汽车理论-第一章(排版).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 汽车的动力性,思路：,从分析汽车行驶时的受力出发，建立行驶方程式，并以,图表的形式确定汽车的动力性。,第一节 汽车的动力性指标,一、汽车的动力性,系指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。,（,汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性。所以，动力性是汽车各种性能中量基本、最重要的性能。）,二、动力性评价指标,1,汽车的,最高车速,：,最高车速是指在水平良好的路面,（,km/h,）,(,混凝土或沥青,),上汽车能达到的最,高行驶车速。,2,汽车的,加速时间,t:,表示汽车的加速能力,(,对平均行驶车速有很大影响,),原地起步加速时间,:,指汽车由,I,挡或,挡起步，并以最大的加速强度,(,包括选择恰当的换挡时机,),逐步换至最高挡后到某一预定的距离或车速所需的时间。,(,一般常用,0402.5m(01/4mile),或,0400m,的秒数来表明汽车原地起步加速能力；也有用,096.6km/h(060mile/h),或,0100km/h,所需的时间来表明起步加速能力的。,),超车加速时间,:,指用最高挡或次高挡由某一较低车速全力加速至某,一高速所需的时间。,(,一般用最高档或次高档由,30km/h,或,40km/h,全力加速行驶至某一高速所需的时间；,),图,1-1,是一些轿车的原地起步加速过程曲线,图,1-1,轿车原地起步加速过程,3.,最大爬坡度,:,汽车用满载,(,或某一载重质量,),时汽车在良,好路面上的最大爬坡度。,轿车,：一般不强调爬坡能力；它的,I,挡加速能力大，故爬坡能力也强。,货车,：一般在,30,即,16.7,左右。,越野车,：爬坡能力是一个很重要的指标，可达,60,即,31,左右。,说明,：代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道路最大坡度超出很多，为什么？,原因,这是因为应考虑到在实际坡道行驶时，在坡道上停车后顺利起步加速、克服松软坡道路面的,大阻力、克服坡道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求的缘故。,有时也以汽车在一定坡道上必须达到的车速来表明汽车的爬坡能力。,在,Timothy C,Moore,文章中规定美国新一代轿车的爬坡能力为：在,EPA,试验规定的质量下，应能以,104km,h,的车速通过,6,的坡道，而在满载时的车速则不能低于,80km,h,。,军用车辆的战术技术要求中，不一定包含车辆的最高车速，但常规定在一定坡道上车辆应达到的速度。,也有以一定坡道上汽车的加速时间来表明汽车加速性能的。,如,Timothy C,Moore,提出美国新一代轿车满载时，在,6,坡道上,096km,h,的加速时间不应大于,20s,。,汽车的动力性评价指标 由汽车行驶方程式求得,汽车的行驶方程式为,F,t,=F,一、汽车的驱动力（）,（如图,1-2,所示）,而,对于装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置的汽车，上式应计入相应的传动比和机械效率。因此驱动力为,（,1-1,）,第二节 汽车的驱动力与行驶阻力,针对式,(1-1),中的发动机转矩、传动系效率以及车轮半径作一些讨论，并最后给出汽车的驱动力图。,(,一,),发动机的转速特性,发动机转速特性曲线或发动机特性曲线,:,发动机的功率 转矩 以及燃油消耗率,b,与发动机曲轴转速,n,之间的函数关系曲线。,发动机外特性曲线：,发动机节气门全开,(,或高压油泵在最大供油量位,置,),的曲线。,发动机部分负荷特性曲线：,如果节气门部分开启,(,或部分供油,),时的,特性曲线。,图,1-3,为某汽油发动机外特性中的功率与转矩曲线。,功率（,kW,）与转矩（,Nm,）转速（,r/min,）,有如下关系,图,14,是汽车发动机外特性及部分负荷特性的功率,与转矩曲线。,图,15,是两种货车增压柴油机的外特性。