汽车的整体结构及动力系统

1、汽车的整体结构2、汽车动力系统 学 习 目 标1、认识汽车的整体结构2、了解汽车各组成部分所处位置及作用3、了解汽车动力装置的构造及原理4、了解大学生方程式赛车动力系统设计要求 汽车四大组成部分2、底 盘3、车 身4、电 器一般意义的汽车1、发动机四大基本组成部分汽车的心脏汽车的骨架汽车的皮肤汽车的神经 基本功用： 基本功用： 行驶系传动系制动系转向系 由电源和用电设备组成，包括发电机、蓄电池、起动系、点火系以及汽车的照明、信号装置和仪表等。此外，在现代汽车上愈来愈多地装用各种电子设备：微处理机、中央计算机系统及各种人工智能装置(自诊、防盗、巡航、防抱死、车身高度自调等)，显著地提高了汽车的使用性能。 认识汽车发动机 发动机是汽车的动力装置，被称为汽车的“心脏”。 一、发动机的放置位置 根据发动机相对车身所处的位置和自身安置的方向，我们将发动机放置按以下两种划分。 1、发动机放置以前后轴划分：发动机整体在前轮轴前面的称为“前置发动机”（常用英文”F”表示），绝大部分轿车都是前置发动机。发动机整体在前后轴之间的称为“中置发动机”（常用英文”M”表示），很多双座的超级跑车均采用这种布置方式，例如：兰博基尼LP640，法拉利F430等。 发动机整体在后轮轴后面的称为“后置发动机”（常用英文”R”表示），这类车型比较少，典型代表车型就是保时捷911。 布加迪威龙中置发动机 菲亚特500前置发动机保时捷911后置发动机 前置发动机前置发动机，即发动机位车前轮轴之前。前置发动机的优点是简化了车子变速器与驱动桥的结构，特别是对于占绝对主流的前轮驱动车型而言，发动机将动力直接输送到前轮上，省略了长长的传动轴，不但减少了功率传递损耗，也大大降低了动力传动机构的复杂性和故障率。 另外，将发动机置驾驶员的前方，在正面撞车时，发动机可以保护驾驶员免受冲击，从而提高了车的安全性。前置发动机 中置发动机 对于非常讲究操控性能的性能跑车来说，通常会采取中置发动机的摆设方式，这样布置的好处除了可以将前后轴的配重达成完美的50:50之外，更因重量最重的发动机远离了车头、车尾这二个偏摆力矩最大的部位，因此在过弯时，车子的操控稳定性最高，可以用更快的速度、更流畅的姿态过弯，因此这也是速度最快的方程式赛车(F1)之标准发动机布置方式，大学生方程式赛车多数采用中置发动机后轮驱动布置。 由于中置发动机车型的后座空间已经被发动机占据了，因此这类车型的一个缺点是只能安放两个座位，此外发动机的噪音也会比前置发动机更大，但是对于那些只为驾驶者准备的高性能跑车来说，它根本不需要拥有后座，而且车主们也会很乐意听到高亢的引擎声浪。 法拉利F430 说到更为少见的后置发动机，我们还得请出独一无二的保时捷911，其后置发动机后轮驱动的搭配水平对置发动机形式更是绝无仅有。这种配置方式与前置前驱车刚好相反，由于重量集中在车尾，因此在高速过弯时会产生明显的转向过度。这种特性也使得早期的911非常难以驾驭，对驾驶员的技术要求非常高。不过随着技术的进步，铝质发动机、铝质悬架的轻量化、以及多连杆悬架的新设定，新911的操控已经变得比较理性，这使得很多驾驶技术一般的朋友也能够感受到911的魅力所在。 保时捷911后置发动机后置发动机 2、发动机位置以曲轴纵横标准划分： 发动机位置以曲轴位置为标准，我们将发动机分为横向式（常用英文”Q”表示）和纵向式（常用英文”L”表示）两种放置类型。 曲轴和车体方向成直角的叫横置发动机，一般前驱车均为横置发动机，例如：大众速腾、标志307、丰田凯美瑞等。曲轴和车体方向平行的叫纵置发动机，一般后驱车和全驱车多数都为纵置发动机，例如：奔驰C级、宝马3系、丰田锐志等。不过也有特例，奥迪就是典型的前驱车，但是纵置发动机。如果您站在车头前方，如果发动机横向放在你眼前就是横置式发动机，纵向呈现在你眼前则为纵置式发动机。 横置式发动机 纵置式发动机 2、按照工作循环不同分（1）四冲程发动机（2）二冲程发动机1、按照使用燃料不同分（1）汽油机（2）柴油机二、发动机的类型 3、按照冷却方式不同分(2)风冷式发动机(1)水冷式发动机4、按照汽缸数分(1)单缸发动机 （2）多缸发动机 5、按照进气系统是否采用增压方式分（1）自然吸气(非增压)式发动机（2）强制进气(增压式)发动机 6、按照汽缸的排列形式分（1）直列发动机(LineEngine) 发动机所有汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面，气缸是按直线排列的，我们称这样的发动机为直列发动机。