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    汽車發(fā)動機與傳動系匹配的優(yōu)化方法介紹

    更新時間: 2016-03-21 點擊次數(shù): 2539次

                                        汽車發(fā)動機與傳動系匹配的優(yōu)化方法介紹
    摘要:本文在考慮變速器檔位利用率時,以驅動功率損失率作為動力性評價指標,有效效率利用率作為燃油經(jīng)濟性評價指標,以兩者的加權值作為目標函數(shù),以確定的主減速器傳動比和變速器的各檔傳動比,試圖定量反映汽車動力傳動系統(tǒng)匹配程度,使汽車動力性和燃油經(jīng)濟性都能得到充分發(fā)揮。 
    關鍵詞:傳動比;匹配;優(yōu)化方法 
     
    1.問題的提出 
     
    在設計和汽車改進時,當汽車的總質量、質量分配、空氣陰力及輪胎滾動阻力等已經(jīng)確定后,如何進行發(fā)動機與動力傳動系統(tǒng)的合理匹配,對保證汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性是非常重要的。 
    近年來圍繞發(fā)動機與傳動系的匹配,各國學者進行很多探討。一般采用汽車原起步連續(xù)換檔加速時間作為動力性評價指標,多工況燃油消耗量或實際工作區(qū)與經(jīng)濟工作區(qū)的接近系數(shù)作為燃油經(jīng)濟性評價指標,用汽車原起步連續(xù)換檔加速時間與多工況燃油消耗量或接近系數(shù)的加權值作為目標函數(shù),而這些指標實際上是汽車基本性能指標的綜合。 
    作為汽車動力系統(tǒng)的*匹配評價指標和目標函數(shù),應該能定量反映汽車動力傳動系統(tǒng)匹配程度,能反映汽車動力性與燃油經(jīng)濟性的發(fā)揮程度,能夠提出動力系統(tǒng)改善的潛力和可能途徑,本文以驅動功率損失率作為動力性評價指標,有效效率利用率作為燃油經(jīng)濟性評價指標,以兩者的加權值作為目標函數(shù),試圖解決上述問題。 
     
    2.汽車的動力性評價指標 
     
    2.1 汽車的驅動力 
    作用于車輪上的轉矩是由發(fā)動機產(chǎn)生并經(jīng)傳動系傳至驅動輪上的。若Te表示發(fā)動機的轉矩(Nm),igj表示變速器的傳動比,i0表示主減速器傳動比,ηtj表示傳動系各檔的傳動效率,rr表示驅動輪的滾動半徑(m),則對于n檔變速器,第j檔的汽車驅動力Ftj為 
     
    2.2 發(fā)動機外特性轉矩 
    發(fā)動機制造廠提供的發(fā)動機轉矩特性曲線常是試驗臺上未帶空氣濾清器、水泵、風扇、清聲器、發(fā)電機等條件下測得的。帶上全部附件設備時的發(fā)動機特性曲線稱為使用外特性曲線。使用外特性曲線的功率小于外特性的功率。一般汽油發(fā)動機使用外特性的Z大功率比外特性的Z大功率約小15%;貨車柴油機的使用外特性Z大功率約小5%;轎車與輕型汽車柴油機約小10%,在加速過程的不穩(wěn)定工況下,發(fā)動機所能提供的功率一般要較穩(wěn)定工況時下降5%-8%。為了便于設計,常采用多項式來描述由試驗臺測得的發(fā)動機外特性轉矩,即 
     
    式中,n為發(fā)動機轉速(r/min),發(fā)動機轉矩模型中的多項式系數(shù)由a0、a1、…amZ小二乘法來確定,m隨特性而異,一般在3,4,5中選取。 
     
    圖1為裝有內(nèi)燃機和4檔變速器汽車與裝有理想動力傳動系汽車的驅動特性曲線。雙曲線為理想動力傳動系汽車的驅動力曲線,曲線上方的區(qū)域因發(fā)動機功率所限為汽車不能達到的范圍。 
    第j檔時驅動力Ft曲線與橫坐標(車速ua)所圍成為的面積為 

