)帶如圖3-9所示,金屬傳動(dòng)帶由兩根厚片組合成的柔性鋼帶及許多金屬片組成。其中,金屬帶承受由主動(dòng)輪所傳遞的推力(不是拉力),柔性鋼帶將金屬片保持成帶狀,并支撐金屬帶。圖3-10所示為Van Doorne CVT 傳動(dòng)帶,圖3-11為美國(guó)Borg-Warner公司與日本鈴木公司合作研制的鏈傳動(dòng)帶。

圖3-9 CVT金屬傳動(dòng)帶

圖3-10 VanDoorneCVT傳動(dòng)帶

圖3-11 Borg-Warner鏈傳動(dòng)帶

2)CVT傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖3-12表示一種CVT傳動(dòng)器的結(jié)構(gòu)。其輸入軸帶動(dòng)行星齒輪裝置旋轉(zhuǎn),行星齒輪裝置的主動(dòng)部分是行星架,被動(dòng)部分是太陽(yáng)輪,直接驅(qū)動(dòng)CVT主動(dòng)輪以及齒輪泵、前進(jìn)擋離合器和倒擋制動(dòng)器,用以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的前進(jìn)、倒車(chē)和起步。

圖3-12 CVT傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

油泵將油輸入主動(dòng)輪伺服油缸和被動(dòng)輪伺服油缸,推動(dòng)主動(dòng)滑動(dòng)半輪和從動(dòng)滑動(dòng)半輪。由于金屬傳動(dòng)帶長(zhǎng)度不變,當(dāng)主動(dòng)滑動(dòng)半輪左(右)移時(shí),通過(guò)控制系統(tǒng)的作用,從動(dòng)滑動(dòng)半輪要向右(左)做相應(yīng)的移動(dòng),從而改變傳動(dòng)比。

3)帶有變矩器的CVT裝置。如圖3-13所示為帶有變矩器的CVT裝置,變矩器主要起兩個(gè)作用:一是起步平穩(wěn);二是擴(kuò)大汽車(chē)的總傳動(dòng)比,彌補(bǔ)CVT裝置的不足之處。此外在裝置中的兩級(jí)齒輪減速起主減速器的作用,也增加了汽車(chē)的總傳動(dòng)比。

圖3-13 帶有變矩器的CVT裝置

4)帶有電磁離合器的CVT裝置。帶有電磁離合器的CVT裝置,其電磁離合器用于改善起步性能。圖3-14是在日本富士重工研制并在Subaru轎車(chē)上裝用的ECVT,E是指電磁離合器。

圖3-14 帶有電磁離合器的CVT裝置

從以上各結(jié)構(gòu)可知,CVT裝置性能上有很多優(yōu)點(diǎn),但是由于起步性和總傳動(dòng)比小,通常要與其他裝置連用。與離合器、電磁離合器、耦合器和變矩器連用是為了改善起步性能;與主減速器、變矩器連用是為了增加傳動(dòng)比。

5)CVT裝置的控制系統(tǒng)。CVT裝置傳動(dòng)比的變化是通過(guò)改變主動(dòng)輪和從動(dòng)輪V槽寬度實(shí)現(xiàn)的。由于傳動(dòng)帶的長(zhǎng)度是不變的,所以主動(dòng)輪V槽寬度和被動(dòng)輪V槽寬度應(yīng)同時(shí)相應(yīng)地變化。CVT裝置的控制系統(tǒng)如圖3-15所示。

圖3-15 CVT裝置的控制系統(tǒng)

將節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速和被動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)輸入電控單元ECU,ECU輸出指令,通過(guò)調(diào)節(jié)控制主動(dòng)帶輪和被動(dòng)帶輪的軸向力得到所需的傳動(dòng)比。有時(shí)ECU還要控制電磁離合器(對(duì)于ECVT)等。

傳動(dòng)比di/dt的變化率,對(duì)汽車(chē)能否達(dá)到最大的加速度、加速是否平緩以及是否會(huì)產(chǎn)生減速度等均有較大影響。如果di/dt過(guò)大(見(jiàn)圖3-16),初始階段會(huì)產(chǎn)生負(fù)加速度,以后雖然能達(dá)到較大加速度但變化也較大。如果di/dt過(guò)小(見(jiàn)圖3-17),則反之。只有di/dt適中(見(jiàn)圖3-18)才能兼顧各個(gè)要求,因此,有必要對(duì)di/dt加以合理控制。

圖3-16 di/dt值大的加速曲線

圖3-17 di/dt值小的加速曲線

圖3-18 di/dt值適中的加速曲線

(2)變速原理

1)基本原理。圖3-19是通過(guò)改變主、被動(dòng)帶輪直徑,改變CVT傳動(dòng)比的原理圖。

圖3-19 CVT原理

圖3-19(a)為傳動(dòng)比為1,即主傳動(dòng)帶輪槽寬相等。圖3-19(b)為主動(dòng)帶輪槽寬變窄,被動(dòng)帶輪槽寬變寬,傳動(dòng)比減小。圖3-19(c)則相反,傳動(dòng)比增加。圖3-19(a)還可以看到,金屬帶的工作邊在主動(dòng)輪的出端金屬帶受推,而不像通常皮帶傳動(dòng),工作邊受拉。

2)無(wú)級(jí)變速器的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性調(diào)節(jié)特性。圖3-20(a)是發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性,這些曲線的包絡(luò)線是發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定功率時(shí)的最低燃油消耗率曲線。利用此圖可以找出發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定功率時(shí)的最經(jīng)濟(jì)工況(轉(zhuǎn)速與負(fù)荷)。把各功率下最經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷率標(biāo)明在外特性曲線上,便得到“最小燃油消耗特性”,如圖3-20(b)中的A1A2A3曲線。例如,在某道路阻力系數(shù)ψ的道路上以v'a速度行駛,需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供功率P'e,發(fā)動(dòng)機(jī)可以在n0、'nen1n2等多種轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的多種負(fù)荷率下工作,但只有在P'e水平線與A2A3的交點(diǎn)處工作,即轉(zhuǎn)速為n'e和大致為90%負(fù)荷率工作時(shí),燃油消耗率be最小。

圖3-20 發(fā)動(dòng)機(jī)最小燃油消耗率特性的確定

有了發(fā)動(dòng)機(jī)的“最小燃油消耗特性”,可進(jìn)一步確定無(wú)級(jí)變速器的調(diào)節(jié)性能。無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)比i'與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n及汽車(chē)行駛速度之間有如下的關(guān)系。

 (3-21)

式中 A——對(duì)某一汽車(chē)而言為常數(shù),

如上所述,當(dāng)汽車(chē)以速度v'a在一定道路上行駛時(shí),根據(jù)應(yīng)提供的功率 ,由“最小燃油消耗特性”曲線可求出發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)的工作轉(zhuǎn)速為n'e(當(dāng)然,節(jié)氣門(mén)也要做相應(yīng)地控制,才能在n'e時(shí)發(fā)出功率P'e)。將v'an'e帶入式(3-21),即得無(wú)級(jí)變速器應(yīng)有的傳動(dòng)比i'。在同一阻力系數(shù)ψ值的道路上,不同車(chē)速時(shí)無(wú)級(jí)變速器應(yīng)有的i'連成曲線便得到無(wú)級(jí)變速器的調(diào)節(jié)特性,無(wú)級(jí)變速器的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性調(diào)節(jié)特性如圖3-21所示。AB為變速器最大傳動(dòng)比,ED為最小傳動(dòng)比。BC表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為最大功率轉(zhuǎn)速時(shí)i'與車(chē)速的關(guān)系曲線,AE表示發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速時(shí)i'與車(chē)速的關(guān)系曲線。AEBCD曲線間所包含的曲線,表示在不同道路阻力下無(wú)級(jí)變速器的調(diào)節(jié)特性。

從圖3-21可以看出,在某一道路上行駛的汽車(chē),對(duì)應(yīng)于某一車(chē)速,即可找到一個(gè)對(duì)應(yīng)此工況條件的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的傳動(dòng)比i,CVT裝置控制系統(tǒng)就應(yīng)按此調(diào)節(jié)到這個(gè)傳動(dòng)比i值,這樣汽車(chē)就可以在最省油的狀況下工作,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性的工況匹配。

