详解汽车档位.牵引力.行驶速度和发动机转速

浅谈汽车档位.牵引力.行驶速度和发动机转速

各类高中物理练习册在《机械能》一章中都要涉及到有关汽车功率、牵引力、行驶速度的问题，笔者查阅了有关资料并向汽车驾驶员请教后，就下列几个问题谈一些肤浅认识，望能起到抛砖引玉的作用。

一、汽车发动机 发动机是一般汽车总体构造四大部分（发动机、底盘、车身和电气设备）的核心部分。发动机是汽车的动力装置，其作用是将所供入的燃料燃烧，使热能转变为机械能而发出动力，并通过汽车的传动系统驱动汽车行驶。发动机的技术指标主要有动力性指标（有效扭矩、有效功率、转速等）、经济性指标（燃油消耗率）以及运转性能指标（冷起动性能、噪声和排气品质等）。下面谈谈与本文有关的技术指标。

（1）有效扭矩 发动机通过飞轮对外输出的扭矩称为有效扭矩，用Me表示，单位为N•m．发动机的扭矩是由于燃烧气体作用在活塞上的力通过连杆椎动曲柄而产生的。

（2）有效功率 发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功率，用Pe表示，单位为kW。它是发动机克服了各部分摩擦阻力和驱动各种辅助装置（如水泵、机油泵等）所消耗的功率后所得到的净功率。有效功率的计算公式为:

（3）转速 发动机的转速影响其结构形式与性能，提高发动机的转速可以使功率提高，但转速的提高受到许多条件的限制。

（4）燃油消耗率（比油耗）发动机要发出1KW有效功率，在1小时内所消耗的燃油质量（g），称燃油消耗率，用ge表示，单位为g/kW•h。ge越小，经济性越好。 发动机的速度特性是指发动机的功率、扭矩和燃油消耗率随曲轴转速变化的规律。当油门开到最大时，所得到的速度特性称为发动机外特性，如图1所示。发

动机外特性代表了发动机在使用中允许达到的最高性能，因此最为重要。一般发动机的铭牌上标明的功率Pe，扭矩Me及其相应的转速n，最低燃油消耗率ge等都是以外特性为依据的。发动机功率的大小，均标明产生该功率时曲轴的相应转速。如解放CA-10B型载重汽车，最大功率/转速为70千瓦/2800转/分，东风EQ-240型越野汽车最大功率/转速为99千瓦/3000转/分。一般习题中所说的汽车额定功率就是指的最大有效功率。由图1可知，在n1～n2范围内，因Me和n都是逐渐增加的，故Pe是随n的增加而增加的。在n2～n3范围内，n虽然继续增加，但Me却逐渐降低，故Pe是缓慢地增加，到n3时Pe达最大值。转速超过n3时，虽然n是增加的，但由于Me下降很快，故Pe也逐渐下降。发动机最小燃油消耗率的相应转速为n5，它的数值一般介于n2和n3之间。因此，一般发动机工作时所使用的范围应尽可能在最大功率转速与最大扭矩转速之间，即提倡所谓的中速行车”，这样方可保证发动机在最佳动力性与经济性情况下工作。车速过高和过低，都将增加燃油的消耗。

二、变速器 变速器是实现变速、传递和改变扭力的大小、改变汽车进退方向及使驱动车轮脱离发动机影响的传动装置。变速器一般由变速传动机构和变速操纵机构组成。变速传动机构的作用是改变转速及扭矩的数值和方向；操纵机构的作用是实现变速器传动比的变换——换档。发动机与变速器之间是离合器，离合器保证发动机的动力与传动机构可靠接合和彻底分离。

变速器传动速度改变的大小，用传动速比i来表示。传动速比等于主动齿轮的转速n主与从动齿轮的转速n从之比；也等于从动轮的齿数Z从与主动轮的齿数Z主之比，即

i=n主/n从=Z从/Z主 （2）

变速器扭矩的改变：在略去变速器传动摩擦损失的情况下，输入功率P入应

等于输出功卒P出。由（L）式可知发动机的功率Pe主要取决于发动机的转速n和输出扭矩Me，故由P入=P出得:

即有

n入/n出=M出/M入 （3）

（3）式表明，在发动机输入的n入、M入不变时，变速器输出的n出降低多少，则输出的M出就增大多少；反之，n出增高多少，M出就减少多少。由（2）、

（3）式得变速器传动比也等于从动轮上的扭矩M从与主动轮上的扭矩M主之比。这说明传动比既是降（增）速比，也是增（降）扭比。

三、如何改变速度和牵引力

汽车的牵引力

F牵=M驱/r驱=Me i•i主•ηm/r驱 （4）

(4)式中的M驱为驱动扭矩；r驱为轮胎滚动半径； i主为主减速器速比。主减速器的作用是降低传动轴传来的转速，同时增大扭矩，并改变力的传动方向

90°。nm为传动机构效率。由（4）式可知，当Me、nm、r驱一定时，速比越高，M驱和F牵越大。

汽车变速亦称换档。一般汽车的档位分为低速档、中速档和高速档，如解放CA1091型汽车以一、二档为低速档，三档为中速档，四、五档为高速档。变速的实质是改变发动机的转速和传动轴转速的比值。如东风EQ1090型汽车各档的速比、扭力和速度关系如下表所示。

表中1、2、3、4、5是前进档位，6是倒车档位。从表中可知，档位越低，速比越大，汽车驱动轮的转速越低，但获得的扭矩和牵引力越大；反之，档位越高，速比越小，汽车驱动轮的转速越高，但获得的扭矩和牵引力越小。

在汽车行驶的实际应用中，如行驶总阻力增大至需要加大牵引力（如起步、上坡、通过困难路段）时，就应选用低速档，以使驱动轮获得较大的扭矩。但在使用低速档时，速度慢，发动机转速高，温度容易升高，燃料消耗也大。因此，在行驶总阻力不大的情况下，应尽量缩短低速档行驶的时间，更不宜在低速档时过多地踏下油门（即踏下加速踏板）而片面追求速度。中速档是由低速档到高速档或由高速档到低速档的过渡档位。它的加速性能比较好，行驶的速度比较快，使用的机会也比低速档多，但与高速档比较，就很不经济。高速档使用时，传递到驱动轮的扭矩较小，汽车行驶速度较快，而发动机转速较低，磨损较小，燃料消耗少，有较好的经济效益，适用于在路况较好的情况下长距离行驶。即在良好的道路上，应以高速档的经济速度行驶。经济车速又因车型不同而有所区别。如解放CA141型汽车的经济车速为45～50km/h，解放CA10B型汽车的经济车速为30～40km/h。车速过高，不仅增加燃料消耗，加剧机件轮胎的磨损，又容易发生行车事故；车速过低，既降低了运输效率，燃料燃烧还可能增多，也是很不适宜的。坚持经济车速行车，即前文所述的提倡“中速行车”。在车速掌握上，除坚持经济车速外，还必须遵守所在地区交通管理的限速度规定，不得超出规定的车速限制。

综上所述，汽车发动机的转速、发动机的最大功率、发动机的扭矩、汽车的行驶速度、汽车的牵引力是一个互相制约的系统工程。最大扭矩Memax及其对应的转速为n2，最大功率对应的扭矩Mg及相应转速n3，当这两个扭矩之差

（Memax-Mg）越大，则汽车在不换档的情况下发动机克服阻力的潜力越大；与最大扭矩Memax对应的转速n2越低，发动机克服阻力的潜力越强。大范围改变汽

车行驶速度，改变汽车牵引力，应使用换档的手段来实现。最低的前进档位对应最低的速度和最大的扭矩、牵引力及发动机转速；最高的前进档位对应最大的速度和最小的扭矩、牵引力及发动机转速。这就是通常所说的“减速增力和减速增矩”。当档位一定，在不太大的范围内调整车速时，只需适当加大油门或减小油门即可。