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汽车动力性研究

摘 要

汽车动力性是指在良好、平直的路面上行驶时，汽车由所受到的纵向外力决定的、

所能达到的平均行驶速度。汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程

度上取决于汽车的动力性。所以，动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。

动力性代表了汽车行驶可发挥的极限能力。

本文研究了汽车动力性评价的各种方法和评价指标，介绍了动力性评价的主要参

数：最高车速、加速时间、最大爬坡度、发动机最大功率、比功率、驱动轮输出功率、

驱动力等相关评价参数；介绍了汽车的动力性衰退现象和汽车动力性评价的实验方

法。

在评价汽车动力性时，由于汽车用途和使用条件的不同，动力性的评价方法也应

该不一样。如经常在公路干线上行驶的汽车，起主要作用的是汽车最大速度，而加速

度的要求居于次位。而市内行驶的汽车正好相反，由于城市内交通繁忙，汽车在行驶

中需要经常制动、停车和起步，汽车加速性能便成为评价这类汽车的主要指标。

本文分析了如何运用价值分析法确定最高车速、加速时间、最大爬坡度三个评价

指标的加权系数，并由此对在用汽车的动力性进行综合评价。同时还讨论了加权系数

的确定对动力性评价的重要性，并讨论了运用统计学的方法得到统一的标准加权系数

的可能性。

此外，汽车动力性的评价不仅表现在对在用汽车动力性的评价，还表现在对未生

产出的汽车动力性的预测。所以，本文还分析了如何运用Matlab 软件对汽车设计参

数进行优化设计，从而达到优化汽车动力性能的目的。

本文提出的汽车动力性的评价方法合理、简便，对在用汽车动力性能的对比直接，

明了。同时，本文提出的对设计参数的优化以达到提高汽车动力性能的方法可以在汽

车未生产之前就使得汽车的动力性能最优化，这对汽车的生产和效率的提高都有更加

实际的意义。

关键词：汽车动力性；评价指标；加权系数；优化设计
目 录

第1章 汽车动力性评价的各种方法及评价指标概述......................... 1

1.1 汽车动力性概述................................................... 1

1.2 表征汽车动力性的参数............................................. 1

1.2.1 汽车动力性评价指标 .......................................... 1

1.2.2 发动机主要性能指标.......................................... 3

1.2.3 汽车附件消耗功率 ............................................ 5

1.2.4 汽车传动系损耗功率 .......................................... 5

1.2.5 车轮滚动阻力消耗功率 ........................................ 6

1.2.6 驱动轮驱动力................................................ 6

1.2.7 驱动轮输出功率.............................................. 7

1.2.8 驱动比功率.................................................. 7

1．3 汽车动力性评价的试验方法........................................ 8

1.3.1 道路试验方法 ................................................ 8

1.3.2 室内试验................................................... 10

第2 章 目前汽车动力性评价的各种方法及评价指标存在的主要问题.......... 11

2.1 在用汽车的动力性衰退现象........................................ 11

2.1.1 汽车的动力性随运行里程的增加而逐渐衰退 ..................... 11

2.2 最高车速、加速能力、爬坡能力.................................... 13

2.2.1 不同工况选择同一评价标准................................... 14

2.2.2 不同用途汽车使用同一评价指标............................... 14

2.2.3 三大指标评价方法的主要问题 ................................. 15

2.3 发动机功率、驱动轮输出功率...................................... 16

2.3.1 发动机功率评价动力性的主要问题............................. 16

2.3.2 驱动轮输出功率评价动力性的主要问题......................... 17

第3 章 新的评价方法的提出............................................ 19

3.1 新评价方法的提出................................................ 19

3.1.1 原始数据标准化............................................. 20

3.1.2 推算指标权重 ............................................... 20

3.1.3 综合评价值的计算........................................... 21
3.1.4 综合评价实例............................................... 21
3.2 加权系数的重要性................................................ 21

第4 章 汽车动力性的预测与动力系参数的优化............................ 23
4.1 传动系参数的优化设计............................................ 23
4.1.1 最小传动比的选择........................................... 23
4.1.2 最大传动比的选择........................................... 24
4.1.3 传动系挡数 ................................................. 25
4.1.4 各挡传动比的选择........................................... 26
4.1.5 传动比的优化设计 ........................................... 27
4.1.6 综合考虑汽车动力性和燃油经济性的传动比的优化设计 ........... 30
结 论................................................................ 33
参考文献.............................................................. 34
第1章 汽车动力性评价的各种方法及评价指标概述