,注,发动机制造厂提供的发动机特性曲线，有时是在试验台上,未带水泵、发电机等条件下测得的。,使用外特性曲线：,带上全部附件设备时的发动机特性曲线,。,图,1-3,汽油发动机外特性中,的功率与转矩曲线,图,1-6,是汽车发动机的,外特性,和,使用外特性,中的功率与转矩曲线。,一般汽油发动机使用外特性的最大,功率比外特性的最大功率约小,15,；,货车柴油机的使用外特性最大功率,约小,5,；,轿车与轻型汽车柴油机约小,10,。,日本,JIS,规定，,1985,年以后生产的,汽车均应给出净功率，即使用外特性功率。,还应指出，外特性台架试验是在发动机工况相对稳定，即保持水、机油温度于规定的数值，且在各个转速不变时来测量转矩与油耗数值的；而在实际使用中，发动机的工况常是不稳定的。,图,1-6 BJ,汽车发动机外特性和使用外特性中的功率与转矩曲线,例如：,在汽车,加速,时，发动机是在节气门开度迅速加大，曲轴转速连续由低升高的变化过程中工作的。发动机的热状况、可燃混合气的浓度等，与外特性台架试验时的,稳定工况,有差异。在加速过程的不稳定工况下，发动机所能提供的功率比稳定工况时要稍有下降，电喷汽油机比化油器汽油机要下降得更少些。,在进行动力性估算时，,般仍沿用稳态工况时发动机台架试验所得到的使用外特性中的功率与转矩曲线。,为了便于计算，常采用多项式来描述由试验台测得的发动机转矩曲线，即,式中：系数 ，,，可由最小二乘法来确定；,拟合阶数,k,随特性曲线而异，一般在,2,、,3,、,4,、,5,中选取。,如北京内燃机总厂生产的,492Q,发动机，试验测得的转矩特性为,可由如下五次多项式来表示：,转速,n(r,/min),1000 1500 2000 2500 3000 3500 3800 4000,转矩,T,tq,（,N.m,）,135.33 147.10 152.98 156.91 147.1 138.27 133.37 125.53,(,二,),传动系的机械效率,输入传动系的功率；,克服传动系摩擦而损耗的功率,则传动系的机械效率为,在等速行驶情况下，,故,传动系的功率损失 由传动系中的部件,变速器、传动,轴万向节、主减速器,等的功率损失所组成。其中变速器和主,减速器的功率损失占比重最大，其余部件的功率损失较小。,传动系功率损失类型：,机械损失：,是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失。,（机械损失与啮合齿轮的对数、传递的矩等因素有,关。）,液力损失,：液力损失指消耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件之间的表面摩擦等功率损失。（液力损失与,润滑油的品种、温度、箱体内的油面高度以及齿,轮等旋转零件的转速有关。）,传动系的效率是在专门的试验台上测得的。,图,1,-,7,解放牌,4t,载货汽车,CAl0B,变速器在,挡、,挡工作时的传动效率。,试验结果表明：,在,挡,(,直接挡,),工作时，啮合,的齿轮并没有传递转矩，因此比,挡超速挡,),时的传动效率要高。,同一挡位转矩增加时，润滑油,损失所占比例减少，传动效率较高。,转速低时搅油损失小，传动效率比,转速高时要高。,传动效率受多种因素的影响有,所变化，但对汽车进行动力性初步分析时，可看作,常数,。,图,1-7,解放牌,4t,载货汽车,CAl0B,变速器,在,挡、,挡工作时的传动效率。,采用有级机械变速器传动系的车辆,轿车,传动效率可取为,0.90.92,；,货车、客车,传动效率可取为,0.820.85,。,表,1-1,推荐的数值亦可用来估算整部汽车的传动效率。,表,1-1,为传动系各部件的传动效率,(,三,),车轮的半径,自由半径,车轮处于无载时的半径称,。,静力半径,汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面,间的距离,。,（由于径向载荷的作用，轮胎发生显著变形，所以静力半径小于自由半径。）,滚动半径 ：（,滚动半径由试验测得，也可以作近似估算。）,式中，,车轮转动的圈数；,S,在转动 圈时车轮滚动的距离。