汽車動力學

1、汽車動力學,第一章 汽車動力性,汽車的動力性： 汽車在良好路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的，所能達到的平均行駛速度?；靖拍睿?動力性的評價指標 汽車的驅動力與各種行駛阻力 汽車行駛的驅動—附著條件重點內容：

2、 驅動力-行駛阻力平衡圖 分析汽車動力性的方法 動力特性圖 （圖解法） 功率平衡圖,第1節(jié) 汽車動力性指標,從獲取盡可能高的平均速度考慮，動

3、力性指標有：最高車速加速時間最大爬坡度 1.最高車速uamax 在水平良好的路面上汽車能達到的最高行駛速度（km/h）。 2.加速時間t 表示汽車的加速能力。常用：原地起步加速時間：汽車以1檔或2檔起步，并以最大加速強度換至最高檔后達到某一距離（0 402.5m或0 400m）或車速（0 96.6km/h或0 100km/h

4、）所需要的時間（s）。,,,,,超車加速時間：用最高檔或次高檔由某一較低車速（30km/h或40km/h）全力加速至某一高速所需時間（s）。 如：部分轎車的原地起步加速過程曲線,3.最大爬坡度imax 汽車的上坡能力。以1檔滿載時汽車在良好路面上的最大爬坡度表示。是極限爬坡能力。轎車：一般不強調貨車： imax =30%（約16.5°）越野汽車：imax =60%

5、 有時也以汽車在一定坡道上必須達到的車速來表示爬坡能力。如：美國對轎車爬坡要求，能以104 km/h車速通過6%的坡道。,第2節(jié) 汽車的驅動力與行駛阻力,根據沿行駛方向作用于汽車的各種外力，可以計算汽車的最高車速、加速度、最大爬坡度。由力平衡關系得： Ft=ΣF Ft—驅動力； ΣF—行駛阻力之和 汽車行駛方程,一、驅動力,1.定義 發(fā)動機產生

6、的轉矩，經傳動系至驅動輪，轉矩Tt對地面產生圓周力Fo，地面對驅動輪的反作用力Ft即為驅動力。,2.表達式 Ft =Tt /r r—車輪半徑 驅動輪轉矩Tt與發(fā)動機轉矩Ttq的關系為： 故：,3.表達式涉及的幾項具體內容 1）發(fā)動機轉速特性 發(fā)動機的功率Pe、轉矩Tqt及燃油消耗率b與曲軸轉速n之間的函數關系。用試驗曲線或擬合多項式表達。,發(fā)動

7、機外特性曲線：發(fā)動機節(jié)氣門置于全開位置發(fā)動機部分負荷特性曲線：發(fā)動機節(jié)氣門置于部分開啟位置 臺架試驗特性曲線：發(fā)動機臺架試驗時所獲得的曲線。 使用外特性曲線：帶上全部附件時的外特性。與臺架試驗特性相差5~15%。,2）傳動系機械效率 傳動系各部件（變速器、萬向節(jié)、主減速器）的摩擦導致的功率損失。由試驗測得。 汽車各部件的傳動效率

8、 機械變速器的轎車： ηT =0.9~0.92 貨車、客車： ηT =0.82~0.85,3）車輪半徑三個半徑自由半徑 車輪處于無載荷時的半徑。靜力半徑 rs 汽車靜止時，車輪中心至輪胎與地面接觸面間的距離。用作動力學分析。滾動半徑 rr 通過車輪轉動圈數與實際車輪滾動距離之間的關系換算所得得半徑。用作運動學分析。

9、 一般可不計差別： rs≈ rr ≈ r,4）汽車的驅動力圖 發(fā)動機外特性確定的是發(fā)動機輸出轉矩和轉速關系。經傳動系到達車輪后，可表示為驅動力與車速間的關系。,由式（1）得各檔位的Ft值。 發(fā)動機轉速n與汽車行駛速度ua間的關系單位 ua: km/h n: r/min r: m,二、汽車的行駛

10、阻力,汽車行駛時的各種阻力：滾動阻力——以符號Ff表示；空氣阻力——以符號Fw表示；坡度阻力——以符號Fi表示；加速阻力——以符號Fj表示； 因此汽車行駛的總阻力為： ∑F=Ff+Fw+Fi+Fj,（一）滾動阻力 1.組成輪胎與路面接觸區(qū)域產生的法向、切向相互作用力,輪胎和支承路面的變形 輪胎在硬路面上滾動時，主要是輪胎變形。 輪胎在硬支

