同济大学《汽车理论》第二章 汽车的动力性

第二章汽车的动力性同济大学汽车学院朱西产教授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。本章将介绍汽车动力性的评价指标，汽车的驱动力、行驶阻力、动力因数、附着力等；介绍动力性指标的确定方法；功率平衡等。第二章汽车的动力性思考按照对汽车动力性的基本定义，如何评价汽车的动力性？从哪几方面评价会比较全面？不同车型对动力性的要求是否相同？第二章汽车的动力性第一节汽车的动力性指标第一节汽车的动力性指标1.最高车速uamax重型货车（总质量14t）90km/h中型货车（总质量6～14t）100km/h微型和轻型货车（总质量6t）80～130km/h城市铰接客车60～90km/h客车125km/h商用车的速度相对较低，其主要技术参数是载质量或载客量。微型（经济型）轿车（发动排量/L≤1.0）奥拓0.8120km/h吉利1.0120km/h夏利1.0137km/h奇瑞QQ0.8130km/h普及（紧凑）型轿车（1.0＜发动排量/L≤1.6）吉利1.3155km/h夏利1.3165km/h羚羊1.3168km/h西耶那1.5168km/h赛欧1.6165km/h波罗1.4172km/h富康1.6180km/h捷达1.6170km/h飞度1.3手动165km/h飞度1.3CVT160km/h飞度1.5手动180km/h飞度1.5CVT175km/h从这组数据能获取什么信息？第一节汽车的动力性指标中高级轿车2.5＜发动机排量/L≤4.0凯迪拉克赛威2.8201km/h奥迪A6L2.8235km/h宝马530i250km/h奔驰E280250km/h高级轿车红旗CA7460185km/h奔驰S600(5.8L)250km/h宝马760250km/h宾利雅致(6.8L)270km/h迈巴赫(5.5L)250km/h劳斯莱斯幻影(6.7L)240km/h第一节汽车的动力性指标中级轿车（1.6＜发动机排量/L≤2.5）普桑1.8150km/h桑塔纳30001.8185km/h宝来1.8手动206km/h宝来1.8T手动221km/h宝马318i214km/h蒙迪欧2.0205km/h本田雅阁2.0197km/h本田雅阁2.4219km/h奥迪A41.8T220km/h奥迪A42.0230km/h第一节汽车的动力性指标跑车的最高车速第一节汽车的动力性指标跑车的最高车速第一节汽车的动力性指标跑车的最高车速思考汽车的最高车速这么高，在高速公路上可以得到充分发挥吗？中国高速公路允许的最高车速120km/h德国高速公路不限速第一节汽车的动力性指标SUV的最高车速宝马X5(4.4L)230km/h陆虎览胜(4.0L)210km/h宝马X5(3.0L)202km/h大众途锐(3.0L)197km/h捍马H2(6.0L)180km/h帕杰罗速跑(3.0L)175km/h对最高车速的总结通过以上数据的对比分析，能得到一些什么结论？思考查阅资料：F1方程式赛车的最高车速可以达到多少？发动机排量越大，汽车最高车速越高；配置相同发动机的前提下，手动挡比自动挡车速更高；发动机排量相同的前提下，车身越小，最高车速越高；SUV配备的发动机排量普遍较大，但与配备相同发动机排量的轿车相比，最高车速要低。第一节汽车的动力性指标现今内燃机汽车的最高车速记录为660km/h，由塞默兄弟在1965年11月创造。世界上车速的最高记录是英国飞行员安迪·格林（AndyGreen）在美国内华达州西北的盐湖上，于1997年10月驾驶一辆喷气式发动机驱动的“冲刺”号汽车创造的，车速第一次超过了声速，达到1227.73km/h。第一节汽车的动力性指标2.