汽車(chē)的加速度分析

1、 汽車(chē)的加速度分析 各種汽車(chē)加速度性能的對(duì)比研究 武漢一中，高一(1)班研究性學(xué)習(xí)物理組 成員：舒曠 盧寅璽 牛心妍 桂靖恒 湯菁薈 程果 胡峻國(guó) 顧欣 徐鵬飛 一、課題背景 在街道上，我們可以看到：許多車(chē)輛在等紅燈，可在信號(hào)燈變綠后，為什么在同一條線上等待的車(chē)，有的首先沖到了前面，而有些車(chē)卻被落在后面，除了司機(jī)精力是否集中外，主要是因?yàn)椴煌能?chē)加速性能有所不同。衡量一輛汽車(chē)的好壞標(biāo)準(zhǔn)中，加速性能是其中一個(gè)重要因素，更是跑車(chē)好壞的最重要因素。如何評(píng)價(jià)汽車(chē)的加速性能，每一位車(chē)主、準(zhǔn)車(chē)主都很關(guān)心。實(shí)際上，汽車(chē)技術(shù)性能指標(biāo)上的加速性能只是一個(gè)參考值。很多人都知道力、質(zhì)量與加速度加速之間的關(guān)系，但汽車(chē)

2、的加速性能與很多因素有關(guān)。汽車(chē)性能參數(shù)中有許多和性能有關(guān)的數(shù)據(jù)，如功率，扭矩，100km/h加速時(shí)間等等。 可是加速度是如何計(jì)算出來(lái)的呢？這不禁使我產(chǎn)生疑惑。 二、課題目的 了解影響汽車(chē)加速性能的主要因素有哪些，在得到相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，能夠開(kāi)發(fā)我們的創(chuàng)新思維，提高觀察能力和動(dòng)手能力。 三、課題研究方法 1.查找資料：上網(wǎng)查找，翻閱書(shū)報(bào)，收集資料。 2.實(shí)地調(diào)查：對(duì)行人、司機(jī)的采訪。 3.總結(jié)整理：整理資料，分析內(nèi)容。 四、課題研究過(guò)程 (一)資料收集 據(jù)網(wǎng)上資料，影響加速度性能的因素有如下幾個(gè)： 1、汽車(chē)的重量 2、發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩 3、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 4、空氣阻力與地面的摩擦力等阻力 .扭矩 扭矩是

3、使物體發(fā)生轉(zhuǎn) 動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就是指發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大，它反映了汽車(chē)在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。啟動(dòng)時(shí)或在山區(qū)行駛時(shí)，扭矩越高汽車(chē)運(yùn)行的反應(yīng)便越好。以同類型發(fā)動(dòng)機(jī)轎車(chē)做比較，扭矩輸出愈大承載量愈大，加速性能愈好，爬坡力愈強(qiáng)，換擋次數(shù)愈少，對(duì)汽車(chē)的磨損也會(huì)相對(duì)減少。尤其在轎車(chē)零速啟動(dòng)時(shí)，更顯示出扭矩高者提升速度快的優(yōu)越性。 在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，他們之間由連桿相連。在做工沖程我們可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)可以把連桿和曲軸的連接軸中心到曲軸旋轉(zhuǎn)中心的距離看做是力臂，氣缸做工向下運(yùn)動(dòng)就是力，力經(jīng)過(guò)連桿施加到曲

4、軸上，驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，也就成了我們所說(shuō)的扭矩。 .功率 功率是指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。功率越大轉(zhuǎn)速越高，汽車(chē)的最高速度也越高,常用最大功率來(lái)描述汽車(chē)的動(dòng)力性能。最大功率一般用公制馬力(PS)或千瓦(kW)來(lái)表示，1PS等于0.735kW。 功率密度 即比功率(比功率是衡量汽車(chē)動(dòng)力性能的一個(gè)綜合指標(biāo)，具體是指汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率與汽車(chē)總質(zhì)量比)。 （二）相關(guān)數(shù)據(jù) 0-100km/h加速時(shí)間表12 10.910865.4 時(shí)間43.42.82.520Benze SBMW R 1200Lamborghini500LRTGallardo 車(chē)型 車(chē)重 發(fā)動(dòng)機(jī) 排變速箱 最大車(chē)速量 5.2L Lambor

5、gh 中置V10自然吸 6檔ini 1380 5.2自 氣發(fā)動(dòng)機(jī)325km/動(dòng) L h 419kW8000r/min 功率Gallardo kg 540Nm6500r/min 扭矩 Smart L41L 后置渦輪增壓5檔半自1.0 fortwo 770k發(fā)動(dòng)機(jī)155km/動(dòng) g h 功率 62kW 5250r/min L 120Nm 矩 2000-4750r/min1.2L水平對(duì)置雙缸250kmR2291.速螺動(dòng)BMWL750080.3kW齒h1200 RTgr/min115.26Nm6000r/min渦輪8.0T中W16Buggetti430kmVeyron8L188檔雙壓發(fā)動(dòng)h功 736k

6、W 6000r/minkg1250Nm5500r/min220自然吸V5.5L前250km檔手BenzeS219發(fā)動(dòng)5.L 285kW 6000r/minhkg500 L電功一530Nm限)4800r/min2800對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直接影響汽車(chē)加速性能的有汽車(chē)質(zhì)量，發(fā)動(dòng)機(jī)排量、，變速箱的檔位（決定齒比的疏密，影布局、型式（決定功率和扭矩） 。響輸出功率） )結(jié)果分析(三 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的。所以，汽車(chē)的最大扭、/分）4000例如甲車(chē)最大扭矩矩往往與轉(zhuǎn)速同時(shí)標(biāo)記，150牛頓米（轉(zhuǎn)牛頓米的最大扭，同樣是/4500150乙車(chē)最大扭矩牛頓米（轉(zhuǎn)分）150 矩，兩車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下，