1.1 汽车动力性概述

汽车动力性是汽车最基本的使用性能。汽车无论是用作生产工具还是用作生活用

具，其运行效率均取决于是否拉得动、跑得快，即取决于运行速度。在运行条件(地

理、道路、气候条件及运输组织条件等)一定时，汽车的平均运行技术速度主要取决

于汽车的动力性。显然汽车动力性越好，汽车运行的平均技术速度就越高，汽车运行

效率也就越高。因此汽车工程界，用车的、购车的、爱车的都很看重汽车的动力性。

汽车具有什么样的动力性算好，如何评定，观点不同，评价的依据也就不同，目前尚

无统一公认的评价指标，更无标准。汽车工程界基于具有最高的平均行驶技术速度的

观点，以汽车的最高行驶速度、加速时间和最大爬坡度为量标，评定、比较汽车动力

性的优劣。对于新车的动力性，人们基本上认同这三个指标。

对于在用汽车动力性的评价量标就各不一样了。在用汽车的动力性在新车定型时

便已确立，在使用时，再与其他车型横向比较动力性的高低就毫无意义了。就是在同

型汽车间相互比较动力性，除了表明具体汽车间动力性存在差异外，也不能据此揭示

该型汽车结构、性能的优劣。由于使用条件的差异，在用汽车间不具有横向比较的条

件，缺乏可比性。在用汽车固有动力性在使用过程不是恒定不变的，是随着运行过程

中部件、零件的磨损、老化等逐渐衰退变差，直至跑不动，丧失工作能力。这样动力

性衰退便是汽车技术状况变差的征兆。汽车运行过程、零部件磨损、老化等的进程受

运行环境条件的影响有快有慢，即便是运行环境条件相同、累计行程一样的同型汽车，

由于使用水平的差异，其零部件磨损、老化的进程也不一样，汽车动力性衰退变差的

进程也因此千差万别，而比较汽车在使用过程的动力性与固有动力性，即可判别在用

汽车的技术状况。

1.2 表征汽车动力性的参数

1.2.1 汽车动力性评价指标

所谓汽车的动力性，比较专业的说法是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受

到的纵向外力决定的、所能达到的最高平均行驶速度；而我们平时所能观察到的、比

较直观地衡量汽车动力性的指标主要有三方面：汽车的最高车速、汽车的加速时间和

汽车的上坡能力。

1.2.1.1 最高车速

汽车的最高车速：顾名思义，汽车的最高车速是指在水平良好的路面（混凝土或

沥青）上，汽车所能达到的最高行驶车速。

无风条件下，汽车在水平良好路面上行驶，行驶阻力与驱动力相平衡时达到的稳

定车速。根据汽车行驶平衡方程式

C Au2
Ft Gf =+ D a
21.15

21.15(F -Gf )
t
可得： u
amax C A
D

1.2.1.2 加速时间

汽车的加速性能主要分为原地起步加速性能和超车加速性能。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。但因加速度的数值不易测量，

一般常用加速时间来表明汽车的加速能力。

汽车的加速时间：即汽车的加速能力，它对平均行驶车速有很大的影响。对于轿

车来说，汽车的加速能力尤为重要。通常用汽车原地起步加速时间和汽车超车加速时

间来表示汽车的加速能力。

原地起步加速时间是指汽车从静止由第一档或第二档起步，并以最大的加速强度

（包括选择适当的换档时机）逐步地换至最高档后到某一预定的距离或车速所需的时

间。我们平时经常能够接触到的汽车0-100km/h的加速时间就属于汽车原地起步加速

时间。除了用汽车的0-100km/h加速时间以外，有时还有用汽车0-60km/h、0-140km/h

和0-400m的加速时间来衡量汽车的原地起步加速能力。

超车加速时间是指汽车用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速

所需的时间。我们知道，当汽车在超车时与被超车辆是并排行驶的，容易发生安全事

故，所以如果汽车的超车加速能力强，超车时车辆并行的行程就会比较短，超车时才

会更加安全。关于汽车的超车加速能力，目前并没有一致的规定，通常我们用汽车在

最高档或次高档由30km/h或40km/h全力加速至某一高速所需的时间来表示汽车的超

车加速能力。

加速时间可用图解积分的方法求出。有汽车的行驶方程式可得：
du 1 éF =- F +F ù
dt dm ë t ( f w )û

t u2 1
可得： t d du
ò0 t òu
1 a
希特勒大学本科毕业论文 第3 页

1.2.1.3 上坡能力

汽车的上坡能力：汽车的上坡能力是用满载时汽车在良好路面上所能爬上的最大

坡度来表示的。很显然，这里的最大爬坡度是指汽车在一档时的最大爬坡度。

即汽车克服后的余力全部用来克服坡度阻力 时等速行驶的最大爬坡度，这时
F
i

du / dt 0 ，故

F - F +F
t ( f w )
a arcsin F F =- F +F
G i t ( f w )