11、承路面上受徑向力時的加載和減載曲線不重合。其面積之差為能量損失，由輪胎內摩擦產生彈性遲滯損失。 遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪滾動的阻力偶。,2. 滾動阻力偶分析車輪不滾動：地面對車輪的法向反作用力對稱。車輪滾動：處于前部d點的地面法向反力（CF）大于處于恢復的后部d’點地面反力（DF），合力Fz前移距離a，與法向載荷W不重合。,滾動阻力偶矩Tf=Fza從動輪：欲使從動輪在硬路面上等速滾動，必須在車輪中心加一推力Fp1，根

12、據力矩平衡，若令 f=a/r，可將Fp1值寫作Fp1= Wf 或 f = Fp1 /W, f 稱為滾動阻力系數。,可見滾動阻力系數是車輪在一定條件下滾動時所需之推力與車輪負荷之比，即單位汽車重力所需之推力，F(xiàn)f=Wf ＝Tf /r。驅動輪：由驅動輪的力矩平衡得,FX2r = Tt－Tf 故 FX2 = Ft－Ff其中， FX2為驅動力矩所引起得道路對車輪的切向反作用力。即實際作用在驅動輪上的切向力為驅動力減滾動

13、阻力。 滾動阻力系數由試驗確定。滾動阻力系數與路面的種類、行駛車速以及輪胎的構造、材料、氣壓等有關 。,（二）空氣阻力 汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力?？諝庾枇Ψ譃閴毫ψ枇Γㄒ话戕I車占91％）與摩擦阻力（9％）兩部分。壓力阻力又分為四部分：形狀阻力（58％）、干擾阻力（14％）、內循環(huán)阻力（12％）和誘導阻力（7％）。 空氣阻力:

14、 或 其中，ua—汽車車速（km/h），A—迎風面積（m²），CD—空氣阻力系數。故降低CD值是降低空氣阻力的主要手段，措施有：,（1）車身前部：發(fā)動機蓋下傾，圓柱狀棱角，減少凸出物。 （2）整車：車身前傾1～2，前端半圓、后收、鼓腰。 （3）汽車后部：艙背式或直背式好，加擾流板；如為折背式，用鴨尾式結構。

15、 （4）車身底部：下平面盡量平整。 （5）發(fā)動機冷卻進風系統(tǒng)：仔細選擇進出風口位置。,（三）坡度阻力 當汽車上坡行駛時，爬坡演示汽車重力沿坡道的分力表現(xiàn)為汽車坡度阻力Fi，F(xiàn)i=Gsinα 其中，G—作用于汽車上的重力（N），G=mg，m為汽車質量（kg），g為重力加速度。 一般路面上坡度較小，此時 Fi=Gsinα≈ Gtgα =Gi

16、 由于坡度阻力與滾動阻力均屬于與道路有關的阻力，且均與汽車重力成正比，故可把這兩種阻力合在一起稱作道路阻力，以Fψ表示，即Fψ= Ff+Fi= fGcosα+Gsinα，當α不大時，cosα≈1，sinα≈i，F(xiàn)ψ=Gf+Gi=G(f+i)，令f+i=ψ，ψ稱為道路阻力系數Fψ=Gψ。,(四) 加速阻力 汽車的質量分為平移的質量和旋轉的質量兩部分。把旋轉質量的慣性力偶矩轉化為平移質量

17、的慣性力，并以系數δ作為計入旋轉質量慣性力偶矩后的汽車質量換算系數， 因而汽車加速時的阻力: δ ——汽車旋轉質量換算系數，（δ>1）； m ——汽車質量，單位為kg； ——行駛加速度。,δ主要與飛輪的轉動慣量、車輪的轉動慣量以及傳動系的傳動比有關。 根據推導 若不知道準確的If、∑Iw值，也可按下述經驗公式估算δ值： δ=

18、1+δ1+δ2i2g 式中δ1≈δ2=0.03~0.05。 故，汽車的行駛方程式為： Ft=Ff+Fw+Fi+Fj,第3節(jié) 汽車驅動力—行駛阻力平衡圖與動力特性圖,一、汽車行駛方程式 根據上面逐項分析的汽車行駛阻力，可以得到汽車的行駛方程式為：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj或： 為清晰而形象地表明汽車行駛時的受力情況

19、及其平衡關系，一般是將汽車行駛方程式用圖解法來進行分析。即在汽車驅動力圖上把汽車行駛中經常遇到的滾動阻力和空氣阻力也算出并畫上，作出汽車驅動力-行駛阻力平衡圖，并以此來確定汽車的動力性。,超速演示,汽車驅動力-行駛阻力平衡圖 表征不同車速時驅動力和行駛阻力之間的關系。特征點：最高車速，僅有滾動阻力和空氣阻力。 小于最高車速時，汽車可用剩余驅動力加速或爬坡。