加速时间t飞度1.5L12.0s红旗CA746010.5s捍马H210.0s宝马523Li9.6s奥迪A87.0s宝马7506.6s奔驰S6006.5s宝来1.8M（手动挡）/A（自动挡）11.1s/12.7s宝来1.8TM（手动挡）/A（自动挡）9.0s/10.5s手动挡汽车的加速时间更短法拉利575MMaranello4.2s宝时捷9113.9s兰博基尼Gallardo4.2s第一节汽车的动力性指标（1）原地起步加速时间1）0～100km/h的加速时间2）静止到400m或静止到1km的冲刺时间60～100km/h（4挡/5挡）10.8s/13.7s80～120km/h（4挡/5挡）10.6s/14.1s思考：从这组数据可得到什么信息？第一节汽车的动力性指标奥迪A61.8T静止到400m冲刺时间7.9s静止到1km冲刺时间33.4s在一般的技术参数中往往不给此项数据（2）超车加速时间宝马520i低挡的超车加速能力更强。tanhiSsh坡度的概念货车满载imax=30％越野车imax=60％车型最大爬坡度imax切诺基30％通用开拓者50％长丰猎豹70％帕杰罗70％陆虎100％陆地巡洋舰100％一些SUV车型的最大爬坡度第一节汽车的动力性指标3.最大爬坡度imax第一节汽车的动力性指标美国对轿车的爬坡能力有如下规定：能以104km/h（65mile/h）通过6％的坡道；满载时不低于80km/h；在6％的坡道上，0～96km/h（60mile/h）的加速时间不应大于20s。第二章汽车的动力性本节重点计算并分析汽车行驶过程中的驱动力和行驶阻力。第二节汽车的驱动力与行驶阻力TtF0Ftrua第二节汽车的驱动力与行驶阻力一、驱动力Ft驱动力Ft：发动机产生的转矩经传动系传到驱动轮，产生驱动力矩Tt，驱动轮在Tt的作用下给地面作用一圆周力F0，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。TtF0Ftrtqg0TtTiiFrrTFttttqg0TTTiiuaTt—驱动力矩；Ttq—发动机转矩；第二节汽车的驱动力与行驶阻力一、驱动力Ftig—变速器传动比；i0—主减速器传动比；ηT—传动系的机械效率。riiTFT0gtqt能否解释为什么汽车低挡的加速能力好于高挡？思考Ft与发动机转矩Ttq、变速器传动比ig、主减速器传动比i0、传动系的机械效率ηT和车轮半径r等因素有关。第二节汽车的驱动力与行驶阻力由可知驱动力和车速都与发动机特性有直接关系，可以通过发动机特性曲线找出驱动力与车速之间的关系。发动机uaFt计算驱动力是为了确定汽车的动力性指标，也即要找出驱动力和车速的关系。第二节汽车的驱动力与行驶阻力发动机的转速特性，即Pe、Ttq、b=f（n）关系曲线。节气门开启程度的不同外特性曲线部分负荷特性曲线思考计算汽车动力性指标时，需要用什么特性曲线？1.发动机的转速特性第二节汽车的驱动力与行驶阻力9550tqenTP第二节汽车的驱动力与行驶阻力发动机转速特性曲线第二节汽车的驱动力与行驶阻力第二节汽车的驱动力与行驶阻力带上全部附件设备时的发动机特性曲线，称为使用外特性曲线。一般，使用外特性与外特性相比：汽油机的最大功率约小15%；货车柴油机的最大功率约小5%；轿车与轻型货车柴油机的最大功率约小10%。宝来轿车发动机的基本参数如下：水冷，直列四缸，每缸五气门最大功率110kW/5700r/min最大转矩210N·m/1750～4600r/min缸径×行程81mm×86.4mm压缩比9.3:1思考宝来轿车发动机的转矩输出特性是否理想？为什么？汽车起步加速时，过早换入高挡（即发动机转速较低时即换入高挡)是否有利于其加速性？发动机最大转矩对应的转速较低好还是较高好？第二节汽车的驱动力与行驶阻力inTinTPPP等速行驶时einPPeTeTeT1PPPPPPT－传动系损失的功率。Pin—输入传动系的功率；第二节汽车的驱动力与行驶阻力2.