式中： Ff Gf cosa

但是汽车爬坡能力是以良好路面为前提的，Ff值很小，且cosa»1，故

C Au2
F +F Gf =+ D
f w 21.15

F - F +F
t ( f w )
所以 a arcsin
G

一般来说，轿车经常在较好的路面上行驶，一般不强调它的爬坡能力，但是由于

轿车最高车速相对较大，加速能力较强，因此轿车的爬坡能力也比较强；越野车经常

要在坏路或无路条件下行驶，因而爬坡能力对越野车来说是一个非常重要的性能指

标，其最大爬坡度可达到60%即30°左右或更高；货车也经常要在各种地区的各种路

面上行驶，因此也需要足够的爬坡能力，其最大爬坡度通常在30%即16.5°左右。

有些国家规定在一些坡道上，要求汽车以一定的速度行驶，比如要求车辆在3%

的坡道上以60km/h的速度行驶。目的是为了保证各种车辆在通过此坡道时动力性相差

不致太悬殊，以维持路面上各种车辆的畅通行驶。

1.2.2 发动机主要性能指标

扭矩是发动机性能的一个重要参数，是指发动机运转时从曲轴端输出的平均力

矩，俗称为发动机的“转劲”。扭矩越大，发动机输出的“劲”越大，曲轴转速的变

化也越快，汽车的爬坡能力、起步速度和加速性也越好。扭矩随发动机转速的变化而

不同，转速太高或太低，扭矩都不是最大，只在某个转速时或某个转速区间内才有最

大扭矩，这个区间就是在标出最大扭矩时给出的转速或转速区间。最大扭矩一般出现

在发动机的中、低转速的范围，随着转速的提高，扭矩反而会下降。扭矩的单位是牛

顿·米（N ·m）或公斤·米（kg ·m）。

发动机的最大扭矩与发动机的进气系统、供油系统和点火系统的设计有关，在某

一转速下，这些系统的性能匹配达到最佳，就可以达到最大扭矩。另外，发动机的功 希特勒大学本科毕业论文 第4 页

率、扭矩和转速是相关联的，具体关系为：功率=K×扭矩×转速，其中K是转换系数。

选择发动机时也要权衡一下怎样合理使用、不浪费现有功能。比如，北京冬夏都有必

要开空调，在选择发动机功率时就要考虑到不能太小；只是在城市环路上下班交通用

车，就没有必要挑过大马力的发动机。尽量做到经济、合理选配发动机。

发动机最大输出功率是指发动机在全负荷状态下，仅带维持运转所必需的附件时

所输出的功率，又称总功率。此时被测试发动机一般不带空气滤清器、冷却风扇等附

件。新出厂发动机的最大输出功率一般是指发动机的额定功率。额定功率是制造厂根

据发动机具体用途，发动机在全负荷状态和规定的额定转速下所规定的总功率。在国

外有些厂家所谓的额定功率是指发动机在额定转速下输出的净功率。常在额定功率后

注有“净”字，以示区别。净功率是指在全负荷状态下，发动机带全套附件时所输出

的功率。汽车发动机最大输出功率是汽车动力性的基本参数。汽车在使用一定时期后，

技术状况发生变化，发动机的最大输出功率变小，所以用其变小的差值评价发动机技

术状况下降的程度。如我国JT/T 198-95 《汽车技术等级评定标准》就是按在用汽车

的发动机最大输出功率与额定功率相比较小于75%时，将该车技术状况定为三级。所

以发动机最大输出功率的大小作为一辆汽车在使用前、后和维修前、后动力性的评价

指标很合理，但应注意，在汽车综合性能检测站用无外载测功法或底盘测功机所测定

的发动机功率，必须换算为总功率后才能与额定功率比较。

1.2.2.1 发动机总功率

发动机总功率是指发动机仅带维持本身正常运转所必须的附件时输出的校正有

效功率。校正有效功率是指发动机在实际环境状态下所输出的功率校正到标准环境状

态下的功率。标准环境状态是指大气压为100Kpa，环境温度为298K(25°C），相对

湿度30% （水蒸气分压1KPa，干空气压99KPa）的环境状态。

发动机输出的总功率取决于发动机工况。当发动机以动力性检测工况运行时，发

动机输出的总功率就取决于发动机的技术状况，且随发动机的技术状况恶化而降低。

发动机处于难以继续运行状况时所输出的功率便是发动机输出功率的下限。经走合后

的新车及技术状况良好的汽车，发动机就能输出其最大的功率，即额定功率，是发动