直列发动机特点：它的优点是缸体和曲轴结构十分简单，而且使用一个汽缸盖，制造成本较低，尺寸紧凑。直列发动机稳定性高，低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少；但缺点是随排量汽缸数的增加长度大大增加。所以直列发动机一般都是4缸机，少数有6缸机，比如宝马著名的直列6缸发动机。 （2）V型发动机将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起，使两组汽缸形成有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。因为V型发动机是两组汽缸，所以汽缸数均是偶数，如常见的：V6、V8、V10、V12等，而且V型发动机排量都比较大，一般都在2.5L以上。V型发动机特点：V型发动机高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便，也能够为驾驶舱留出更大的空间。V型发动机汽缸对向布置，还可抵消一部分震动，使发动机运转更平顺；V型发动机的缺点则是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂、成本较高。另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置。 （3）W型发动机W型发动机是德国大众专属发动机技术。其原理是：将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开，简单点说，W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大W形，严格说来型发动机还应属V型发动机的变种。W发动机特点：W型比V型发动机做得更短一些，有利于节省空间，同时重量也可轻些；缺点是它的宽度更大，使得发动机室更满。大众旗下的辉腾6.0和奥迪的A8L 6.0都采用了W12发动机，布加迪威龙则是采用了8.0L W16发动机，W型发动机一般都是大排量的发动机。 奥迪6.0L W12发动机 （4）H型水平对置发动机如果将直列发动机看成夹角为0度的V型发动机，当两排汽缸的夹角扩大为180度，汽缸水平对置排列，就是水平对置发动机了。水平对置发动机特点：由于它的汽缸为“平放”，因此降低了汽车的重心，同时又能让车头设计得又扁又低。这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。不过由于两排汽缸水平放置，所以造成发动机缸体很宽，使得发动机舱排列会变的比较复杂，所以很少有厂家采用。目前只有两家公司采用水平对置发动机，分别是斯巴鲁和保时捷。 三、发动机的构造汽油发动机一般由“两大机构、五大系统”组成。 柴油发动机只有“两大机构、四大系统”，没有点火系统。两大机构曲柄连杆机构：是能量转换装置配气机构：按发动机工作的需要定时开闭进排气门五大系统燃料系：配制发动机所需要的可燃混合气润滑系：润滑发动机各运动机件，减少摩擦和磨损冷却系：散掉多余的热量，保持发动机正常工作温度点火系：按工作需要点燃可燃混合气起动系：使发动机由静止进入正常工作状态 曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。机体组 配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。 燃料供给系 汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去； 柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。 冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。 润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。 点火系统 在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。 起动系统 要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。 