20、 需等速行駛時，發(fā)動機可工作在部分負荷特性。,1. 汽車加速能力的評價在水平良好路面上行駛時能產生的加速度：不易測量。加速時間：用直接檔行駛時，由最低穩(wěn)定速度加速到一定距離或80% umax所需時間。,汽車加速度： 再利用汽車驅動力-行駛阻力平衡圖可計算出各檔節(jié)氣門全開時的加速度曲線。高檔位時的加速度要小些。 由加速度圖可求得從某一車速u1加速至另一較高車速u2所需的時間。,因：dt=du/a

21、，故 加速時間由積分計算或圖解積分求出。 用圖解積分法時，將a-ua曲線轉為1/a-ua曲線，曲線下兩個速度區(qū)間的面積表示通過此速度區(qū)間的加速時間；常將速度區(qū)間分為若干間隔，通過確定面積△1、△2…來計算總加速時間。,BJ1040輕型載貨汽車加速時間曲線,2. 汽車爬坡能力的確定 在良好路面上克服Ff+Fw后用來克服坡度阻力時所能爬

22、上的坡度。此時，du/dt=0，即 Fi = Ft - ( Ff + Fw ),以Gsinα作為坡度阻力，代入表達式，得： 利用驅動力-行駛阻力平衡圖，可求出汽車能爬上的坡道角。最大爬坡度imax為1檔時的最大爬坡度，對貨車尤其重要。,緊湊型轎車的爬坡度曲線,二、動力特性圖,動力因數 將汽車行駛方程除以汽車重力，定義：,汽車在各檔下的動力因數與車速的關系曲線稱為動力特性圖?？梢源藞D分析

23、汽車動力性。 如du/dt=0， 則 D =ψ= f + i D曲線與f曲線間的距離表示汽車的上坡能力。,第4節(jié) 汽車行駛的驅動-附著條件與汽車的附著力,一、汽車行駛的驅動條件 Ft≥Ff+Fw+Fi 上式為汽車的驅動條件，可以采用增加發(fā)動機轉矩、加大傳動比等

24、措施來增大汽車驅動力。汽車行駛除受驅動條件制約外，還受輪胎與地面附著條件的限制。二、汽車行駛的附著條件 地面對輪胎切向反作用力的極限值稱為附著力Fφ，在硬路面上與驅動輪法向反作用力FZ成正比，常寫成 FXmax= Fφ = FZ·φ其中， FZ—作用于所有驅動輪上的地面法向反作用力； φ—附著系數，由路面和輪胎決定。,由作用在驅動

25、輪上的轉矩產生的地面切向反作用不能大于附著力，否則會發(fā)生驅動輪滑轉，即： Ft≤ FZ ·φ 對后輪驅動汽車： FX2/ FZ2 = Cφ2 ? φ，式中， Cφ2——后輪驅動汽車驅動輪的附著率 對前輪驅動汽車，前輪驅動的附著率也不能大于地面附著系數。 將驅動條件

26、和附著條件連起來，有： Ff+Fw+Fi≤Ft≤FZ·φ 此即汽車行駛的必要與充分條件，稱為汽車行駛的驅動-附著條件。,三、汽車的附著力與地面反作用力,汽車的附著力決定于附著系數和地面作用于驅動輪的法向反作用力。 1. 附著系數 由路面種類、狀況、車速等決定。平均值：良好的混凝土或瀝青路面：

27、 干燥時，φ＝0.7~0.8 潮濕時，φ＝0.5~0.6土路：干燥時，φ＝0.5~0.6 潮濕時，φ＝0.2~0.4 2. 驅動輪地面法向反作用力 與汽車的總體布置、車身形狀、行駛狀況、道路坡度有關。,G：汽車重力；Tf1、Tf2：作用在前、后輪上的滾動阻力偶矩；Tje：作用于橫置發(fā)動機飛輪上的慣性阻力偶矩

28、；Tjw1、Tjw2：作用于前、后輪上的慣性阻力偶矩；FZw1、FZw2：作用于車身并位于前后輪接地點上方的空氣升力；FZ1、FZ2：作用于前、后輪上的地面法向反作用力；FX1、FX2：作用于前、后輪上的地面切向反作用力。,汽車加速上坡時的受力圖,根據力矩平衡得作用于前、后輪上的地面法向反作用力FZ1、FZ2 。分析，由四個部分構成。 （1）靜態(tài)軸荷的法向反作用力：汽車重力分配到前后軸的分量產生。

