发动机动力不足与挡位选择的深入分析

实际维修过程中。当车辆出现行驶无力、行驶无高速、发动机转速突然升高的情况时，很多技术人员无法分清故障是由发动机引起还是由变速器引起，甚至出现更换变速器的错误操作。究其原因，其实是对发动机输出动力和电脑对自动变速器挡位选择的关系不甚理解。

下面。笔者就发动机输出功率及扭矩和发动机转速之间的关系做一简单说明，以丰田巡洋舰4700为例。丰田巡洋舰4700装备了2UZ-FE发动机’，以及5速自动变速器A750F。丰田巡洋舰4700(2UZ-FE)发动机输出功率及扭矩曲线图如图1所示。

图1显示的是发动机输出功率及扭矩随发动机转速变化的情况。从图中我们可以看到，发动机的最大输出功率是175kW(4800 r／min)，最大输出扭矩是434N・m(3400r／min)。

一、挡位的选择

1手动变速器换挡

丰田4700车辆总重为3260kg，发动机以1000r／min起步，此时的发动机驱动力是370N・m。如图2所示。当换挡杆分别位于1挡(传动比为14.43.2)、2挡(传动比为8.3722)、3挡(传动比为5.7400)和4挡(传动比为4.100)时，车轮的驱动力分别为1 2281N・m、7123N・m、4884N・m和3489N・m。

在水平沥青路面，车辆起步时，不用考虑空气阻力及爬坡阻力的影响，只考虑轮胎与地面之间的静态摩擦力。沥青地面的静态摩擦系数为0.8，静态摩擦力大约为2556N・m。

经过计算，我们可以知道。在1、2、3挡位时，车辆可以在发动机转速1000r／min时起步。

与车辆起步过程不同的是，车辆行驶过程中，地面的摩擦系数也是不同的(由静态摩擦系数转变为了滚动阻力系数)，其值明显降低(沥青路面为0.013)。同时还增加了行驶空气阻力以及爬坡阻力。 　 通过上面针对车辆起步时，驱动力与地面摩擦力之间的关系，我们可以基本清楚驱动力与车辆行驶阻力之间的关系。也明白了发动机输出扭矩经过转动比不同的挡位减速后，传输到车轮的扭矩会有所不同。同时，我们也能考虑到，当发动机由于机械、油路或电子控制系统的故障导致发动机功率、扭矩下降时，相应的驱动力也会降低。由于相应发动机转速下降，输出的功率及扭矩降低导致驱动力降低。这就使得汽车在行驶阻力不变的前提下，要克服该行驶阻力，就需要提高发动机转速，以增加发动机扭矩的输出，这样，势必要加大节气门开度。

2　自动变速器换挡

而对于装备自动变速器的汽车来讲。挡位的升降取决于发动机转速、节气门开度(发动机负荷)以及汽车行驶速度3方面。如图3所示，图3是4速自动变速器换挡正时图，图中有A、B、C这3点。当加速踏板在图3(下)所示的A点松开和加速踏板开度达到B点，传动桥从第3挡换高速挡0，D(超速)挡。

相反，当加速踏板在A点继续往下踩和加速踏板开度达到C点，传动装置从第3挡换低速挡到第2挡。

通过图3的换挡正时图，我们可以得到节气门开度与车速、以及自动变速器挡位之间的关系。其中节气门开度值的大小反映的是发动机负荷的大小。ECT(电子控制变速器)控制单元接收来自发动机ECU的节气门开度信号、发动机转速信号，以及车速信号，依据换挡正时图，确定挡位是升还是降。结合前面图1发动机输出功率、扭矩曲线图，我们已经基本了解了发动机动力输出与自动变速器挡位之间的关系了。

二、发动机动力性能的检测与判断方法

发动机的动力性能。我认为可以利用底盘测功机进行全面测试，这样除了可以得出准确数据外，还可以近似的利用下述的车速计算方式，并利用发动机转速与挡位、节气门开度以及车速之间的关系，来近似的验证车速。下面以丰田巡洋舰4700为例来阐述一下具体的计算方法，发动机和自动变速器的具体数据分别如表1、表2所示。

通过计算，我们可以得到3、4、5挡理论上的车速范围(发动机3400r，rain)分别为V3=89km／h、V。=124km，h、Vs=174km／h。

实际上，由于整个传动系统传递效率小于1，所以，实际的车速总是低于以上理论值的。当传递效率系数取0.95时，各挡位车速分别是84km／h、1 1 7km，h、1 65km／h。这样我们可以通过这种方式来得到接近于实际工作状况的推算资料，以便于对发动机和变速器的故障来源进行区分。