,欧洲轮胎与轮辋技术协会（,E.T.R.T.O.,）曾推荐用下式来计算滚动圆周,(,条件：,以上系指在最大载荷、规定气压与车速在,60km/h,时的滚动圆周,),式中，,d E.T.R.T.O.,会员生产轮胎的自由直径；,F,计算常数,子午胎,F=3.05,斜交胎,F=2.99,。,故滚动半径为,德国橡胶企业协会制定的,WdK,准则中，给出了在速度为,60km/h,时的轮胎滚动圆周长 ，并给出下式以计算不同车速 时的滚动周长 ，,(mm),式中，,应用范围：,静力半径,用于对汽车作动力学分析；,滚动半径,用于作运动学分析。,但一般常不计它们的差别，统称为车轮半径,r,，即认为,(,四,),汽车的驱动力图,1.,定义用根据发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线（）来全面表示汽车的驱动力，称为,-,2.,发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为,3.,获得驱动力图,设计中的汽车有了发动机的,外特性曲线、传动系的传动比、,传动效率、车轮半径等参数后，,即可用式,(1-1),求出各个挡位的,值，再根据式（,1-3,）求出 ，,即可求得各个挡位的 曲线。,图,1-8,是具有五挡变速器的,一货车驱动力图,（相应于发动机外特性时的）,二、汽车的行驶阻力,汽车行驶的总阻力为,(,一,),滚动阻力,1.,弹性物质迟滞损失与滚动阻力系数,车轮滚动时，,轮胎,与,路面,的接触区域产生,法向、切向,的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的,变形,（取决于轮胎和支承面的相对刚度）,。,一般情况下，当弹性轮胎在硬路面,(,混凝土路、沥青路,),上滚动时，,轮胎的变形,是主要的。此时由于轮胎有内部摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它作的功不能全部回收。,图,1-9,为,9.00-20,轮胎在硬支承路面上受,径向载荷时的变形曲线。,图中：,0CA,加载变形曲线；,ADE,卸载变形曲线；,OCABO,加载过程中对轮胎作的功；,ADEBA,卸载过程中轮胎恢复变形,时放出的功。,由图可知，两曲线并不重合，两,面积,之差,OCADEO,即为,加载,与,卸载,过程之,能量损失。此能量系消耗在轮胎各,组成部分相互间的摩擦以及橡胶、帘,线等物质的分子间,的摩擦，最后转化为热能而消失在大气中。这种损失称为,弹性物质的迟滞损失,。,实际上这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动,的一种,阻力偶,。,如图,1-10,所示：,车轮不滚动时,地面对车轮的法向反作用力的分布是前后对称的；,车轮滚动时,在法线,n-n,前后相对应点,d,和,d(,图,1-10a),变形虽然相同，但由于弹性迟滞现象，处于压缩过程的前部,d,点的地面法向反作用力就会大于处于恢复过程的后部,d,点的地面法向反作用力。,设取同一变形,，压缩时的受力为,CF,，恢复时受力为,DF,，而,CF,大于,DF,。这样，就使地面法向反作用力的分布前后并不对称，而使它们的合力 相对于法线,n-n,向前移了一个距离,a(,图,1-11a),，它随弹性迟滞损失的增大而变大。合力 与法向载荷,W,大小相等，方向相反。,如果将法向反作用力 平移至与通过车轮中心的垂线重合，则从动轮在硬路面上滚动时有,滚动阻力偶矩,阻碍车轮滚动,(,如图,1-11b),。,滚动阻力偶矩：,由图,1-11,可知，欲使从动轮在硬路上等速滚动，必须在车轮中心加,-,推力 ，它与地面切向反作用力构成一力偶矩来克服上述滚动阻力偶矩。,由平衡条件,(,对接地点取矩,),得,故 若令 ，且考虑到 与,的大小相等，,常将 写作 或,式中，称为,滚动阻力系数,。,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。,换言之，,滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积，即 （,1-3,）,且,这样，我们在分析汽车行驶阻力时，不必具体考虑车轮滚动时所受到的滚动阻力偶矩，而只要知道滚动阻力系数求出滚动阻力便可以了,(,当然，滚动阻力无法在真正的受力图上表现出来，它只是一个数值,),。