29、 （2）動態(tài)分量：加速過程中產生的慣性力、慣性阻力偶矩產生。,（3）空氣升力：流經汽車頂部和底部的空氣流速不同產生。CLf、CLr：前、后空氣升力系數。 和 （4）滾動阻力偶矩產生的分量

30、 很小 若不計旋轉質量慣性阻力偶矩和滾動阻力偶矩，汽車前、后輪上的地面法向反作用力為：,三、作用在驅動輪上的地面切向反作用力,Gw1、Gw2：驅動輪、從動輪的重力；m1、m2：驅動輪、從動輪的質量；WB：車身重力；mB：車身質量； T’t：半軸作用于驅動輪的轉矩；,,Fp1、Fp2：驅動、從動軸作用于驅動輪、從動輪的平行于路面的力；Tf1、Tf2：作用在

31、前后輪上的滾動阻力矩偶；,Tjw1、Tjw2：作用在前后輪上的慣性阻力矩偶； FZ1、FZ2：作用在前后輪上的地面法向反作用力；FX1、FX2：作用在前后輪上的地面切向反作用力；,由從動輪受力圖： 由車身受力圖： 由驅動輪受力圖： 后輪驅動汽車，地面作用于驅動輪的切向反作用力則是將上式中的FX1改為FX2，F(xiàn)f1改為Ff2。,四、附著率,汽車

32、直線行駛狀況下，充分發(fā)揮驅動力作用時要求的最低附著系數。 1. 加速、上坡行駛時的附著率 加速、上坡時驅動輪發(fā)出的驅動力大，要求的附著系數大。前輪驅動汽車，驅動輪的附著率為 ，式中，q—包含加速阻力在內的等效坡度 后輪驅動汽車，驅動輪的附著率和q為,全輪驅動

33、汽車 前、后驅動力分配根據軸間差速器的結構確定。后軸轉矩分配系數對附著率有影響。質心位置也有影響。,前、后驅動輪的附著率一般不等。附著率大的驅動輪要求更大的地面附著系數。 前輪驅動、后輪驅動和四輪驅動汽車的等效坡度與地面附著系數的關系曲線。 可看出：后輪驅動汽車略超過前輪驅動。四輪驅動超過單軸驅動。,附著率曲線：達到相應加速度和爬坡度所要求的地面附著系數。,緊湊型轎車以1、2檔全

34、力加速時的附著率,緊湊型轎車以1、2檔全力爬坡時的附著率,2. 高速行駛時的附著率 在良好道路上高速行駛的汽車，坡度和加速度均較小。 隨車速增加，后輪的法向反作用力下降，切向反作用力與車速成平方關系增大，Cφ2隨車速提高急劇增大。一般車速下， Cφ2值較小。車速達250km/h、較高升力系數時， Cφ2＝0.57，接近瀝青路面附著系數。當車速達300km/h、中等升力系數時， C

35、φ2>0.74，路面不能滿足附著性能要求。,后輪驅動轎車驅動輪地面切向反作用力、法向反作用力、附著率與車速的關系曲線,第5節(jié) 汽車的功率平衡,汽車行駛時，不僅驅動力和行駛阻力互相平衡，發(fā)動機功率和汽車行駛的阻力功率也總是平衡的。即在汽車行駛的每一瞬間，發(fā)動機發(fā)出的功率始終等于機械傳動損失功率與全部運動阻力所消耗的功率。 將汽車行駛方程式兩邊乘以行駛車速ua，經單位換算整理出汽車功率平衡方程式（單位為kw）

36、 汽車運動所消耗的功率有滾動阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi 、空氣阻力功率Pw、加速阻力功率Pj。 發(fā)動機功率Pe、汽車常遇到的阻力功率 與車速的關系曲線——汽車功率平衡圖,阻力功率在低速時為斜直線，高速時斜率變大。 5檔時發(fā)動機功率曲線與阻力功率曲線的交點對應在良好路面上的最高車速。 汽車在良好路面上以u等速行駛

37、時，阻力功率為 ，,對應的部分節(jié)氣門開度的發(fā)動機功率曲線為虛線，而發(fā)動機能發(fā)出的功率為 ，二者之差可用于加速或爬坡，故稱 為汽車的后備功率。,一般情況下，汽車維持等速行駛所需要的發(fā)動機功率不大。當需要爬坡或加速時，加大節(jié)氣門開度，使汽車發(fā)出全部或部分功率。,后備功率越大，汽車動力性越好后備功率越大，汽車經濟性越差（發(fā)動機負荷率低，燃油消耗量高）,緊湊型轎車