圖3-21 無(wú)級(jí)變速器的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性調(diào)節(jié)特性

3)工況的選定。圖3-22是CVT汽車(chē)的加速踏板開(kāi)度α與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne的關(guān)系曲線。CVT裝置可以通過(guò)傳動(dòng)比i的切換保證發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況最低油耗點(diǎn)工作,或者也可以保證在某一工況的最大功率點(diǎn)工作。圖3-22中E曲線是經(jīng)濟(jì)性規(guī)律曲線,S為動(dòng)力性規(guī)律曲線。兩者之間為折中區(qū)域。

圖3-22 CVT汽車(chē)的加速踏板開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

CVT汽車(chē)在行駛時(shí),通常狀況下發(fā)動(dòng)機(jī)處于最經(jīng)濟(jì)工況,即E曲線,此時(shí)油耗低、噪聲小、行駛平順。

在上坡或超車(chē)時(shí),駕駛員可猛踩加速踏板,此時(shí)不管原來(lái)節(jié)氣門(mén)的位置大小,傳動(dòng)比將會(huì)自動(dòng)升高,發(fā)動(dòng)機(jī)立即到達(dá)S曲線,即最大功率工況。據(jù)資料介紹,一輛總質(zhì)量1.4t、功率100kW的轎車(chē),加速到100km/h的時(shí)間,裝用五擋手動(dòng)變速器的為13.1s,而裝用CVT僅為8.6s。

4.使用超速擋

現(xiàn)代汽車(chē)大部分都以直接擋為最高擋位,但仍有一部分汽車(chē)加裝了超速擋,以提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。直接擋和超速擋功率平衡圖如圖3-23所示,汽車(chē)在同一車(chē)速v下行駛時(shí),阻力功率(以線段ab表示)相同,而超速擋的負(fù)荷率(ab/ac)明顯高于直接擋的負(fù)荷率(ab/ad),只要在高負(fù)荷率下發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣沒(méi)有加濃,發(fā)動(dòng)機(jī)的be就會(huì)略顯降低,使汽車(chē)更節(jié)油。特別是對(duì)于高車(chē)速、比功率大的轎車(chē),在一般公路上用超速擋行駛明顯比用直接擋行駛省油,故有的汽車(chē)設(shè)置了2個(gè)超速擋。

圖3-23 直接擋和超速擋功率平衡圖

二、減小汽車(chē)行駛阻力

汽車(chē)在水平道路上等速行駛時(shí),必須克服來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力(Ff)和來(lái)自大氣的空氣阻力(Fw);當(dāng)汽車(chē)在坡道上爬坡行駛時(shí),還必須克服坡道阻力(Fi);汽車(chē)在加速行駛時(shí),還需要克服加速阻力(Fj)。因此汽車(chē)行駛中的總阻力為

 (3-22)

上述諸阻力中,滾動(dòng)阻力和空氣阻力在任何行駛條件下均會(huì)產(chǎn)生,因此,汽車(chē)經(jīng)常需要消耗功率來(lái)克服這些阻力。所以,減小汽車(chē)行駛中的滾動(dòng)阻力和空氣阻力,對(duì)節(jié)約油料,提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性很有意義。

1.減小汽車(chē)的滾動(dòng)阻力

汽車(chē)的滾動(dòng)阻力與路面狀況、行駛車(chē)速、輪胎結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑油料等都有關(guān)系。

(1)路面狀況對(duì)汽車(chē)滾動(dòng)阻力的影響 滾動(dòng)阻力為

 (3-23)

式中 G——汽車(chē)的重力,N;

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)。

從式(3-23)可以看出,在汽車(chē)重力一定的情況下,汽車(chē)行駛的滾動(dòng)阻力主要決定于滾動(dòng)阻力系數(shù)。不同路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)相差很大,見(jiàn)表3-1。

表3-1 不同路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)值

汽車(chē)在不平的路面上行駛時(shí),經(jīng)常跳動(dòng),引起懸架裝置和輪胎變形的增加,使?jié)L動(dòng)阻力增加。為了節(jié)約燃油,一定要修好路面,養(yǎng)好路面。

(2)汽車(chē)行駛速度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響 行駛車(chē)速對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響很大。汽車(chē)行駛車(chē)速對(duì)滾動(dòng)阻力的影響如圖3-24所示,貨車(chē)及轎車(chē)輪胎在車(chē)速100km/h以下時(shí),滾動(dòng)阻力系數(shù)逐漸增加但變化不大;轎車(chē)輪胎在140km/h以上時(shí)增長(zhǎng)較快;車(chē)速達(dá)到某一臨界車(chē)速例如200km/h左右時(shí),滾動(dòng)阻力迅速增大,此時(shí)輪胎發(fā)生駐波現(xiàn)象,輪胎周緣不再是圓形而呈明顯的波浪狀,從而使?jié)L動(dòng)阻力顯著增加。所以從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā),在使用汽車(chē)時(shí),載貨汽車(chē)的車(chē)速最好控制在100km/h以下,轎車(chē)的車(chē)速最好控制在140km/h以下。

圖3-24 汽車(chē)行駛車(chē)速對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

(3)輪胎氣壓對(duì)滾動(dòng)阻力的影響 滾動(dòng)阻力系數(shù)與充氣壓力的關(guān)系如圖3-25所示,由圖3-25可以看出,輪胎的充氣壓力對(duì)滾動(dòng)阻力系數(shù)f影響很大,氣壓降低時(shí),滾動(dòng)阻力系數(shù)f迅速增大。當(dāng)汽車(chē)在良好的硬路面上以50km/h以下的速度行駛時(shí),汽車(chē)的滾動(dòng)阻力占總行駛阻力的80%左右。

 (3-24)

圖3-25 滾動(dòng)阻力系數(shù)與充氣壓力的關(guān)系

式中 a——偏移距(通過(guò)輪心垂直線至路面反作用力的受力點(diǎn)的距離);

R——輪胎滾動(dòng)半徑,具體如圖3-26所示。

圖3-26 輪胎載荷和胎壓與偏移距a的關(guān)系

可見(jiàn),滾動(dòng)阻力系數(shù)f取決于偏移距a的大小,偏移距a增大,滾動(dòng)阻力系數(shù)相應(yīng)增大。而偏移距a取決于輪胎下沉量(在垂直載荷作用下,輪胎被壓縮的程度或徑向變形量)。對(duì)于一定規(guī)格、層次的輪胎來(lái)說(shuō),下沉量的大小主要取決于輪胎承載負(fù)荷和胎內(nèi)氣壓。氣壓下降,下沉量增大,滾動(dòng)阻力系數(shù)增加,油耗增加。如當(dāng)汽車(chē)各輪胎的氣壓均較標(biāo)準(zhǔn)氣壓(各車(chē)型規(guī)定值)降低49kPa時(shí),就會(huì)增加5%的油耗;而當(dāng)輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)的5%~20%時(shí),就會(huì)減少20%的輪胎行駛里程,相應(yīng)增加10%的油耗。可見(jiàn),保持輪胎氣壓在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),是減少輪胎偏移距,從而減小滾動(dòng)阻力,降低油耗的有效措施。

(4)輪胎類(lèi)型對(duì)滾動(dòng)阻力的影響 輪胎的結(jié)構(gòu)、簾線和橡膠的品種對(duì)滾動(dòng)阻力都有影響。如圖3-27所示為幾種不同的轎車(chē)和貨車(chē)輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)隨車(chē)速和充氣壓力而變化的曲線,從圖3-27中可以看出,子午線輪胎比斜交輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)小。這是因?yàn)樽游缇€輪胎的胎線層數(shù)比斜交輪胎的層數(shù)少,一般為4層,從而層與層之間的摩擦損耗減小。同樣層數(shù)和規(guī)格的輪胎,子午線輪胎接地面積比斜交輪胎大,接地印痕呈長(zhǎng)方形,而斜交輪胎印痕呈橢圓形,因此,前者對(duì)地壓強(qiáng)小且均勻,輪胎的變形量減小。當(dāng)輪胎滾動(dòng)一周時(shí),子午胎與地面相對(duì)滑移量小,可多走2%左右,其耐磨性可提高50%~70%。