传动系的机械效率ηT转速机械损失液力损失转矩齿轮对数过低，热容量小过高，搅油损失大油面高度温度润滑油品质直接挡ηT最高ηT高损失小齿轮对数少ηT高损失的比重小损失大Ttq大传动系损失的功率PT主要与哪些因素有关？第二节汽车的驱动力与行驶阻力PT思考传动系效率曲线第二节汽车的驱动力与行驶阻力挡挡1—1200r/min2—1600r/min3—1900r/min4—2000r/min部件名称ηT4～6挡变速器95%辅助变速器（副变速器或分动器）95%8挡以上变速器90%单级减速主减速器96%双级减速主减速器92%传动轴的万向节98%第二节汽车的驱动力与行驶阻力表1-1传动系各部件的传动效率自由半径：车轮处于无载时的半径。静力半径rs：汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面间的距离。滚动半径rr：车轮几何中心到速度瞬心的距离。第二节汽车的驱动力与行驶阻力3.车轮半径riiTFT0gtqt0ga377.0iinru做出的Ft-ua关系图，即驱动力图。依据下面两式以及发动机外特性曲线第二节汽车的驱动力与行驶阻力4.汽车的驱动力图nminntqnpnmaxn/(r·min-1)800330057006200Ttq/(N·m)142195159143ig1=2.13Ft1/N5438746860895477ua1/(km·h-1)7.129.250.554.9例：已知奥迪A4轿车发动机的数据（如下表所示），ig1=2.13，i0=6.333，r=0.317m，ηT=0.90，由和可以对应计算出1挡的Ft1和ua1。riiTFT0gtqtag00.377nruii第二节汽车的驱动力与行驶阻力0100020003000400050006000700080000102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320ua/(km/h)Ft/NFt1Ft2Ft3Ft4Ft5Ft6奥迪A4轿车驱动力图1a/(kmh)u1tF2tF3tF4tF5tF第二节汽车的驱动力与行驶阻力jiwfFFFFF滚动阻力Ff第二节汽车的驱动力与行驶阻力二、汽车的行驶阻力汽车在行驶过程中将会遇到哪些行驶阻力？如何保证汽车可以加速或爬坡？空气阻力Fw坡度阻力Fi加速阻力Fj汽车行驶总阻力思考1.滚动阻力Ff第二节汽车的驱动力与行驶阻力GfFf2.空气阻力FW第二节汽车的驱动力与行驶阻力221rDwuACF15.212aDwAuCFisinFG汽车重力沿坡道的分力。第二节汽车的驱动力与行驶阻力3.坡度阻力Fi路面imax高速公路平原微丘区3%高速公路山岭重丘区5%一级汽车专用公路平原微丘区5%一级汽车专用公路平原重丘区6%四级公路平原微丘区6%四级公路平原重丘区9%一般道路的坡度均较小。一些常见路面的坡度第二节汽车的驱动力与行驶阻力itansinGiGGFtansini第二节汽车的驱动力与行驶阻力道路阻力cosψ()FGfGiGfiψfiFFFsincosGGf第二节汽车的驱动力与行驶阻力滚动阻力和坡度阻力之和。一般道路较小，≈1，≈i令f+i=ψ，ψ为道路阻力系数ψFGsin平移质量的惯性力旋转质量的惯性力偶矩第二节汽车的驱动力与行驶阻力汽车加速行驶时，克服其质量加速运动时的惯性力。tumFddj22fg0Tw22111IiiImrmrδ—旋转质量换算系数IW—车轮转动惯量；If—飞轮转动惯量。4.加速阻力第二节汽车的驱动力与行驶阻力挡位不同，δ值不同总质量越小的车，旋转质量换算系数值越大。第二节汽车的驱动力与行驶阻力总质量不同，δ值不同tfwijFFFFFcos1tqg0T2Dadcossin21.15dTiiCAuGfuGmrttqg0T2Dad21.15dTiiCAuGfuGimrtsintani第二节汽车的驱动力与行驶阻力三、汽车行驶方程式20gf2w2212121ruiiIruImuE汽车受到外力的功率为PuF