机输出功率的上限。

1.2.2.2 发动机净功率

汽车发动机实际工作需要的附件比维持其正常运转时多，如汽车排气系、散热器、

护风圈、风扇恒温器、催化转化器和空气滤清器等。带动附件运转就要消耗发动机的

功率，扣除发动机实际工作所需附件消耗的功率后，发动机输出的校正有效功率称为

净功率。 希特勒大学本科毕业论文 第5 页

汽车发动机带上实际工作的全部附件输出的净功率，生产厂常以使用外特性的形

式提供。一般使用外特性在最高转速时的功率 （ ）常较外特性的功率( )小
P P
SP emax

10%-15%，在转速为0.5nP 时小2%-6%。

1.2.3 汽车附件消耗功率

汽车运行时还有底盘和车身附件需要由发动机供给动力，如空气压缩机、空调机

和动力转向装置等。动力性检测时，汽车处于非运行状态，像动力转向装置等不工作

的附件就不会消耗发动机输出的功率，而像空调机等耗能附件就应关闭，使其不工作。

不便停机的空气压缩机等附件在汽车检测时是处于空运转非工作状况，消耗功率很

小，故动力性检测时不计汽车附件消耗的功率。

1.2.4 汽车传动系损耗功率

发动机输出的净功率经传动系输出的过程中，为克服变速器、传动轴和主减速器

存在的机械阻力和液力阻力又要损耗部分功率。传动系在传递动力过程中的损耗功

率，完全取决于传动系的技术状况。它随传动系技术状况的恶化而增大，还受车速等

因素的影响。同型汽车在走合后的新车状态及技术状况良好的汽车，传动系损耗功率

有确定的、同一的最低值，即传动系损耗功率的额定值。但汽车生产厂不提供所生产

汽车传动系的损耗功率值（传动效率）。有的科技文献、教材等在对汽车进行一般的

动力性分析时，常把传动系的传动效率看作一个常数。这个常数值若用于汽车动力性

检测就会导致错误的检测结论。因为在汽车使用过程中，传动系损耗功率始终在随技

术状况变化，它是个变数。我们的随机实车测试表明，被测同型汽车中，由于各车技

术状况不同，传动系损耗的功率各不一样，最大差值达250%-320%，其他被测同型汽

车传动系的损耗功率散布在最大值和最小值之间。对同型汽车，传动系损耗功率的最

小值便是该车型汽车传动系的额定损耗功率，最大值是该车型传动系状况不宜继续运

行时的损耗功率，即上限值。各车型汽车传动系的额定损耗功率和上限损耗功率尚需

汽车使用部门通过试验求得。

此外，同一汽车不同车速时的传动系损耗功率也不相同。导致传动系损耗功率的

F N v
传动系阻力 （ ， ）与车速 （，km/h）的关系为：
ti i

F A =+Bv
ti i

式中： —与车速无关的传动系阻力，N；
A
B —传动系阻力的速度影响系数，N/km ×h-1 ；

v —测试车速，km/h。
i

式中的系数随传动系的技术状况变化，为非定值，但对每一车型汽车其具体的传

动系技术状况，系数值是确定的。 希特勒大学本科毕业论文 第6 页

1.2.5 车轮滚动阻力消耗功率

车轮滚动阻力消耗的功率是驱动轮输出功率的一部分，底盘测功机测得的驱动轮

输出功率不含克服车轮滚动阻力消耗的功率。故通常指的驱动轮输出功率，即指底盘

测功机测得的驱动轮输出功率。

车轮以两点支承在底盘测功机双滚筒上滚动，弧线与弧线相接，不同于在硬路面

上的单点支承，弧线与平面相接。因此，不可用汽车道路行驶的滚动阻力当作台架上

的滚动阻力进行功率消耗计算。我们进行的随机实车滚动阻力的测试表明，车轮在台

架上的滚动阻力系数 （ ）不同于硬路面上的道路滚动阻力系数，其数学表达式为：
f i
f a =+bv +cv 2
i i i

a
式中： —不随测试车速变化的滚动阻力系数；

-1
b —滚动阻力的一次项速度影响系数，(km/h) ；

-2
c —滚动阻力的二次项速度影响系数，(km/h) ；

vi —测试车速，km/h 。

式中系数值随轮胎规格、测试台架的滚筒直径和两滚筒间距而异。当滚筒直径和

间距一定后，每种规格轮胎在具体测试台架上的滚动阻力系数模型中的各系数值是确

定不变的。

已知同规格轮胎在台架上的滚动阻力系数（ ）后，即可根据车轮的负荷
f i (G, N)