圖3-27 滾動(dòng)阻力系數(shù)與輪胎結(jié)構(gòu)、車(chē)速、充氣壓力之間的關(guān)系

研究表明,汽車(chē)輪胎滾動(dòng)阻力減小4%,油耗可下降1%左右。例如,人字形花紋輪胎反向使用時(shí),滾動(dòng)阻力比順向使用時(shí)減少10%~25%,約可降低油耗3%~8%。

2.減小汽車(chē)的空氣阻力

(1)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與燃油消耗量的關(guān)系 空氣阻力與汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)密切相關(guān),它由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的牽引力來(lái)克服。減小空氣阻力,就可降低發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的功率,從而降低汽車(chē)的耗油量,一般以常用的等速百公里油耗的方法來(lái)進(jìn)行初步的分析。

若汽車(chē)以va(km/h)等速直線行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)工況的有效油耗率為be[g/(kW·h)],行駛100km所消耗的功為W(kW·h),則等速百公里油耗Qs(L/100km)為

 (3-25)

式中 ρ——燃料的密度,汽油可取0.696~0.715kg/L,柴油可取0.794~0.813kg/L。

由于消耗的功W等于行駛阻力∑F與行駛距離S的乘積除以效率η,行駛阻力∑F是滾動(dòng)阻力Ff與空氣阻力Fw之和,此時(shí)的百公里油耗Qs(L/100km)為

 (3-26)

因此,降低Fs則可降低Qs。當(dāng)高速行駛時(shí),FwFf大得多,故降低Fw所得到的節(jié)油效果更大。

空氣阻力Fw的大小,用公式表示為

 (3-27)

式中 CD——空氣阻力系數(shù);

A——汽車(chē)的迎風(fēng)面積;

νa——汽車(chē)的行駛速度。

為了節(jié)約燃油,就應(yīng)該減小空氣阻力。從式(3-27)中可以看出,要減小空氣阻力,就必須減小汽車(chē)的迎風(fēng)面積,降低空氣阻力系數(shù)CD;另外,還要保持中速行駛。

空氣阻力系數(shù)CD的大小,取決于汽車(chē)的外形、車(chē)體表面的質(zhì)量等。為了保證小的空氣阻力和可靠的行駛穩(wěn)定性,降低汽車(chē)的油耗,必須改善汽車(chē)車(chē)身的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

(2)改善汽車(chē)車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)性能的措施 為了降低空氣阻力,達(dá)到節(jié)油的目的,轎車(chē)的外形必須有良好的流線型;貨車(chē)及各類(lèi)廂式車(chē)輛,尤其是大型牽引掛車(chē),為了實(shí)用的目的,其巨大的車(chē)身一般均為非流線型,要想降低其空氣阻力,解決的辦法就是廣泛使用各種局部的減阻裝置。

1)外形設(shè)計(jì)的合理優(yōu)化。①外形設(shè)計(jì)的局部?jī)?yōu)化。車(chē)頭部棱角圓角化可以防止氣流分離和降低CD值。圖3-28所示為美國(guó)福特汽車(chē)公司對(duì)3∶8比例的汽車(chē)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果。

圖3-28 車(chē)體頭部圓角化對(duì)空氣阻力系數(shù)的影響

試驗(yàn)表明,當(dāng)圓角半徑取40mm時(shí),即可防止氣流在轉(zhuǎn)角處的分離。轎車(chē)模型可使阻力減小40%~50%;廂式客車(chē)模型阻力下降更大。試驗(yàn)還表明,如能使汽車(chē)的平均空氣阻力減小2%,所需發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大約可減少0.5%;轎車(chē)CD值下降0.2,在公路上行駛可節(jié)油22%,在市內(nèi)可節(jié)油6%,而在綜合循環(huán)條件下,約節(jié)油11%。例如,Audi 100轎車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,CD從0.42降到0.30,在混合循環(huán)時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性可改善9%左右,而當(dāng)以150km/h的速度行駛時(shí),燃油經(jīng)濟(jì)性改善達(dá)25%。端面帶圓角的物體比不帶圓角的物體的CD值小得多。只要有較小的圓角半徑r,就可以使CD值大幅度的下降。從圖3-29可知,將大客車(chē)車(chē)頭整個(gè)流線型化的作用并不大,只需將其車(chē)頭邊角倒圓即可收到相當(dāng)理想的效果。

圖3-29 大客車(chē)車(chē)頭邊角倒圓和流線型化對(duì)CD的影響

設(shè)在風(fēng)窗玻璃與側(cè)窗交接處的前風(fēng)窗立柱(又稱(chēng)A立柱),正好處在前方氣流向兩側(cè)流動(dòng)的拐角處,它的設(shè)計(jì)對(duì)CD有比較明顯的影響。另外,車(chē)身后部形狀以及車(chē)身表面粗糙度對(duì)CD的影響也很大。為了有效地降低CD值,普遍采用了各種氣動(dòng)附加裝置,如前部擾流器、導(dǎo)流罩和隔離裝置等。

②外形設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化。局部?jī)?yōu)化和氣動(dòng)附加裝置都可部分地改進(jìn)空氣動(dòng)力特性,取得良好的效果。但要使空氣動(dòng)力性能有較大的改變以達(dá)到更高的水平,則應(yīng)進(jìn)行外形設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化,也就是將汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的各項(xiàng)研究成果及改進(jìn)經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)地應(yīng)用到整車(chē)外形設(shè)計(jì)中來(lái)。例如,Audi 100型轎車(chē)經(jīng)過(guò)17項(xiàng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,使CD值從0.45降到0.30。又如意大利著名的平寧·法利那(Pinin Fanria)車(chē)身設(shè)計(jì),具有較小的表面面積;車(chē)身有上凸線型,空氣阻力系數(shù)在0.23以下,成為未來(lái)轎車(chē)車(chē)身發(fā)展的模型。

2)采用各種形式的減阻導(dǎo)流罩。導(dǎo)流罩是汽車(chē)四大節(jié)油裝置之一,許多國(guó)家都廣泛采用。

①凸緣型減少空氣阻力裝置。這種裝置裝在廂式車(chē)身的前部,并包覆其頂邊及兩側(cè)。安裝這種裝置后,空氣阻力系數(shù)可減少3%~5%。

②空氣動(dòng)力篩眼屏板。這種減少空氣阻力的裝置也裝在駕駛室頂上。安裝這種屏板后,空氣阻為系數(shù)可減少3%以上。

③導(dǎo)流罩(見(jiàn)圖3-30)。導(dǎo)流罩也稱(chēng)導(dǎo)流板或?qū)эL(fēng)罩,多為頂裝式,即安裝在駕駛室頂上。安裝導(dǎo)流罩后,空氣阻力系數(shù)可減少3%~6%。

圖3-30 導(dǎo)流罩

a—長(zhǎng)度等于駕駛室頂寬;b—長(zhǎng)度等于貨廂前頂部寬;c—長(zhǎng)度等于駕駛室頂長(zhǎng)度;d—長(zhǎng)度等于駕駛室頂前端寬;h—長(zhǎng)度等于駕駛室頂與貨廂前頂高度之差

④間隔風(fēng)罩。間隔風(fēng)罩裝在駕駛室和車(chē)廂之間,由駕駛室后端延至車(chē)廂前端(見(jiàn)圖3-31),將駕駛室和車(chē)廂間的空隙密封。風(fēng)罩由柔軟的膜布制成,多與其他減少空氣阻力的裝置共用。安裝這種裝置后可節(jié)約燃油12%。

圖3-31 間隔風(fēng)罩

1—導(dǎo)流罩;2—間隔風(fēng)罩;3—掛車(chē)下部防風(fēng)罩;4—后導(dǎo)流罩

⑤導(dǎo)流器。轎車(chē)的車(chē)速較高,容易在汽車(chē)尾部形成吸氣渦流。為避免這種情況,可以在轎車(chē)的尾部加裝空氣導(dǎo)流器,轎車(chē)空氣導(dǎo)流器如圖3-32所示,安裝后節(jié)油效果明顯。

