_3EDD_汽车理论串讲

汽车理论Theoryofautomobile（串讲）武汉理工大学汽车工程学院2006年10月乔维高绪论汽车主要使用性能动力性powerperformance燃油经济性operatingfueleconomy制动性brakingcharacteristics操纵稳定性handlingandstability行驶平顺性rideperformance行驶通过性off-roadperformance第一章汽车动力性汽车的动力性：汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的，所能达到的平均行驶速度。基本概念：动力性的评价指标汽车的驱动力与各种行驶阻力汽车行驶的驱动—附着条件重点内容：驱动力-行驶阻力平衡图分析汽车动力性的方法动力特性图（图解法）功率平衡图第1节汽车动力性指标1.最高车速uamax在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度（km/h）。2.加速时间t表示汽车的加速能力。常用：原地起步加速时间超车加速时间3.最大爬坡度imax汽车的上坡能力。以1档满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示。是极限爬坡能力。第2节汽车的驱动力与行驶阻力根据沿行驶方向作用于汽车的各种外力，可以计算汽车的最高车速、加速度、最大爬坡度。由力平衡关系得：Ft=ΣFFt—驱动力；ΣF—行驶阻力之和汽车行驶方程一、驱动力1.定义发动机产生的转矩，经传动系至驱动轮，转矩Tt对地面产生圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。2.表达式Ft=Tt/rr—车轮半径驱动轮转矩Tt与发动机转矩Ttq的关系为：故：riiTFtogtqt3、汽车的驱动力图发动机外特性确定的是发动机输出转矩和转速关系。经传动系到达车轮后，可表示为驱动力与车速间的关系。二、汽车的行驶阻力汽车行驶时的各种阻力：滚动阻力——以符号Ff表示；空气阻力——以符号Fw表示；坡度阻力——以符号Fi表示；加速阻力——以符号Fj表示；因此汽车行驶的总阻力为：∑F=Ff+Fw+Fi+Fj（一）滚动阻力可见滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，即单位汽车重力所需之推力，Ff=Wf＝Tf/r。驱动轮：FX2=Ft－Ff可见滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，即单位汽车重力所需之推力，Ff=Wf＝Tf/r。驱动轮：由驱动轮的力矩平衡得FX2r=Tt－Tf故FX2=Ft－Ff滚动阻力系数由试验确定。滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。（二）空气阻力汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力分为压力阻力（一般轿车占91％）与摩擦阻力（9％）两部分。压力阻力又分为四部分：形状阻力（58％）、干扰阻力（14％）、内循环阻力（12％）和诱导阻力（7％）。空气阻力:15.212aDwAuCF（三）坡度阻力当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力Fi，Fi=Gsinα其中，G—作用于汽车上的重力（N），G=mg，m为汽车质量（kg），g为重力加速度。一般路面上坡度较小，此时Fi=Gsinα≈Gtgα=Gi由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力，且均与汽车重力成正比，故可把这两种阻力合在一起称作道路阻力，以Fψ表示，即Fψ=Ff+Fi=fGcosα+Gsinα，当α不大时，cosα≈1，sinα≈i，Fψ=Gf+Gi=G(f+i)，令f+i=ψ，ψ称为道路阻力系数Fψ=Gψ。(四)加速阻力汽车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部分。把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，并以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量换算系数，因而汽车加速时的阻力:δ——汽车旋转质量换算系数，（δ1）；m——汽车质量，单位为kg；——行驶加速度。jduFmdtdtdu第3节汽车驱动力—行驶阻力平衡图与动力特性图一、汽车行驶方程式根据上面逐项分析的汽车行驶阻力，可以得到汽车的行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj或：为清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系，一般是将汽车行驶方程式用图解法来进行分析。即在汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也算出并画上，作出汽车驱动力-行驶阻力平衡图，并以此来确定汽车的动力性。dtdumGiuACGfriiTaDTgtq2015.21汽车驱动力-行驶阻力平衡图表征不同车速时驱动力和行驶阻力之间的关系。特征点：最高车速，仅有滚动阻力和空气阻力。小于最高车速时，汽车可用剩余驱动力加速或爬坡。需等速行驶时，发动机可工作在部分负荷特性。1.汽车加速能力的评价在水平良好路面上行驶时能产生的加速度：不易测量。加速时间：用直接档行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或80%umax所需时间。汽车加速度：再利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图可计算出各档节气门全开时的加速度曲线。高档位时的加速度要小些。由加速度图可求得从某一车速u1加速至另一较高车速u2所需的时间。)]([1wftFFFmdtdu因：dt=du/a，故加速时间由积分计算或图解积分求出。Aduadttuut21102.汽车爬坡能力的确定在良好路面上克服Ff+Fw后用来克服坡度阻力时所能爬上的坡度。此时，du/dt=0，即Fi=Ft-(Ff+Fw)以Gsinα作为坡度阻力，代入表达式，得：GFFFwft)(arcsin二、动力特性图动力因数：将汽车行驶方程除以汽车重力，定义：汽车在各档下的动力因数与车速的关系曲线称为动力特性图。