这将有利于动力性分析的简化。,图,1-12,是,驱动轮,在硬路面上等速滚动时的受力图。,由平衡条件（车轮中心取矩）得：,将图,1-12,与图,1-2,相比较，,图,1-2,没有考虑滚动阻力而求得车轮驱动力 。,现在我们可以看出，真正作用在驱动轮上驱,动汽车行驶的力为地面切向反作用力 它的数值为驱动力 减去驱动轮上的滚动阻力 。所以，图,1-2,只是一种定义，驱动力 和滚动阻力一样，在受力图上，也是画不出来的。,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。表,1-2,给出了汽车在某些路面上以中、低速行驶时，滚动阻力系数的大致数值,。,2.,滚动阻力系数的影响因素,（,1,）行驶车速对滚动阻力系数的影响。,图,1-13a,说明，这两种轿车轮胎在车速,l00km,h,以下时，滚动阻力逐渐增加但变化不大；,在某一车速,(,如,140km,h),以上时增长较快。,车速达到某一临界车速,(,例如,200km,h),左右时，滚动阻力迅速增长，此时轮胎发生,驻波现象,，轮胎周缘不再是圆形而呈明显的波浪状。出现驻波后，不但滚动阻力显著增加，轮胎的温度也很快增加到,100,以上，胎面与轮胎帘布层脱落，几分钟内就会出现爆破现象，这对高速行驶的车辆是一件很危险的事情。,（,2,）轮胎的结构、帘线和橡胶的品种，对滚动阻力的影响,从图,1-13,中可看出，子午线轮胎的滚动阻力及滚动阻力系数较低。,（,3,）滚动阻力系数与充气压力的关系,图,1-13b,是几种不同轿车轮胎的,滚动阻力系数,随,车速,与,充气压力,变化的曲线。,可以看出，轮胎充气压力对,f,值影响很大。气压降低时，,f,值迅速增加，这是因为气压降低时，滚动的轮胎变形大，迟滞损失增加。,（,4,）驱动力系数对滚动阻力,系数的影响,（驱动状况下的轮胎，作用有驱动转矩，胎面,相 对于地面有一定程度的滑动，增加了轮胎滚,动 时的能量损耗。）,图,114,是由试验得到的滚动阻力,系数,(,包含胎面滑动损失,),与驱动力系,数的关系曲线。,驱动力系数,:,为驱动力与径向,载荷之比。,可以看出，随着驱动力系数的加大，,滚动阻力系数迅速增加；,从图中还可以看出，子午线轮胎的滚动阻力系数较小，驱动力系数变化对,它的影响也较小。,货车,轮胎的滚动阻力系数与车速的关系接近于直线，滚动阻力,系数的数值较小，车速对滚动阻力系数的影响也不大。,3.,轮胎滚动阻力系数的经验公式,货车（良好路面图,1-15a,给出了根据此式计算得到的滚动阻力系数，图上还有依据其他经验公式计算得到的滚动阻力系数值。,估算,轿车,轮胎在良好路面上的滚动阻力系数（推荐）,（,1-4,）,（德国布伦瑞克工业大学车辆研究所在直径,2m,的钢鼓试验台上进行了各种轮胎的滚动阻力系数测定工作）,图,1-15b,中是子午线轮胎滚动阻力系数 与车速关系曲线的范围。,SR,级,(,允许最高速度为,180km/h),、,HR,级,(,允许最高速度分别为,210km/h),VR,级,(,允许最高速度大于,210km/h),SRM+S,级,(,用于泥浆和积雪覆盖路面,),装有塑料防滑链的,SR,级轮胎,以式,(1-4),对转鼓上测得的各试验曲线进行拟合，求得式,(1-4),中的系数,的数值如下,：,可以利用表中的系数 与 的数值，粗略估计轮胎,(,在转鼓试验台上,),的滚动阻力系数 。,但是从图,1-15b,可以明显看出，,SR,级轮胎的试验数据是很分散的，所以对,SR,级轮胎的 值进行估算时，其可信度是较低的。,轮胎在,实际道路,上的滚动阻力系数 大于在,转鼓上,的滚动阻力系数。,则 在良好的沥青路面上 ；,在粗糙的水泥路面上 。,补充说明,在转弯行驶时，轮胎发生侧偏现象，,滚动阻力大幅度增加。图,1-16,画出了总质量,34.5t,的半挂车绕半径为,33m,的圆周行驶时，滚动阻力,增长的情况。试验表明，这种由于转弯行驶增加,的滚动阻力，已接近直线行驶时的,50,100,。,但在一般的动力性分析中，常不考虑由转弯增加,的阻力。