圖3-32 轎車(chē)空氣導(dǎo)流器

導(dǎo)流罩通常做成流線型,常用鋁合金或其他板材制作,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造容易,安全可靠。特別是廂式半掛車(chē)車(chē)廂往往比駕駛室高0.6~0.9m,由于這一高度差,當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí),車(chē)廂前壁會(huì)造成紊流和使氣流剝離而增大汽車(chē)的空氣阻力。在駕駛室頂部設(shè)置導(dǎo)流板,能使空氣保持層流和防止剝離,降低空氣阻力。實(shí)驗(yàn)表明,平均可節(jié)油2%~7%,尤其是高速行駛效果更為突出。

在車(chē)身上加裝空氣導(dǎo)流罩,應(yīng)符合《道路運(yùn)輸車(chē)輛安全標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定,不可隨意加裝影響外觀和有礙交通的高突起導(dǎo)流裝置。載重汽車(chē)的篷布及其支架,不用時(shí)應(yīng)該放下或拆除,這對(duì)減少行駛阻力,提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性是有利的。

三、減輕汽車(chē)整備質(zhì)量

汽車(chē)消耗功率主要用來(lái)克服車(chē)輛慣性與滾動(dòng)阻力,這兩者都是車(chē)重G的直接函數(shù),因此,燃油經(jīng)濟(jì)性隨車(chē)重的降低而改善。

圖3-33是美國(guó)John E.Clark給出的,根據(jù)1984年度、1985年度車(chē)輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的城市循環(huán)燃油經(jīng)濟(jì)性(mile/UKgal)與汽車(chē)質(zhì)量的關(guān)系曲線;上面還有美國(guó)運(yùn)輸部(DOT)給出的1976年度車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性與車(chē)輛質(zhì)量的關(guān)系曲線。圖3-34是2007年在主要部分日本車(chē)型和中國(guó)車(chē)型的整備質(zhì)量與汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性關(guān)系的數(shù)據(jù)分布圖,其中圖3-34(a)中的汽車(chē)是采用日本10-15工況駕駛循環(huán)測(cè)試方法測(cè)得的汽車(chē)油耗;圖3-34(b)則是采用汽車(chē)生產(chǎn)廠家提供的等速油耗數(shù)據(jù)。這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明,大而重的豪華型轎車(chē)比小而輕的輕型或微型汽車(chē)的油耗幾乎要高3~5倍。因此,降低汽車(chē)的整備質(zhì)量,廣泛采用輕型、微型轎車(chē)是節(jié)約燃料的有效措施。

減小汽車(chē)質(zhì)量的方法主要有汽車(chē)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕質(zhì)材料的大量采用和汽車(chē)制造工藝的優(yōu)化。

圖3-33 城市循環(huán)燃油經(jīng)濟(jì)性(mile/UKgal)與汽車(chē)質(zhì)量的關(guān)系

圖3-34 汽車(chē)整備質(zhì)量與汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

1.汽車(chē)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

轎車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng),使傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,整車(chē)質(zhì)量大大下降;發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸頂置,配氣機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件大為簡(jiǎn)化,質(zhì)量變小;采用少片或單片鋼板彈簧、承載式車(chē)身以及各種零件的薄壁化、復(fù)合化、小型化等;減小車(chē)身尺寸,這還有利于減小行駛時(shí)的空氣阻力;取消一些附加設(shè)備及器材等;大量應(yīng)用質(zhì)量輕的電子產(chǎn)品。

2.汽車(chē)制造工藝的優(yōu)化

如汽車(chē)車(chē)身和廂體的成形技術(shù)。過(guò)去的沖壓工藝首先把鋼板剪裁成沖壓板料,然后沖壓成為沖壓件,再將各個(gè)沖壓件焊接成所需要的部件。而優(yōu)化后的工藝則采用激光焊的“拼焊”方式,即將不同厚度和不同性能的鋼板剪裁后拼焊成新的鋼板,然后再對(duì)其進(jìn)行沖壓加工。采用拼焊鋼板可以按照汽車(chē)的不同部位對(duì)應(yīng)采用不同的板材,在負(fù)荷大的地方采用較厚的高強(qiáng)度鋼板,而在其他部位則使用較薄的高強(qiáng)度鋼板。比如在不等厚車(chē)門(mén)內(nèi)板的沖壓成形過(guò)程中,在受力集中的鉸鏈部件采用較厚的鋼板,其余部件采用薄鋼板,從而省料減重,延長(zhǎng)使用壽命,在滿足使用要求的情況下,節(jié)省了材料,減小了汽車(chē)的重量。

內(nèi)高壓成形工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。采用內(nèi)高壓成形技術(shù)改變零件結(jié)構(gòu)是目前汽車(chē)設(shè)計(jì)中減輕零件質(zhì)量的重要方法之一。其原理是管內(nèi)充滿高壓液體,通過(guò)內(nèi)部加壓和軸向加力補(bǔ)料把管坯壓入模具形腔使其成形。對(duì)于軸線為曲線的零件,應(yīng)先把管坯預(yù)彎成接近零件形狀,然后加壓成形,是制造空心輕體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。目前,采用該項(xiàng)工藝的典型零件如轎車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)異形管件、發(fā)動(dòng)機(jī)托架中的管件、底盤(pán)結(jié)構(gòu)件、車(chē)身框架、座椅骨架、散熱器支架、副車(chē)架、翼形管件、儀表盤(pán)支架和前后軸等結(jié)構(gòu)件及載貨汽車(chē)上的排氣系統(tǒng)異形管件和結(jié)構(gòu)管件等。

內(nèi)高壓成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是基本一次成形,減輕零件質(zhì)量,減少零件數(shù)量,適用于制造各種復(fù)雜形狀的構(gòu)件,可減少模具的數(shù)量和工序,制造周期短,適用于各類(lèi)鋼材、鋁合金、鈦合金等金屬材料的加工。如轎車(chē)副車(chē)架,用沖壓焊接工藝生產(chǎn),需將多個(gè)沖壓件焊為1個(gè)零件;用內(nèi)高壓成形工藝,則只用一根管坯通過(guò)彎曲成形、預(yù)成形、內(nèi)高壓成形即可完成。副車(chē)架減輕質(zhì)量20%以上;生產(chǎn)成本比沖壓件平均降低低15%~30%:且提高了零件強(qiáng)度和剛度。美國(guó)通用SEVILL車(chē)型運(yùn)用此技術(shù)生產(chǎn)了側(cè)門(mén)橫梁、車(chē)頂托架等結(jié)構(gòu)件;而福特Mondeo的發(fā)動(dòng)機(jī)支架采用此技術(shù)后,大大減少了零件和工序,質(zhì)量也從12kg降到了8kg。

除以上新工藝、新方法外,點(diǎn)膠焊、超聲波焊、超塑性擴(kuò)散連接等技術(shù)也逐步在汽車(chē)制造業(yè)中占據(jù)一席之地,使得輕量化進(jìn)程更加順利。

3.輕質(zhì)材料的應(yīng)用

采用輕質(zhì)材料是目前減小汽車(chē)總質(zhì)量的主要途徑。汽車(chē)用輕質(zhì)材料可分為兩類(lèi):一類(lèi)是輕質(zhì)金屬材料,主要包括鋁、鋁合金、鎂合金、鈦合金以及高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板等;另一類(lèi)是非金屬材料,主要有陶瓷、塑料、高分子復(fù)合材料等。

(1)高強(qiáng)度鋼 目前,鋼材仍是汽車(chē)工業(yè)的主要原材料,平均每輛汽車(chē)所用鋼材約占65%,所以采用高強(qiáng)度鋼對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化具有相當(dāng)大的意義。

以前,車(chē)身材料采用的多是普通碳鋼板,雖然其價(jià)格低廉、能吸收撞擊能量,但其質(zhì)量大,增加了燃油消耗。近幾年,高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼逐漸成為汽車(chē)工業(yè)中發(fā)展最快的輕質(zhì)金屬材料之一,在汽車(chē)上的應(yīng)用比例不斷增加。高強(qiáng)度鋼最小屈服強(qiáng)度達(dá)到240MPa,最小抗拉強(qiáng)度達(dá)到690MPa;超高強(qiáng)度鋼材抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到1000~1200MPa。利用高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼鋼板代替普通鋼鋼板可減薄構(gòu)件厚度10%左右,減輕汽車(chē)質(zhì)量20%~30%左右。