可以此图分析汽车动力性。D曲线与f曲线间的距离表示汽车的上坡能力。gdtduDGFFwt第4节汽车行驶的驱动-附着条件与汽车的附着力一、汽车行驶的驱动附着条件Fφ≥Ft≥Ff+Fw+Fi三、汽车的附着力与地面反作用力汽车的附着力决定于附着系数和地面作用于驱动轮的法向反作用力。1.附着系数由路面种类、状况、车速等决定。平均值：良好的混凝土或沥青路面：干燥时，φ＝0.7~0.8潮湿时，φ＝0.5~0.6土路：干燥时，φ＝0.5~0.6潮湿时，φ＝0.2~0.42.驱动轮地面法向反作用力与汽车的总体布置、车身形状、行驶状况、道路坡度有关。若不计旋转质量惯性阻力偶矩和滚动阻力偶矩，汽车前、后轮上的地面法向反作用力为：dtduLhgGFFFgZwZsZ111dtduLhgGFFFgZwZsZ222四、附着率汽车直线行驶状况下，充分发挥驱动力作用时要求的最低附着系数。第5节汽车的功率平衡汽车行驶方程式两边乘以行驶车速ua，经单位换算整理出汽车功率平衡方程式（单位为kw）汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi、空气阻力功率Pw、加速阻力功率Pj。发动机功率Pe、汽车常遇到的阻力功率与车速的关系曲线——汽车功率平衡图dtdumuAuCGiuGfuPaaDaaTe3600761403600360013wfTPP1对应的部分节气门开度的发动机功率曲线为虚线，而发动机能发出的功率为，二者之差可用于加速或爬坡，故称为汽车的后备功率。acabbcacPPPwfTe1后备功率越大，汽车动力性越好后备功率越大，汽车经济性越差（发动机负荷率低，燃油消耗量高）紧凑型轿车各档位的后备功率第二章汽车的燃油经济性在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，称作汽车的燃油经济性。基本概念:汽车燃油经济性的评价指标汽车燃油经济性的计算重点内容:等速行驶汽车燃油经济性的计算影响汽车燃油经济性的因素第1节汽车燃油经济性的评价指标汽车的燃油经济性常用一定运动工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。一、等速行驶百公里燃油消耗量常用的一种评价指标，指汽车在额定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。常测出每隔10km/h或20km/h速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连成曲线，称为等速百公里燃油消耗量曲线，用来评价汽车的燃油经济性。汽车等速百公里燃油消耗量曲线二、循环行驶工况百公里燃油消耗量欧洲经济委员会及我国法定的测定燃油经济性的循环行驶工况图循环工况规定了车速—时间行驶规范，例如，何时换挡、何时制动以及行车的速度和加速度等数值。因此在路上试验比较困难，一般多规定在室内汽车底盘测功机(转鼓试验台)上进行测试。美国法定的测定燃油经济性的循环行驶工况图三、综合燃油消耗量欧洲经济委员会（ECE）规定，要测量车速为90km/h和120km/h的等速百公里燃油消耗量和按ECE-R.15循环工况的百公里燃油消耗量，并各取1/3相加作为混合百公里燃油消耗量来评定汽车燃油经济性。美国环境保护局(EPA)规定．要测量城市循环工况（UDDS）及公路循环工况（HWFET）的燃油经济性（单位为每加仑燃油汽车行驶英里数mile/gal），并按下式计算综合燃油经济性：公路循环燃油经济性城市循环燃油经济性综合燃油经济性45.055.01第2节汽车燃油经济性的计算1、等速行驶工况燃油消耗量的计算b——燃油消耗率，单位为g/(kW·h）——燃油的密度（kg/L）g——重力加速度（m/s）整个等速过程行经s的燃油消耗量Q为（mL）gPbQt1.367guPbsQa102折算成等速百公里燃油消耗量为2.等加速行驶工况燃油消耗量的计算3.等减速行驶工况燃油消耗量的计算4.怠速停车时的燃油消耗量5.整个循环工况的百公里燃油消耗量guPbQas02.1一、使用方面（一）行驶车速由发动机外特性曲线可知,汽车在接近于低速的中等车速时燃油消耗量最低，高速时随车速增加而迅速增加。这是因为在高速行驶时，虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力增加很大而导致百公里油耗增加的缘故。第3节影响汽车燃油经济性的因素（二）档位选择在同一道路条件与车速下,虽然发动机发出的功率相同，但档位愈低，后备功率愈大，发动机的负荷率愈低，燃油消耗率愈高，百公里燃油消耗量就愈大，而使用高档时的情况则相反。（三）挂车的应用（四）正确地保养与调整汽车的调整与保养会影响到发动机的性能与汽车行驶阻力,所以对百公里油耗有相当的影响。二、汽车结构方面汽车结构因素对提高燃油经济性的作用19851990减小整车尺寸35％30%采用轻材料15％20%提高发动机效率15％15％减小空气阻力10%10%改进传动系统10%10%减小滚动阻力5%5%其他10%10%合计100%100%第三章汽车动力装置参数的选定汽车动力装置参数：指发动机的功率、传动系的传动比。它们对汽车的动力性与燃油经济性有很大影响。基本内容：发动机功率的选择最小传动比的选择最大传动比的选择变速器挡数与各挡传动比的选择难点：利用燃油经济性——加速时间曲线确定动力装置参数第1节发动机功率的选择若给出了期望的最高车速，选择的发动机功率应大体等于但不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和，即：(1)3maxmax7614036001aDaTeuACuGfP在实际工作中，利用汽车比功率是单位汽车总质量具有的发动机功率，比功率的常用单位为kW/t，可由下式求得汽车比功率为3maxmax14.766.31000aTDaTeumACufgmP第2节最小传动比的选择主减速比的选择1.最高车速uamaxi0=4.62时，阻力功率曲线正好与发动机功率曲线2交在其最大功率点上。若相当发动机最大功率时的车速称为up，则有uamax2=up2，此时uamax2=89km/h。2、在选定最小传动比时，要考虑到最高档行驶时汽车应有足够的动力性能，即应有足够的最高档动力因数D0max。最小传动比itmin即一般汽车的i0与D0max有如下关系最小传动比还受到驾驶性能的限制驾驶性能是包括平稳性在内的加速性，指动力装置的转矩响应、噪声和振动。由驾驶员通过主观评价来确定。GuACriTDatDTtq20maxmax015.21第3节最大传动比的选择确定最大传动比时，要考虑三方