汽车的加速度分析

汽车的加速度分析

各种汽车加速度性能的对比研究

——武汉一中，高一(1)班研究性学习物理组

成员：舒旷 卢寅玺 牛心妍 桂靖恒

汤菁荟 程果 胡峻国 顾欣 徐鹏飞

一、课题背景

在街道上，我们可以看到：许多车辆在等红灯，可在信号灯变绿后，为什么在同一条线上等待的车，有的首先冲到了前面，而有些车却被落在后面，除了司机精力是否集中外，主要是因为不同的车加速性能有所不同。衡量一辆汽车的好坏标准中，加速性能是其中一个重要因素，更是跑车好坏的最重要因素。如何评价汽车的加速性能，每一位车主、准车主都很关心。实际上，汽车技术性能指标上的加速性能只是一个参考值。很多人都知道力、质量与加速度加速之间的关系，但汽车的加速性能与很多因素有关。汽车性能参数中有许多和性能有关的数据，如功率，扭矩，100km/h加速时间等等。

可是加速度是如何计算出来的呢？这不禁使我产生疑惑。

二、课题目的

了解影响汽车加速性能的主要因素有哪些，在得到相关知识的同时，能够开发我们的创新思维，提高观察能力和动手能力。

三、课题研究方法

1.查找资料：上网查找，翻阅书报，收集资料。

2.实地调查：对行人、司机的采访。

3.总结整理：整理资料，分析内容。

四、课题研究过程

(一)资料收集

据网上资料，影响加速度性能的因素有如下几个：

1、汽车的重量

2、发动机的扭矩

3、发动机的转速

4、空气阻力与地面的摩擦力等阻力

①.扭矩

扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了汽车在一定范围内的负载能力。启动时或在山区行驶时，扭矩越高汽车运行的反应便越好。以同类型发动机轿车做比较，扭矩输出愈大承载量愈大，加速性能愈好，爬坡力愈强，换挡次数愈少，对汽车的磨损也会相对减少。尤其在轿车零速启动时，更显示出扭矩高者提升速度快的优越性。

在活塞发动机中，活塞做往复运动，曲轴做旋转运动，他们之间由连杆相连。在做工冲程我们可以发现，其实可以把连杆和曲轴的连接轴中心到曲轴旋转中心的距离看做是力臂，气缸做工向下运动就是力，力经过连杆施加到曲轴上，驱动曲轴旋转，也就成了我们所说的扭矩。

②.功率

功率是指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，汽车的最高速度也越高,常用最大功率来描述汽车的动力性能。最大功率一般用公制马力(PS)或千瓦(kW)来表示，1PS等于0.735kW。

③．功率密度

即比功率(比功率是衡量汽车动力性能的一个综合指标，具体是指汽车发动机最大功率与汽车总质量比)。

（二）相关数据

对比发现，直接影响汽车加速性能的有汽车质量，发动机排量、布局、型式（决定功率和扭矩），变速箱的档位（决定齿比的疏密，影响输出功率）。

(三)结果分析

①．发动机的扭矩是随着转速的变化而变化的。所以，汽车的最大扭矩往往与转速同时标记，例如甲车最大扭矩150牛顿米（4000转/分）、乙车最大扭矩150牛顿米（4500转/分），同样是150牛顿米的最大扭矩，两车在发动机转速相同的情况下，加速性能将有所区别。研究数据可知，一般发动机最大扭矩输出对应一个区间，区间越大，随着加速转速上升，最大扭矩保持输出的时间更长，因而百公里加速数据更优秀。而F1赛车使用的均是1.8T涡轮增压发动机，除工艺精细外结构与普通家用轿车无异，但F1赛车之所以更迅猛的原因，是因为其最大18000 r/min的最高转速，有了更大的宽扭平台，自然F1可以在大直道中加速到323km/h的极速。

②．最大扭矩指标对应的是发动机的转速而不是汽车的速度。发动机输出的动力要通过传动系统减速增扭，然后作用于驱动轮，才会产生汽车加速所需要的力。不同车型的传动系统不同，因此在发动机最大扭距相同的情况下，加速特性也不一定相同。多家汽车公司如BENZE、BMW开发的8速自动变速箱，通过更密的齿比来实现动力的精巧输送，确保发动机始终保持在最佳转速工作，实现充沛动力与保护发动机寿命的双赢。又如VW开发的6速7速DSG双离合变速箱，其拥有两套相同的齿轮，(可以理解为12或14档，但其中有七个档位重复)当第一套齿轮输出动力时，第二套齿轮在行车电脑的控制下处于待命状态，换挡的实质是两套齿轮系统的互相切换，这样有了更短的换挡时间，保证动力的连续顺滑输出。

③．汽车中还有许多其他的因素会影响汽车加速性能，如夏天开启空调制冷系统后，车辆会牺牲一部分的功率去驱动空调压缩机，在爬坡或超车过程中，会明显的有汽车力不从心的感觉，而现代的B级车以上中会有许多电子设备，部分也会影响加速性能。目前，还有通过在驱动轴上并联电机的混合动力车型，由电机在最初即能输出95%以上的功率，汽车在加速阶段通过电机发动机同时工作，会有更迅猛的加速表现。

④．分析牛顿第二定律 F=maa=，这是加速度的定义式，m是车辆的总质量，所以整车厂商尤其是赛车生产厂家都会进行车辆的减重工作，例如使用较钢更轻的碳纤维车身，拆去无用的电子设备如空调等等（这是参加WTCC，达喀尔拉力赛等才使用的）。有效减小m，加速度就会更大，而汽车业界还有类似的如此描述，就是功率质量比。

⑤．同上理a不只与m有关更与F有关，公式中的力 F 是合力，包括路面阻力、风阻……可能还有为增加汽车势能而需要克服的引力。

由于有这么多因素在起作用，那么想要求得汽车的百米加速度只能在理想条件下进行：假设汽车在平直路面上由静止开始做匀加速运动，阻力等于车重的0.1，设汽车的质量为1吨，如果要求在10秒内速度从0加速到100公里/小时，则

由V=at2.778 m/，

有牛顿第二定律得

F₁=ma=2778 N

考虑阻力（1000 N）的影响，实际驱动力为

F= F₁+f=3778 N

加速路段的长度

S==138.9 m

加速全程耗费的功

W=FS= 524764.2 J

功率为

P== 52476.4 w

假设汽车发动机的转速一直为4000转/分（实际上不可能），所需的扭矩为

M==125.3 N·m

综上，如果假设不变，由上述计算过程可知，所需的扭矩与车重成正比。即车重增加或减少，所需扭距成正比增减。

五、课题研究结论

要提高车辆加速性能，可着力于改善车辆质量，采取轻量化手段；减少车辆的行进阻力，可使用热熔半热熔的轮胎，采取流线型车身，使用空气动力学套件，改变后视镜样式；提高发动机性能，优化进气，提高压缩比，采用燃油直喷技术等等。

六.收获与体会

虽然0-100公里加速越快就越好。但在实际驾驶中，更多的消是在交通繁忙的城区。况且，大脚油门既浪费金钱又加剧了对环境的污染。所以最高时速只是一个数字、一个参考。在繁忙的城市中，开车时速直接关系到生命安全。现实生活中，汽车毕竟是代步工具，而安全永远是第一位的，而且一味的追求车辆的加速性能也是没有必要的。毕竟提速稍慢一点没什么关系，安全才是最重要的。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/ddd44679c8aedd3383c4bb4cf7ec4afe04a1b13f.html