用于汽車(chē)制造的高強(qiáng)度鋼主要有無(wú)間隙原子鋼(IF鋼)、烘烤硬化鋼(BH鋼)、雙相鋼(DP鋼)以及相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP鋼)。尤其是TRIP鋼具有較好的成形性、極高的屈服和抗拉強(qiáng)度而備受汽車(chē)制造商的青睞,目前,主要用在汽車(chē)車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、后備箱蓋板及其他結(jié)構(gòu)件上。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前世界上用于制造汽車(chē)所用高強(qiáng)度薄鋼板的比例在30%以上。如德國(guó)保時(shí)捷超輕鋼車(chē)身(ULSAB)使用全鍍鋅高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼鋼板制造,鋼板厚度范圍為0.65~2.00mm,與普通類(lèi)型車(chē)身相比,質(zhì)量減輕20%,而抗扭剛度則提高90%,抗變剛度提高52%;福特汽車(chē)公司用DP鋼制造轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋,使板厚度由原來(lái)的1.8mm減薄到0.8mm;一汽大眾汽車(chē)公司Audi C5轎車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋采用烘烤硬化鋼板;鈴木2003年發(fā)布的新型Wagon R的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋也采用了抗拉強(qiáng)度為340MPa的高強(qiáng)度鋼,均在不同程度上減輕了汽車(chē)的質(zhì)量。

另外,減輕車(chē)用彈簧或板簧的質(zhì)量也是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑。汽車(chē)彈簧輕量化主要靠提高制簧鋼絲的強(qiáng)度,以提高彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力。車(chē)用板簧輕量化采取的方法主要有:a.開(kāi)發(fā)高性能新型彈簧鋼,使之能提高板簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力;b.采用少片變截面代替多片等截面板簧。德國(guó)雷特曼·杰克公司生產(chǎn)出的新型高強(qiáng)度彈簧鋼,其強(qiáng)度比目前彈簧鋼絲強(qiáng)度提高200~400MPa,使懸架質(zhì)量減輕20%。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家為了使轎車(chē)用彈簧輕量化,也研究開(kāi)發(fā)出新的高強(qiáng)度彈簧鋼并取得了很大成效。汽車(chē)板簧主要用于客車(chē)和貨車(chē)上,國(guó)外客車(chē)凡使用板簧的,幾乎全部采用變截面板簧。我國(guó)客車(chē)采用這種板簧的也越來(lái)越多。

(2)鋁合金 鋁合金具有高強(qiáng)度、低密度、耐侵蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、再生性好和可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)點(diǎn),使得鋁合金成為汽車(chē)上用量最多的非鐵金屬。鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵材料可使整車(chē)質(zhì)量減輕30%~40%,最高節(jié)油可達(dá)24%~32%。目前,應(yīng)用于汽車(chē)的鋁合金包括:車(chē)身覆蓋件的鋁合金板材;鑄鋁件;擠壓型材;鍛造鋁合金;鋁線材;鋁合金復(fù)合材料等。汽車(chē)用鋁合金材料約80%為鑄造鋁合金,主要是發(fā)動(dòng)機(jī)部件(如缸蓋、缸體、活塞等)、傳動(dòng)系部件(如變速器殼體、離合器殼體等)及轉(zhuǎn)向系、行駛系零部件(如轉(zhuǎn)向器殼、車(chē)輪等)等;20%的變形鋁合金主要用于熱交換器系統(tǒng)(如散熱器、中冷器等)、車(chē)身部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、車(chē)體框架)和油箱等。

當(dāng)前,世界上主要的汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)如美國(guó)、日本和德國(guó)等,都在擴(kuò)大鋁的使用量。其中,美國(guó)汽車(chē)公司近10年來(lái)生產(chǎn)汽車(chē)過(guò)程中,耗鋁量已增加了1.75倍;歐洲汽車(chē)平均用鋁量也已從1990年的55kg/輛增加到2006年的127kg/輛;目前,豐田及寶馬等系列車(chē)型鋁使用量平均為154kg/輛,取代通用及日產(chǎn)位居前列。從2006年到2009年,通用、本田、豐田、寶馬、現(xiàn)代及大眾等汽車(chē)生產(chǎn)商生產(chǎn)的北美車(chē)型鋁使用量均有所增長(zhǎng)。歐洲鋁協(xié)(EAA)預(yù)測(cè),在2015年前,歐洲小汽車(chē)用鋁量將增至300kg/輛。如果轎車(chē)的零部件,凡是可用鋁合金制造的都用其代替,那么每輛車(chē)的平均用鋁量將達(dá)到454kg,輕量化的效果將大大提高。

同時(shí),鋁是綠色環(huán)保材料,易回收,可循環(huán)回收。采用鋁所節(jié)省的能量是生產(chǎn)該零件所用原鋁耗能的6~12倍。近幾年,一汽集團(tuán)和東風(fēng)公司都參與了國(guó)家重大攻關(guān)項(xiàng)目《輕量化金屬材料鋁合金、鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用研究》。隨著國(guó)內(nèi)B級(jí)車(chē)、C級(jí)車(chē)以及轎跑車(chē)的相繼研發(fā)和上市,為鋁合金在汽車(chē)上的應(yīng)用提供了很好的市場(chǎng)和應(yīng)用基礎(chǔ),因此,鋁合金在國(guó)產(chǎn)車(chē)上的應(yīng)用也會(huì)日益增多。

(3)鎂合金 鎂是比鋁更輕的金屬材料,密度為鋁的2/3,可在鋁減輕質(zhì)量基礎(chǔ)上再減輕15%~20%。在輕量化的驅(qū)動(dòng)下,20世紀(jì)90年代以來(lái),鎂在汽車(chē)中的應(yīng)用一直處于快速增長(zhǎng)階段。鎂合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為汽車(chē)材料技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前,所用的鎂合金材料以鑄造鎂合金為主,大量用于裝車(chē)的鎂合金零件主要是車(chē)身和底盤(pán)零件,包括儀表板骨架與橫梁、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤(pán)和進(jìn)氣歧管等。在歐洲,鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用方面,德國(guó)一直處于領(lǐng)先地位,如大眾汽車(chē)公司的新車(chē)奧迪A6單車(chē)用鎂合金已達(dá)40kg;在美國(guó),三大汽車(chē)公司均已采用鎂合金零件,主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)及支承結(jié)構(gòu)件;在日本,鎂合金主要用于變速器殼體、氣缸罩蓋及轉(zhuǎn)向鎖架等。在國(guó)內(nèi),2001年一汽集團(tuán)、東風(fēng)公司、上汽集團(tuán)等參與了國(guó)家鎂合金應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。東風(fēng)公司開(kāi)發(fā)了鎂合金變速器上蓋、踏板、真空助力器中間隔板及制動(dòng)閥體等;一汽集團(tuán)開(kāi)發(fā)了36種鎂合金壓鑄件,其中,發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸罩蓋、轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架等零件已應(yīng)用于生產(chǎn);上汽集團(tuán)開(kāi)發(fā)了桑塔納轎車(chē)的鎂合金變速器外殼、踏板支架和輪轂等。

(4)鈦合金 鈦合金由于強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕能力強(qiáng)以及耐熱、耐冷性能好等特點(diǎn)而逐漸被應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。鈦合金強(qiáng)度與鋼基本相同(見(jiàn)表3-2),但質(zhì)量大約只有鋼的1/2。其實(shí),早在1956年,美國(guó)通用汽車(chē)公司已研制出了一種全鈦汽車(chē)(名為“火鳥(niǎo)”),但由于其造價(jià)昂貴,后來(lái)僅在賽車(chē)上保留了應(yīng)用。

表3-2 常用汽車(chē)材料的比強(qiáng)度

如今隨著低成本鈦合金的不斷研制以及制備工藝的不斷創(chuàng)新,將鈦合金應(yīng)用于普通汽車(chē)已逐漸被人們所接受。2001年大眾汽車(chē)公司首次在Lupo FSI普通轎車(chē)上標(biāo)配了鈦合金彈簧,使得汽車(chē)減重82kg,同鋼彈簧相比,減重60%~70%,彈簧高度降低40%。到目前為止,鈦合金在汽車(chē)上最成功的應(yīng)用就是制造彈簧。