大学生方程式赛车的动力系统要求 1)发动机必须为往复活塞式汽油发动机; 2)发动机排量不得超过 610mL;混合动力，例如使用车载储能设备驱动的电动机是不被允许的。 3)发动机的所有进气必须流经一个内径不超过20mm 的进气限制器; 4)允许使用机械增压器或涡轮增压器， 压气机必须布置在进气限制器之后。 5）水冷发动机必须使用水作为冷却液。电动机、电池或者高压电子设备可以使用水或油作冷却液。严禁使用乙二醇防冻剂、水箱保护剂、任何形式的水泵润滑剂、以及其他任何添加剂。 代表车型动力系统吉林大学吉速车队Gspeed2013赛车发动机型号本田CBR6 0 0 RR(PC4 0 E)进气形式涡轮增压中冷增压器日立HT0 7 -4 A泄压阀continental主动式真空内置最大进气压力1 7 5 kpa最大功率7 0 KW 9 0 0 0 1 0 0 0 0 r/min最大转矩7 5 Nm 5 0 0 0 8 5 0 0 r/min全负荷最小燃油消耗2 6 5 g/kWh发动机管理系统Motec M8 4控制模型基于MAF的质量流量法 燃油压力3 .8 bar油箱容积5 L润滑方式干式油底壳 带外置供油泵冷却方式电控热管理系统换挡形式电动伺服拨片式换挡 吉林大学吉速车队Gspeed2013赛车发动机 2、广东工业大学GDUT FSAE 2013 发动机参数 赛车发动机选型CBR600发动机与CF188发动机相比，具有高转速、大功率、大扭矩的特点，将为赛车提供更加强大的动力输出，同时，电喷的应用将使赛车在拥有强大动力的同时，还将具有良好的燃油经济性。CF1 8 8 CBR6 0 0型式单缸、四冲程、化油器四缸、四冲程、电喷排量4 9 3 cc 5 9 9 cc压缩比1 0 .2 :1 1 2 .0 :1最大净功率2 4 KW/6 5 0 0 rpm 8 6 KW/1 3 0 0 0 rpm 最大扭矩3 8 .8 Nm/rpm 6 5 .9 5 4 Nm/rpm 发动机总成设计的任务 发动机总成设计的任务主要是为了和整车更好匹配，使车辆具有更好的性能。车辆的综合性能有很多方面，与发动机总成有密切关系的主要性能有：1、动力学指标：最高车速 、加速能力 和爬坡能力；2、燃料经济性 ：等速百公里油耗；3、运转性能指标：排气品质、噪声和启动性能。 设计中须注意的问题发动机的安装： 1、配合总布置组、传动组确定发动机的安装位置和安装方式； 2、保证发动机拆卸简单、方便，发动机安装在车上安全、可靠，振动小。 进气系统（Intake System ）的设计1、功用:尽可能多地和尽可能均匀地向各气缸供给空气与燃油混合气或纯净的空气 。2、包括:空气滤清器、进气管。 空气滤清器（Air Filter ） “冬菇头”学名叫高流量风格，由特殊的化学纤维制成的一种高性能空气滤清器，利用空气动力学里的文氏管效应，它通过气体的压缩从而提高进气流速流量。它最大的优点是在滤净空气的同时，使进入燃烧室的空气流量、流速提高30%以上，比普通空气滤清器令燃油燃烧更充分，单位效率更高。冬菇头进气量肯定是增加了，对车子的起步和平时加速都有的很明显的效果，从理论来说确实能增加发动机内的空气流量，让发动机舱内的燃烧更充分，动力性能有所提升。但对北方含有大量细小沙尘的空气来说，加大进气量的同时也将更多的细小沙尘带入汽缸，造成发动 机的早期磨损，反而影响发动机的动力表现。 进气管（ Air Inlet Pipe ）在满足规则和整车布置要求的前提下尽可能减小气体流动阻力，提高进气能力，而且进气管的内壁尽可能光滑。在设计中可以利用一些软件进行模拟计算，以优化进气系统。可用GT-power或者Boost做性能计算，也可用Fire等做进排气的三维模拟计算，主要优化进排气管的长度和管径大小。 从以上表中可以看出进气管的长度对发动机性能有一定的影响，主要利用进气的惯性及谐振效应来提高充气效率，从而提高发动机的性能。在中低转速时进气管越长性能越好，在高转速时进气管长度越短性能越好。依照振动学原理，在低转速时，进气管长度变长之后使进气管固有频率得以降低，与此时的低转速气流振动频率接近 ，在高转速时，进气门速度的加快，进气频率上升，进气管长度变短使其固有频率升高，与此时的高转速气流振动频率接近 ，这样就可以提高充气效率。对于管径的影响也是一样，中低转速时管径越小性能越好，高转速时管径越大，性能越好。 目前的可变进气管技术就是利用这个原理。我们可以针对赛车的工作情况，将进气管长度和管径达到所需的最优值。 