7、加速性能將有所區(qū)別。研究數(shù)據(jù)可知，一般發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)間，區(qū)間越大，隨著加速轉(zhuǎn)速上升，最大扭矩保持輸出的時(shí)間更長(zhǎng)，因而百公里加速數(shù)據(jù)更優(yōu)秀。而F1賽車(chē)使用的均是1.8T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，除工藝精細(xì)外結(jié)構(gòu)與普通家用轎車(chē)無(wú)異，但F1賽車(chē)之所以更迅猛的原因，是因?yàn)槠渥畲?8000 r/min的最高轉(zhuǎn)速，有了更大的寬扭平臺(tái)，自然F1可以在大直道中加速到323km/h的極速。 最大扭矩指標(biāo)對(duì)應(yīng)的是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而不是汽車(chē)的速度。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力要通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭，然后作用于驅(qū)動(dòng)輪，才會(huì)產(chǎn)生汽車(chē)加速所需要的力。不同車(chē)型的傳動(dòng)系統(tǒng)不同，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭距相同的情況下，加速特性也不一定相同。多家

8、汽車(chē)公司如BENZE、BMW開(kāi)發(fā)的8速自動(dòng)變速箱，通過(guò)更密的齒比來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的精巧輸送，確保發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在最佳轉(zhuǎn)速工作，實(shí)現(xiàn)充沛動(dòng)力與保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的雙贏。又如VW開(kāi)發(fā)的6速7速DSG雙離合變速箱，其擁有兩套相同的齒輪，(可以理解為12或14檔，但其中有七個(gè)檔位重復(fù))當(dāng)?shù)谝惶X輪輸出動(dòng)力時(shí)，第二套齒輪在行車(chē)電腦的控制下處于待命狀態(tài)，換擋的實(shí)質(zhì)是兩套齒輪系統(tǒng)的互相切換，這樣有了更短的換擋時(shí)間，保證動(dòng)力的連續(xù)順滑輸出。 汽車(chē)中還有許多其他的因素會(huì)影響汽車(chē)加速性能，如夏天開(kāi)啟空調(diào)制冷系統(tǒng)后，車(chē)輛會(huì)犧牲一部分的功率去驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，在爬坡 或超車(chē)過(guò)程中，會(huì)明顯的有汽車(chē)力不從心的感覺(jué)，而現(xiàn)代的B級(jí)車(chē)以上

9、中會(huì)有許多電子設(shè)備，部分也會(huì)影響加速性能。目前，還有通過(guò)在驅(qū)動(dòng)軸上并聯(lián)電機(jī)的混合動(dòng)力車(chē)型，由電機(jī)在最初即能輸出95%以上的功率，汽車(chē)在加速階段通過(guò)電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，會(huì)有更迅猛的加速表現(xiàn)。 F，這是加速度的定義式，ma=是車(chē)輛分析牛頓第二定律 F=ma? m的總質(zhì)量，所以整車(chē)廠商尤其是賽車(chē)生產(chǎn)廠家都會(huì)進(jìn)行車(chē)輛的減重工作，例如使用較鋼更輕的碳纖維車(chē)身，拆去無(wú)用的電子設(shè)備如空調(diào)等等（這是參加WTCC，達(dá)喀爾拉力賽等才使用的）。有效減小m，加速度就會(huì)更大，而汽車(chē)業(yè)界還有類似的如此描述，就是功率質(zhì)量比。 同上理a不只與m有關(guān)更與F有關(guān)，公式中的力 F 是合力，包括路面阻力、風(fēng)阻可能還有為增加汽車(chē)勢(shì)能而

10、需要克服的引力。 由于有這么多因素在起作用，那么想要求得汽車(chē)的百米加速度只能在理想條件下進(jìn)行：假設(shè)汽車(chē)在平直路面上由靜止開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng)，阻力等于車(chē)重的0.1，設(shè)汽車(chē)的質(zhì)量為1噸，如果要求在10秒內(nèi)速度從0加速到100公里/小時(shí)，則 V2.778 m/，由V=at 2?s?a? t有牛頓第二定律得 F?=ma=2778 N 考慮阻力（1000 N）的影響，實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為 F= F?+f=3778 N 加速路段的長(zhǎng)度 1=138.9 m S=2at 2 加速全程耗費(fèi)的功524764.2 J W=FS= 功率為W52476.4 w = P= t假設(shè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一直為4000轉(zhuǎn)/分（實(shí)際上不可能），所需的扭矩為 52476.4 4000?2?=125.3 NM=m 60綜上，如果假設(shè)不變，由上述計(jì)算過(guò)程可知，所需的扭矩與車(chē)重成正比。即車(chē)重增加或減少，所需扭距成正比增減。 五、課題研究結(jié)論 要提高車(chē)輛加速性能，可著力于改善車(chē)輛質(zhì)量，采取輕量化手段；減少車(chē)輛的行進(jìn)阻力，可使用熱熔半熱熔的輪胎，采取流線型車(chē)身，使用空氣動(dòng)力學(xué)套件，改變后視鏡樣式；提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，優(yōu)化進(jìn)氣，提高壓縮比，采用燃油直噴技術(shù)等等。 六.收獲與體會(huì) 雖然0-1