鈦合金幾乎所有的特點(diǎn)都在制備彈簧過(guò)程中得到了應(yīng)用,并且還達(dá)到了鋼鐵材料難以達(dá)到的性能指標(biāo),使其成為最佳的彈簧材料。首先,從其彈性性能上說(shuō),由于鈦合金的彈性極限高而彈性模量低,其彈性應(yīng)變能非常高,是鋼彈簧的10倍以上,因此,使用鈦合金彈簧將明顯提高乘車(chē)舒適度;其次,從使用壽命上說(shuō),鈦合金具有優(yōu)異的疲勞極限,可以滿足彎曲疲勞強(qiáng)度大于800MPa的要求,其卷簧所需材料的質(zhì)量減小且壽命延長(zhǎng)。同時(shí),鈦合金的抗腐蝕能力強(qiáng),無(wú)需額外的表面防銹處理,因此,鈦彈簧的使用壽命比汽車(chē)本身的壽命還長(zhǎng),無(wú)需中間更換;再次,從加工角度來(lái)說(shuō),由于制備彈簧的鈦合金為β鈦合金,其在淬火狀態(tài)下強(qiáng)度很低,非常有利于冷拔拉絲,可以利用鋼絲的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行加工,然后通過(guò)時(shí)效處理提高強(qiáng)度,因此生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單;并且,如前述在相同的彈性功能前提下,鈦彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%,便于車(chē)體設(shè)計(jì);最后,從油耗方面來(lái)說(shuō),由于鈦合金的密度小,鈦彈簧的質(zhì)量?jī)H是鋼彈簧的一半多,見(jiàn)表3-2,因此省油效果明顯。因此,用鈦合金制作車(chē)用彈簧被認(rèn)為是最理想的材料。

目前,鈦合金除用于制造車(chē)用彈簧外,還用于制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、凸輪軸、氣門(mén)、氣門(mén)彈簧以及排氣管、消聲器、轉(zhuǎn)向齒輪及其他密封零件等。表3-3列出了車(chē)用鈦合金的牌號(hào)及對(duì)應(yīng)的汽車(chē)零件。從表3-3可以看出,所選的鈦合金種類(lèi)基本為工業(yè)純鈦以及常用的Ti-6Al-4V系列合金。使用工業(yè)純鈦是利用其質(zhì)量輕的前提下較好的室溫塑性和耐腐蝕性能,使用Ti-6Al-4V系列合金是看重其質(zhì)量輕的前提下優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

表3-3 不同鈦合金制備的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)用零件

如今隨著低成本鈦合金的不斷研制以及制備工藝的不斷創(chuàng)新,將鈦合金應(yīng)用于普通汽車(chē)已逐漸被人們所接受。2001年大眾汽車(chē)公司首次在Lupo FSI普通轎車(chē)上標(biāo)配了鈦合金彈簧,使得汽車(chē)減重82kg,同鋼彈簧相比,減重60%~70%,彈簧高度降低40%。到目前為止,鈦合金在汽車(chē)上最成功的應(yīng)用就是制造彈簧。

表3-4為鈦合金與鋼材在排氣系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的質(zhì)量對(duì)比,可以看出,使用鈦合金可以明顯減輕汽車(chē)質(zhì)量。除此以外,由于鈦合金的焊接性能好,不像不銹鋼那樣容易從焊縫開(kāi)裂。因此,鈦合金排氣閥的使用壽命較長(zhǎng),為12~14年,而不銹鋼一般不到7年就得更換,從而有效節(jié)約了費(fèi)用。

表3-4 鈦合金與鋼材在排氣系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的質(zhì)量對(duì)比

(5)塑料 塑料是最佳的輕質(zhì)材料,其密度約為金屬的1/7~1/5;而且用塑料制造汽車(chē)零部件所耗的能量約為鋼材的50%~60%;又因其具有耐腐蝕、隔聲隔熱、比強(qiáng)度高、能吸收沖擊能量、成本低、易加工、裝飾效果好等諸多優(yōu)點(diǎn);同時(shí)還具有金屬鋼板不具備的外觀顏色、光澤和觸感。不僅能減重量降成本,而且對(duì)整車(chē)的安全性、舒適性和外觀都有利,一直深受汽車(chē)制造商的歡迎。

汽車(chē)用塑料的種類(lèi)很多,主要類(lèi)型包括:通用工程塑料,如聚丙烯(PP)、ABS塑料、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PUR)等;合成塑料,如ABS/PC、ABS/PVC、EPDM/PP等;增強(qiáng)塑料,如纖維增強(qiáng)(GH、CH等)、無(wú)機(jī)填料增強(qiáng)(滑石粉、碳酸鈣、木粉等)。汽車(chē)塑料中用量最大的7個(gè)品種與所占比例大致為:聚丙烯21%、聚氨酯19.6%、聚氯乙烯12.2%、熱固性復(fù)合材料10.4%、ABS8%、尼龍7.8%、聚乙烯(PE) 6%。其中,聚烯烴材料因密度小、性能較好且成本低,近年來(lái)有把汽車(chē)內(nèi)飾和外裝材料統(tǒng)一到聚烯烴材料的趨勢(shì),因此,其使用量有較大的增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)聚丙烯今后可保持8%的年增長(zhǎng)率。PP可以用作多種汽車(chē)零部件,現(xiàn)在典型的實(shí)用PP塑料部件有60多個(gè)。PP汽車(chē)零部件主要品種有:保險(xiǎn)杠、儀表板、門(mén)內(nèi)飾板、空調(diào)器零部件、蓄電池外殼、冷卻風(fēng)扇、轉(zhuǎn)向盤(pán),其中,前五種占全車(chē)PP用量的一半以上。ABS樹(shù)脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三個(gè)單體的共聚物,可用于制作汽車(chē)的外部或內(nèi)部零件,如儀表器件、制冷和取暖系統(tǒng)、工具箱、扶手、散熱器柵板等;它可以用于制作儀表板表面、行李箱、雜物箱蓋等,近年來(lái),ABS樹(shù)脂在汽車(chē)上用量的增幅不是很大,這主要是由于ABS樹(shù)脂和PP樹(shù)脂競(jìng)爭(zhēng)十分激烈,而ABS本身也有在耐候變色性差、易燃等方面的缺陷,因此,它在汽車(chē)上的主要部件如汽車(chē)儀表板、格柵等方面的應(yīng)用也受到限制。通過(guò)對(duì)高密度PE和低密度PE樹(shù)脂的接枝改性和填充增韌改性,得到了具有良好的柔韌性、耐候性和涂裝性能的系列改性PE合金材料。PE主要采用吹塑方法生產(chǎn)燃油箱、通水管、導(dǎo)流板和各類(lèi)儲(chǔ)液罐等。近幾年P(guān)E在汽車(chē)上的用量變化不大,但值得注意的是汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)促進(jìn)了燃油箱的塑料化。歐洲產(chǎn)汽車(chē)上已正式采用塑料燃油箱,其主要材料為高密度聚乙烯。

汽車(chē)塑料主要應(yīng)用于三個(gè)方面,即內(nèi)裝飾、外裝飾、功能與結(jié)構(gòu)方面。內(nèi)裝飾件的應(yīng)用是以安全、環(huán)保、舒適為特點(diǎn),主要制件有儀表板、車(chē)門(mén)內(nèi)板、副儀表板、雜物箱蓋、座椅、后護(hù)板、車(chē)內(nèi)頂?shù)龋煌庋b飾的應(yīng)用特點(diǎn)是以塑代鋼,減輕汽車(chē)自重,其主要制件有保險(xiǎn)杠、擋泥板、車(chē)輪罩、導(dǎo)流板等;功能件與結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用是以采用高強(qiáng)度工程塑料為特點(diǎn),其制件有油箱、膨脹水箱、加速踏板、空濾器罩、風(fēng)扇葉片等。