排气系统功用：以尽可能小的排气阻力和噪声，将气缸内的废气排到大气中。包括：排气支管、排气管、消声器。 排气管的设计1、尽量降低排气系统的阻力，减小残余废气系数，提高冲量系数；2、保证排气管的制作和安装简单、方便；3、设计原则：降低排气背压，减小排气噪声。4、与进气管一样，排气管也存在谐振现象，只不过所希望的谐振效果是使排气门处的压力降低，以利于排气。排气管的长度决定了它的适用转速范围。短的排气管适合中低转速，长的则适合高转速。对于排气管的长度是固定的发动机，只能将其设计成一个最适合的相对折中的转速。 冷却系统（Cooling System ）的设计1、功用：使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。既要防止发动机过热，又要防止冬季发动机过冷。2、一般水冷发动机冷却系统由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、机体和缸盖中的水套以及附属装置。3、在赛车中要我们设计和布置的主要有：散热器、风扇、补偿水桶以及一些连接水管。 冷却液（Coolant）1、冷却液是水和防冻剂的混合物，冷却液用水最好是用软水，否则将在发动机水套中产生水垢，使传热受阻，易造成发动机过热。2、防冻剂中通常含有防锈剂和泡沫抑制剂，在使用过程中，防锈剂和泡沫抑制剂会逐渐消耗殆尽，因此，应定期更换冷却液。散热器(Radiator)、风扇(Fan)的选型和布置 在保证总体安装布置的前提下尽量使散热器和风扇安装在有利于冷却的位置，其次还要考虑发动机散热器和风散的散热、冷却能力，以保证发动机正常的工作。 补偿水桶和连接水管1、 补偿水桶保证冷却液不会溢失，补偿冷却系统中有足够的冷却液，还可消除冷却系中的所有水泡。2、 连接水管布置应简洁有序，水管中液体流动阻力小。 冷却系统的优化 冷却系统的设计、布置和优化可以利用GT-cool做一维模拟仿真，通过计算整个冷却系统的流量、温度分布情况、散热率等来优化发动机的冷却系统。汽油供给装置1、 由汽油箱、汽油滤清器、汽油泵和油管组成，作用是贮存、滤清和输送燃油。2、在满足规则和容量要求的前提下油箱尽量精细，安装、拆卸、加油方便，还要保证安全。 发动机启动问题1、 在发动机一切正常的情况下，启动机或蓄电池有故障都会使发动机难以启动。遇此情况，首先要了解启动机与蓄电池的使用情况，以便大致判断故障部位。必须先弄清楚，发动机无法启动是不是蓄电池电量不足。2、 检测启动系统。发动机无法启动，首先着手做的工作是检测发动机启动系统中的电路。启动系统的电路一般包括蓄电池、启动电机以及连接这些部件的电缆等。除此之外，点火开关、启动机继电器或电磁线圈。3、 检测燃油系统。燃油系统的诊断可以分为两部分：燃油供给系统的诊断和喷油器电路系统的诊断。燃油供给系统可以通过测量燃油的流量和压力进行检测。 4、 检测电火花质量。当启动系统的电路通过检测，证明确实没有故障之后，首先检测的是发动机的点火系统。选择电火花检测器时，应选择一个可以调整的检测器，因为它允许你将检测器调整到一个更小的间隙，这样就可以知道，是根本没有电火花产生还是有电火花但却很微弱。5、启动开关转到启动位置发动机不能启动，也无其他现象。这种故障，一是钥匙、开关因磨损而未接通启动电路；二是启动机继电器未接通启动机电磁开关电路；三是电源开关未接通主电路。启动时只有轻微“嗒”的一声，再无任何反应，这是启动继电器发卡所致。这时只要按一下电磁铁尾部，迫使电磁铁前移，即可将启动电路接通，从而使发动机启动。 在设计中可能遇到的问题1、在设计中只注重结构和布置上的要求，而对于性能优化方面的分析工作较少，如进排气管的优化、冷却系统的优化等；2、一些安装方式不太合理和方便，比如发动机的安装、邮箱的安装、进气管、散热器等，使装配的难度增大，精度降低；3、一些零附件的结构复杂，制作和加工难度大，成本高，如排气管、油箱等，4、对发动机的相关改进工作做得太少。 将来的方向1、对发动机做台架实验，获得相应的实验数据；对发动机的性能有很清楚的把握；2、对发动机及其相应零附件的设计和布置进行优化；并通过实验验证；3、针对现在发动机功率低、扭矩小的问题，对发动机进行改进，比如增压、可变气门正时、可变进排气系统等方式，以提高发动机的综合性能；4、自己设计或者修改电控单元，以适应对发动机改进 后的控制需要。 思 考 与 练 习现场实车指认汽车各主要部件，并说出其作用。