设定发动机转速为3400 r／min(最大输出扭矩434N・m)，经计算3、4及5挡的最大驱动力值分别为5729N、4092N、2930No

以上数据是在理想状态下，发动机功率及扭矩均正常时的驱动力值。但实际车辆由于各种原因出现功率及扭矩降低的情况时，根据功率及扭矩降低的幅度不同，就会出现在某一挡位加速迟缓。高速行驶无力的情况。该车车速与行驶阻力的关系如表3所示。

从表中可以看出，车速为190km，h时，行驶阻力为2701N・m。此时的驱动力为2701N・m。发动机的输出扭矩为400N・m，发动机转速为4400r／min。如果发动机转速达到4500 r／min时，此时的发动机输出扭矩降低到380N・m，驱动力降为2565N・m，已经小于车速190km／h时的车辆行驶阻力，此时车辆反而会减速。

如果在实际路试过程中，从相应挡位得到的车速和计算出的数据相差过大时，我们可以结合节气门开度值，去判定是否出现了发动机动力不足的情况。

下面我们用车速为100km／h时的车辆行驶阻力来分析实际的车速和节气门开度及变速器挡位之间的关系。

分析时不考虑爬坡阻力，在平直沥青路面行驶，迎面风速为0，经计算得到总行驶阻力为1070N。

在4、5挡位，维持100km／h速度行驶时，所需要的发动机扭矩分别为113N・m及158 N・m。也就是说，发动机转速在1 000r／min时，发出的扭矩已足以满足车辆行驶的需要。此时的节气门开度应不超过15％。

变速器处于5挡时，根据计算得出表4的发动机转速与车轮驱动力及理论车速之间的关系，但实际车辆行使时，可能达不到理论上的车速。这时候，我们就要来看行驶阻力是如何变化的了。

图4是驱动力与行驶阻力平衡图。从图中可以看到。当车速上升到某速度时，驱动力与行驶阻力曲线相交，此点即是最高车速。

当驱动功率和克服行驶阻力所需功率相等时，该点车速即为最高车速。对于轿车，最高车速经常设计在发动机最大功率附近，有3种设计方案。

(1)“Va max设计”。最高车速(即阻力功率曲线与驱动功率曲线的交点)对应于发动机最大功率点的转速n(Pmax)。这种设计方案的优点是可以利用发动机发出的最大功率，达到理论最高车速。其缺点是在接近Va max的车速范围内，后备功率较小，加速、上坡和克服逆风的能力不足。

。

(2)“高速设计”。最高车速对应的发动机转速高于n(Pmax)。这种设计的方案常用于带4挡变速器的轿车。其优点是有较大的后备功率。缺点是达不到理论最高车速；而且当以Va max行驶时，发动机转速过高，因而噪声、磨损和油耗都过高。

(3)“低速设计”。最高车速时对应的发动机转速低于n(Pmax)。这一设计一般用于带5挡变速器的轿车。这类轿车的5挡是“超速挡”(又称“节能挡”，过去也叫“高速公路挡”)。其优点是车辆以Va max行驶时，发动机转速较低。同时由于发动机负荷较高，油耗下降。缺点是达不到理论最高车速，同时后备功率比前2种设计都小。

一般4挡变速器中，4挡的速比等于1(即这时的传动系速比等于主减速比)，作为直接挡。如果我们把该挡按“高速设计”或”Va max设计”；而再增加5挡(变速器速比小于1)，按“低速设计”，作为“超速挡”，就可以把这些设计的优点都利用起来。4挡和5挡的最高车速可能相等。甚至5挡的最高车速还可能略低于4挡。采用这种方案，车辆在以Va max速度行驶时，既经济、噪声和磨损又低，又有一定的后备功率。

可见，所谓“超速挡”只是指变速器速比小于1，输出轴转速高于输入轴而言，而并不是其对应的最高车速一定高于直接挡的最高车速。

对于丰田4700。通过图4的驱动力与行驶阻力曲线图，我们可以得到：4挡采用的是高速设计，发动机最大功率点在4800r／min，而该挡的最高车速高于此转速。5挡采用的是低速设计，最高车速对应的发动机转速低于n(Pmax)，大约在最大扭矩点附近。