世界汽車(chē)平均塑料用量在2001年已達(dá)115kg,約占汽車(chē)總重量的8%~12%,并且這一比重不斷加大。其中,塑料在轎車(chē)中的用量比在貨車(chē)、客車(chē)中的用量更高,如奧迪A2型轎車(chē),塑料件總重量已達(dá)220kg,占材料總用量的24.6%。據(jù)悉,德國(guó)每輛汽車(chē)平均使用塑料制品近300kg,占汽車(chē)總消費(fèi)材料量的22%左右,是世界上采用汽車(chē)塑料零部件最多的國(guó)家。目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)每輛車(chē)塑料用量為50~60kg,中型載貨車(chē)塑料用量?jī)H為40~50kg;重型貨車(chē)可達(dá)80kg左右。我國(guó)中、高級(jí)轎車(chē)大部分為發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)車(chē)型,汽車(chē)塑料的應(yīng)用量基本與發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)90年代水平相當(dāng),為100~130kg/輛。預(yù)計(jì)到2020年,發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)平均塑料用量將達(dá)到500kg/輛以上。

(6)陶瓷 陶瓷分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷兩大類(lèi)。傳統(tǒng)陶瓷以天然硅酸鹽礦物為原料燒制而成,也叫硅酸鹽陶瓷。特種陶瓷在化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能和使用效能等各方面均不同于傳統(tǒng)陶瓷,它是以精制高純的化工產(chǎn)品為原料,也稱(chēng)為新型陶瓷、高技術(shù)陶瓷或精細(xì)陶瓷。特種陶瓷具有耐熱、耐磨、防腐蝕、輕質(zhì)、絕緣、隔熱等諸多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用在汽車(chē)上,對(duì)減輕車(chē)輛自身質(zhì)量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、降低油耗、減少排氣污染、提高易損件壽命、完善汽車(chē)智能性功能都具有積極意義。

目前汽車(chē)上常用的特種陶瓷包括氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷等幾種。氧化鋁陶瓷又稱(chēng)高鋁陶瓷,主要成分是Al2O3和SiO2。其強(qiáng)度大于普通陶瓷;硬度很高,僅次于金剛石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅;耐磨性好;耐高溫性極好,Al2O3含量高的剛玉陶瓷能在1600℃的高溫下長(zhǎng)期工作,而且蠕變極小;耐腐蝕性很強(qiáng);有很好的絕緣性能,特別是在高頻率下的電絕緣性能好,每mm厚度可耐電壓8kV以上。以上的突出優(yōu)點(diǎn),使氧化鋁陶瓷特別適宜制作內(nèi)燃機(jī)火花塞和高精度活塞。氮化硅陶瓷抗溫度急變性好;硬度高,其硬度僅次于金剛石、氮化硼等;有自潤(rùn)滑性,是一種優(yōu)良的耐磨材料;其分子中既沒(méi)有自由電子,也沒(méi)有離子,所以有很高的電絕緣性;氮化硅陶瓷燒結(jié)時(shí)尺寸變化小,可以制成精度高、形狀復(fù)雜的零件,成品率比其他陶瓷材料高;另外,氮化硅陶瓷原料豐富、加工性好,加工和使用成本低。其在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)、氣門(mén)挺柱、活塞上有較多的應(yīng)用,日本、美國(guó)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的結(jié)構(gòu)陶瓷見(jiàn)表3-5。碳化硅陶瓷在高溫下仍然具有很高的強(qiáng)度,一般陶瓷材料在1200℃時(shí)強(qiáng)度顯著降低,而碳化硅陶瓷在1400℃時(shí)抗彎強(qiáng)度仍保持在500~600MPa的較高水平;其熱傳導(dǎo)能力強(qiáng),在陶瓷中僅次于氧化鋁陶瓷;熱穩(wěn)定性好;耐磨、耐腐蝕、抗蠕變性好。碳化硅陶瓷高溫高強(qiáng)度的特點(diǎn),適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)挺柱、氣門(mén)導(dǎo)管、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、軸承等零件;熱傳導(dǎo)能力高,適用于高溫條件下的熱交換器材料,也可用于制作各種泵的密封圈。

表3-5 日本、美國(guó)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的結(jié)構(gòu)陶瓷

注:PSZ為部分穩(wěn)定氧化鋯;SSN為燒結(jié)氮化硅;LAS為鋰鋁硅酸鹽;TTA為改性的韌性氧化鋁。

由于特種陶瓷具有以上的一些優(yōu)異性能,使得陶瓷材料特別適用于汽車(chē)上那些要求有較高耐熱性、良好耐磨性(甚至在無(wú)潤(rùn)滑時(shí))或慣性較小的部件中,如制造絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)、普通發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)、氣門(mén)挺柱、氣門(mén)導(dǎo)管、排氣管以及各種傳感器等。

四、采用汽車(chē)定壓源能量回收系統(tǒng)

定壓源能量回收系統(tǒng)(CPS)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),也稱(chēng)為定壓源液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),它不僅能高效地從系統(tǒng)中取得能量,還可以回收并重新利用運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能和勢(shì)能,顯著提高系統(tǒng)的效率,并可縮短加速時(shí)間,減少啟動(dòng)時(shí)的排污問(wèn)題,提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。定壓源液壓傳動(dòng)系統(tǒng)采用變量泵/馬達(dá)、氣囊式蓄能器和飛輪作為能量轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存部件,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能回收和起動(dòng)加速時(shí)的液壓能回饋。將汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽⒁簤耗苻D(zhuǎn)變?yōu)轱w輪的機(jī)械能儲(chǔ)存起來(lái),在汽車(chē)加速或上坡時(shí)再利用。汽車(chē)在減速行駛時(shí),驅(qū)動(dòng)輪上的變量泵/馬達(dá)作為泵工作,由蓄能器和高速旋轉(zhuǎn)的飛輪回收汽車(chē)行駛時(shí)的能量;汽車(chē)在加速行駛或等速行駛阻力增加時(shí),驅(qū)動(dòng)輪上的變量泵/馬達(dá)作為馬達(dá)工作,由蓄能器和高速旋轉(zhuǎn)的飛輪為系統(tǒng)提供動(dòng)力。

1.定壓源液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理及控制原理

如圖3-35為CPS的工作原理及控制原理,圖3-35中僅反映了汽車(chē)在前進(jìn)方向的變量泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)換情況及高、低壓油路的分布。從圖3-35中可以看出,CPS是由一個(gè)飛輪和三個(gè)可變排量的泵/馬達(dá)組成的液壓動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。變量泵/馬達(dá)一般采用柱塞式,其排量在正負(fù)兩個(gè)方向可以互換,通過(guò)對(duì)排量方向的控制,可實(shí)現(xiàn)泵、馬達(dá)以及它們的正、反轉(zhuǎn)功能。整個(gè)系統(tǒng)的油路是由共用高壓油路和共用低壓油路組成,系統(tǒng)壓力的基本恒定由飛輪轉(zhuǎn)速的變化和液壓泵的排量及蓄能器的工作容積的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

圖3-35 CPS的工作原理及控制原理

汽車(chē)制動(dòng)分為緊急制動(dòng)與普通減速。前者直接使用汽車(chē)原有制動(dòng)系統(tǒng),后者使用CPS定壓源系統(tǒng)。汽車(chē)在減速行駛時(shí),司機(jī)輕踩制動(dòng)踏板,通過(guò)踏板上的傳感器及控制系統(tǒng),液壓系統(tǒng)被激活。驅(qū)動(dòng)輪上的變量泵/馬達(dá)作為泵工作,回收汽車(chē)行駛時(shí)的能量,使系統(tǒng)的油壓上升,通過(guò)與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)作為馬達(dá)工作使飛輪的動(dòng)能增加而儲(chǔ)存起來(lái),以供汽車(chē)起動(dòng)或加速時(shí)使用,此時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)及與它相連的變量泵/馬達(dá)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)汽車(chē)行駛的能量較大或汽車(chē)下長(zhǎng)坡制動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)輪上的變量泵/馬達(dá)作為泵工作時(shí)給系統(tǒng)提供的能量超過(guò)飛輪所設(shè)置的最大動(dòng)能,為了保證系統(tǒng)壓力的恒定,及飛輪的最大動(dòng)能不超過(guò)所規(guī)定限值,可通過(guò)減壓閥來(lái)實(shí)現(xiàn),將剩余的能量釋放掉。