               
    驅動功率損失率反映實際汽車動力傳動系統(tǒng)特性與理想動力傳動系的差距,它反映了發(fā)動機動力性能發(fā)揮程度,其值越小,發(fā)動機與傳動系在動力性能方面匹配就越好。 
    3.汽車的燃油經(jīng)濟性評價指標 
    3.1 發(fā)動機的實際燃消耗率 
    發(fā)動機燃油消耗率表示發(fā)動機將燃油化學能轉化為發(fā)動機有效功的效率,發(fā)動機的有效效率ηe與燃油ge消耗率之間存大如下關系: 
     
    式中: Hu燃油的低熱值(kJ/kg),汽油43961.4kj/kg,柴油42496KJ/Kg。 
    發(fā)動機有效效率的Z大值出現(xiàn)在萬有特性的理想工作區(qū),也就是在燃油消耗率Z低區(qū).而在實際行駛條件下,發(fā)動機能否工作在理想工作區(qū)(經(jīng)濟區(qū))與汽車行駛工況、偉動系參數(shù)和發(fā)動機特性有關。
    假定汽車實際行駛狀況為車速uai,驅動力Fti,則由下式可推知發(fā)動機的工況為轉速ni和轉矩Tei。 
     
    查萬有特性曲線可得此時發(fā)動機的實際燃消耗率。 
    3.2 有效效率利用率 
    本文采用發(fā)動機有效效率利用率作為燃油經(jīng)濟性評價指標。 
    發(fā)動機有效效率利用率ηθ為發(fā)動機的實際燃油消耗率ge與發(fā)動機理想工作區(qū)有效燃消耗率ge比值的平均數(shù),即 
     
    發(fā)動機的實際工作狀況受發(fā)動機的技術狀況、道路條件、運行條件、交通狀況、裝載情況、氣候條件和地理信置的影響,同一汽車在不同的條件下,實際工作狀況不同。它可以通過工況統(tǒng)計測定和隨機模擬獲得。 
    4.驅動功率損失率和有效效率利用率的修正 
    考慮到變速器各檔使用率的不同,為了反映不同實際使用條件對傳動比的要求,我們對驅動功率損失率和有效效率利用率進行修正。 
    發(fā)動機的萬有特性曲線是在穩(wěn)定工況下測得的,在不穩(wěn)定工況下,數(shù)值是不同的,而汽車除等速工況處,還有加速、減速、怠速等工況。在加速過程的不穩(wěn)定工況下,發(fā)動機所提供的功率要較穩(wěn)定工工況下降5-10%。我們采用系數(shù)ζ對驅動功率損失率進行修正,汽油機的修正系數(shù)ζ=0.9,柴油機修正系數(shù)ξ=0.95,等速行駛時ξ=1.0。 
    變速器各檔的使用率可用于確定汽車的實際行駛狀態(tài),由于怠速情況對傳動系參數(shù)的影響較小,而減速行駛時油門松開,并進行輕微制動,發(fā)動機處于強制怠速狀態(tài),其油耗量即為正常怠速油耗。故僅考慮汽車等速、加速兩種情況,因此,為便于計算和分析,我們認為其等速工況所占的比例與該檔的實際利用率相同,并據(jù)此確定了汽車的工作狀況及發(fā)動機在(Nei,Tei)時的工作時間ti,并對加速工況按修正系數(shù)ζ進行修正。 
    修正后的有效效率利用率為: 

             
    5.目標函數(shù) 
     
    基于對汽車動力性和經(jīng)濟性的不同考慮,目標函數(shù)可有三種方式: 
    (1)對于要求高動力性能汽車,如越野車、轎車,則宜選用動力性Z值的傳動比,即 
    (2)對于要求高燃料經(jīng)濟性的汽車,如城市公共汽車,低排量家用轎車,則選用燃油經(jīng)濟性Z值的傳動比,即λ1=0,λ2=1.0 
    (3)對于大多數(shù)汽車而言,即要求有良好的燃油經(jīng)濟性,又能保證足夠的動力性。此時可對動力性和燃油經(jīng)濟性作同等重要的考慮,即λ1=0.5,λ2=0.5 
    綜合上述各項條件,即可得考慮變速器檔位利用率時,使汽車動力性和燃油經(jīng)濟性都能得到充分發(fā)揮的主減速器傳動比和變速器各檔的傳動比。

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