计算出给定车速的滚动阻力(Ffi ,N ) ，即

Ffi Gfi

进而算出克服给定车速(v ,km/h) 的车轮滚动阻力需消耗的功率(P ,kW) ，即
i fi

P F v / 3600
fi fi i

只要轮胎气压、胎面状况、花纹深度符合有关技术条件的规定，在用汽车车轮滚

动阻力消耗的功率是不随汽车技术状况变化的，为定值。实际上，由于所用汽车轮胎

老化程度有差异，以及同型号具体汽车轴荷存在的差异，就使同型号的每辆具体汽车

的滚动阻力不一致，因此，必须随机测试大量同型在用汽车的滚动阻力，取其均值计

算克服轮胎滚动阻力消耗的功率。

1.2.6 驱动轮驱动力

汽车的最高车速、加速能力及最大爬坡度都取决于汽车驱动力。用驱动力作为汽

车动力性检测参数，较之最高车速、加速能力，更直观、明了。检测驱动立刻在条件

稳定的室内进行，检测数据稳定可靠，并且驱动力对汽车技术状况反应灵敏。

F M ,N×m
驱动轮的驱动力（ ）是由汽车发动机产生的转矩（ ）经传动系传输至
t e

驱动轮上形成的。即；
F M =×i ×i ×h / r
t e 0 g t

式中： —主传动比；
i
0

i —变速器传动比；
g

ht —传动系的机械效率；

r —驱动轮滚动半径，m。

1.2.7 驱动轮输出功率

n ,r / min
发动机产生的转矩随发动机转速 （ ）增加而增大，达最大值后随转速
e

的继续增加，而有所下降。发动机功率（P ,kW ）却随转速增加一直增到最大值。发
e

动机功率与转矩关系如下：

P M =´n / 9549,kW
e e e

则

F 9549=´P ´i ´i ´h /n /r,N
t e 0 g t e

F ´r ´n / 9549 / i / i P =´h
t e 0 g e t

上列等式中左边的F ´r 即为驱动轮驱动力矩（M ,N×m ），n / i / i 为驱动轮转
t t e 0 g

n M n P
速（ ）， 与 的乘积为驱动轮驱动功率（ ），即通常所说的驱动轮输出功率，
t t t t

故：

P M =´n / 9549 P =´h
t t t e t

驱动轮输出功率的数学表达式清楚地表明，驱动轮输出功率是汽车发动机和传动

系工作过程的输出参数，输出功率的多少，完全取决于发动机发出的功率和传动系的

传动效率，即取决于它们的技术状况。驱动轮输出功率用作检测参数，具有很强的信

息性、很高的灵敏性、而且直观易懂，最适于用作动力性的检测参数。

1.2.8 驱动比功率

比功率是衡量汽车动力性能的一个综合指标，具体是指汽车在给定车速下驱动轮

输出的最大功率与汽车的总质量之比（kW/t ）。一般来讲，对同类型汽车而言，比

功率越大，汽车的动力性越好。

1．3 汽车动力性评价的试验方法

评定动力性的试验方法可分为两类，即室外试验——道路试验；室内试验——台

架试验。汽车是在各种不同环境条件下的道路上行驶，因此，根据汽车道路行驶状况

评定汽车的各种性能是最符合实际、最可靠、最基本的评定方法。在室内进行的台架

试验不受或少受环境条件的干扰(如刮风、下雨、下雪、气温等)，具有试验条件相对

稳定、操作简单、试验误差小等优点，是评定汽车性能的重要方法，也是评定汽车总

成性能的基本手段。

1.3.1 道路试验方法

为使试验数据具有通用性、可比性、准确性，国内、外均用法规或标准统一规定

汽车道路的试验条件、试验对象的状况以及试验方法。我国对汽车道路试验分项目制

定了系列的国家标准。

1.3.1.1 汽车道路试验方法通用条件