如果遇到緊急情況,要求汽車(chē)在極短的時(shí)間內(nèi)將速度減到很小或停止,司機(jī)踩制動(dòng)踏板,使制動(dòng)的兩套能量供給系統(tǒng)均被接通,即在控制系統(tǒng)作用下節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生最大制動(dòng)力矩的同時(shí),原有的汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)也將起作用,兩套制動(dòng)系統(tǒng)一起動(dòng)作將速度減至理想狀態(tài)。

汽車(chē)在加速行駛或等速行駛阻力增加時(shí),驅(qū)動(dòng)輪上的變量泵/馬達(dá)作為馬達(dá)工作,消耗壓力油而使系統(tǒng)壓力降低,此時(shí)蓄能器和高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將為系統(tǒng)提供動(dòng)力。通過(guò)與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)作為泵工作給系統(tǒng)補(bǔ)充壓力油,使系統(tǒng)的油壓維持在某一壓力水平。當(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)速下降到所容許的下限值,即低于飛輪的最低轉(zhuǎn)速時(shí),飛輪不能給系統(tǒng)提供動(dòng)力,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)給液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力,與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的變量泵/馬達(dá)作為泵工作給系統(tǒng)提供壓力油,使系統(tǒng)的油壓上升。一方面,通過(guò)與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)作為馬達(dá)工作給系統(tǒng)提供壓力,使汽車(chē)加速;另一方面,給飛輪提供少量的動(dòng)力使飛輪的轉(zhuǎn)速維持在規(guī)定的最低轉(zhuǎn)速。

為了提高飛輪的能量利用率,避免系統(tǒng)不必要的能量消耗。將飛輪與其變量泵/馬達(dá)之間增加一個(gè)離合器,在回收車(chē)輛制動(dòng)減速的能量時(shí),將離合器接合。當(dāng)系統(tǒng)的液壓能波動(dòng)較小、系統(tǒng)壓力基本恒定時(shí),應(yīng)將離合器分離,由蓄能器調(diào)節(jié)系統(tǒng)管路的壓力能;而當(dāng)系統(tǒng)的液壓能降低較多、系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí),此時(shí)接合離合器,由飛輪給系統(tǒng)提供能量。

定壓源液壓系統(tǒng)中的蓄能器能穩(wěn)定系統(tǒng)壓力,消除波動(dòng)。加速時(shí),蓄能器向系統(tǒng)補(bǔ)充油液;減速時(shí),蓄能器吸收系統(tǒng)的多余流量,改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。當(dāng)變量泵/馬達(dá)處于泵工況時(shí),蓄能器可貯存回收的能量,供起動(dòng)加速時(shí)利用。

從圖3-35可以看到,與驅(qū)動(dòng)輪相連的變量泵/馬達(dá)的排量是由驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、系統(tǒng)壓力傳感器和由伺服閥控制的液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的,以適應(yīng)汽車(chē)行駛阻力的變化,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的無(wú)級(jí)變速。

與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)的排量是通過(guò)系統(tǒng)壓力傳感器、飛輪軸上的轉(zhuǎn)速傳感器和由伺服閥控制的液壓缸進(jìn)行控制的。由于飛輪及飛輪軸的材料限制了飛輪轉(zhuǎn)速不能太高,為了安全,飛輪有最高速度的限制,與飛輪相連的速度傳感器可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)飛輪的轉(zhuǎn)速,當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪上的變量泵/馬達(dá)作為泵工作給系統(tǒng)提供的能量超過(guò)飛輪所設(shè)置的最大動(dòng)能時(shí),為了保證系統(tǒng)壓力的恒定及飛輪的最大動(dòng)能不超過(guò)所規(guī)定的上限值,通過(guò)減壓閥將剩余的能量釋放掉。如果飛輪的轉(zhuǎn)速低于最低轉(zhuǎn)速時(shí),與飛輪相連的速度傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)控制作動(dòng)器使離合器結(jié)合,同時(shí)控制伺服閥換位,液壓缸動(dòng)作使變量泵/馬達(dá)作為馬達(dá)工作,為飛輪提供動(dòng)能。如果車(chē)輛加速引起液壓系統(tǒng)壓力下降時(shí),壓力傳感器產(chǎn)生與壓降相對(duì)應(yīng)的信號(hào),控制伺服閥換位,液壓缸動(dòng)作使變量泵/馬達(dá)作為泵工作,為系統(tǒng)提供液壓能,泵的排量控制是通過(guò)液壓缸上的位移傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。汽車(chē)減速時(shí)的控制調(diào)節(jié)過(guò)程與加速時(shí)類(lèi)似。

與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的變量泵/馬達(dá)的排量以及發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是通過(guò)控制器控制的,并通過(guò)系統(tǒng)的壓力傳感器和飛輪軸上的轉(zhuǎn)速傳感器形成閉環(huán)控制。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速下降到不能為系統(tǒng)提供動(dòng)能時(shí),飛輪軸上的轉(zhuǎn)速傳感器和系統(tǒng)的壓力傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào),控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作;當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)能由飛輪提供時(shí),控制器使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)輪的變量泵/馬達(dá)所要求的動(dòng)力無(wú)直接的聯(lián)系,發(fā)動(dòng)機(jī)主要是為系統(tǒng)間接提供動(dòng)力,發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以脫離與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的關(guān)系,使發(fā)動(dòng)機(jī)在最經(jīng)濟(jì)的工作點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基本不變。因此在這種控制策略下,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是最經(jīng)濟(jì)的。

但是由于該系統(tǒng)壓力基本恒定,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)主要是依靠變量泵/馬達(dá)的排量變化來(lái)進(jìn)行控制的,而變量泵/馬達(dá)的排量變化范圍由于制造成本或空間布置等原因不可能很大,這就導(dǎo)致飛輪的轉(zhuǎn)速范圍不可能太大,在汽車(chē)下長(zhǎng)坡或制動(dòng)動(dòng)能較大時(shí),不可能充分地回收制動(dòng)的能量。另外,系統(tǒng)傳遞的效率相對(duì)較低。

2.定壓源液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

采用定壓源(CPS)汽車(chē)能量回收系統(tǒng)以后,汽車(chē)的有關(guān)使用性能得到明顯的改善,主要表現(xiàn)在以下幾方面

(1)改善汽車(chē)的動(dòng)力性能 汽車(chē)在加速時(shí)可利用蓄能器的液壓能和飛輪貯存的動(dòng)能,提高汽車(chē)的動(dòng)力性能。

(2)改善汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性 通過(guò)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)減速時(shí)汽車(chē)動(dòng)能的回收和再利用,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗。

(3)改善汽車(chē)的環(huán)境舒適性 由于汽車(chē)各驅(qū)動(dòng)輪分別直接采用液壓馬達(dá)進(jìn)行二輪(或四輪)驅(qū)動(dòng),減少了傳統(tǒng)汽車(chē)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),從而降低了汽車(chē)行駛時(shí)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。

(4)改善汽車(chē)的制動(dòng)安全性能 采用能量回收系統(tǒng)的車(chē)輛,由于可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的能量回收,因而在制動(dòng)時(shí)大大提高了制動(dòng)安全性能。

(5)改善汽車(chē)的行駛平順性 汽車(chē)的非簧載質(zhì)量減輕,使汽車(chē)的行駛平順性得到了明顯的改善。

(6)改善汽車(chē)的行駛的穩(wěn)定性 在省去了汽車(chē)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)以后,可以降低汽車(chē)的質(zhì)心高度,從而提高了汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性。

從液壓系統(tǒng)來(lái)看,其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):①由于系統(tǒng)壓力比較穩(wěn)定,因而可保護(hù)液壓元件不受高壓的沖擊,延長(zhǎng)液壓元件的使用壽命,同時(shí)也可降低系統(tǒng)的噪聲;②在定壓源中傳遞能量,使工作壓力直接作用于執(zhí)行元件上,因而可以降低系統(tǒng)中的能量損耗,提高系統(tǒng)的使用效率;③ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于安裝和檢修。

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