,(,二,),空气阻力,定义,：,汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力,空气阻力分类：,压力阻力,：作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行,驶方向的分力（图,l-17,）；,摩擦阻力,：摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的,切向力的合力在行驶方向的分力。,压力阻力又分为四部分：,形状阻力,：,形状阻力占压力阻力的大部分；与车身主体形状有很大,关系；,干扰阻力,：,干扰阻力是车身表面突,起物,(,如后视镜、门把、,引水槽、悬架导向杆、,驱动轴等,),引起的阻力；,内循环阻力,：,发动机冷却系、车,身通风等所需空气流经,车体内部时构成的阻力；,诱导阻力,：,诱导阻力是空气升力在,水平方向的投影,。,一般轿车中，这几部分阻力的大致比例,：,形状阻力占,58,；干扰阻力占,14,；内循环阻力占,12,；,诱导阻力占,7,；摩擦阻力占,9,。,在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的的动压力 成正比例的形式，,即,式中，,空气阻力系数，（,一般讲应是雷诺数 的函数，在车,速较高、动压力较高而相应气体的粘性摩擦较小时，将不,随 而变化）；,空气密度，一般 ；,迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积,(),；,相对速度，在无风时即汽车的行驶速度,(,m/s,),。,本章只讨论无风条件下汽车的运动，即为汽车行驶速度 。如 以,km,h,、,A,以 计，,则空气阻力（,N,）,为,A,值受到乘坐使用空间的限制不易进一步减少，,所以降低 值是降低空气阻力的主要手段。,50-70,年代初，轿车 值维持在,0.4,0.6,之间。,自,70,年代能源危机后，各国都致力于设法降低 值，,至,90,年代，不少轿车的 值已降到,0.3,，,甚至更低一点。,如,CITROEN ZX,富康轿车的 值为,0.315,，,而,Passat,轿车的 值已低到,0.28,。,现代车身空气动力学工程师认为，低 值的轿车车身应遵循下列要点,(,参看图,1-18),1),车身前部,发动机盖应向前下倾。面与面交接处的棱角应为圆柱状。挡风玻璃应尽可能“躺平”且与车顶圆滑过渡。前支柱应圆滑，侧窗应与车身相平，尽量减少灯、后视镜等凸出物，凸出物的形状应接近流线型。在保险杠下面的前面，应装有合适的扰流板。车轮盖应与轮胎相平。,(1-5),(2),整车,车身应向前倾,12,。水平投影为“腰鼓”形，后端稍收缩，前端呈半圆形,(3),汽车后部,最好采用舱背式,(,hatchback,),或直背式,(,fastback,),。应有后扰流板。若用折背式,(notchback),，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些，后面应有鸭尾式结构，参看图,1-18b,。,(4),车身底部,所有零部件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。,(5),发动机冷却进风系统,仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱、精心设计的内部风道。,图,1-18c,是克莱斯勒公司,Dodge Intrepid ESX,车身的外形，,其设计意图中的,C,D,值为,0.2,。这种,车身的前发动机罩、后行李箱盖,与车厢平顺圆滑地相连，总体造,型浑然一体。,目前，对货车与半挂车的空气,阻力也很重视。不少半挂车的牵引,车驾驶室上已装用导流板等装置，,以减小空气阻力、节省燃油。,值得指出,汽车的 值实际上随着车身的离地距离、俯仰角以及侧向风的大小而变化。一般应给出额定载荷下,(,如轿车为半载,),，无侧向风时的空气阻力值。,表,1,-,3,汇总一些汽车的空气阻力系数 和迎风面积,A,的数据。,(,三,),坡度阻力,(,参看图,1-19),定义：汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力,即,道路坡度：,根据我国的公路路线设计规范，,高速公路：平原微丘区最大纵坡为,3,，,山岭重丘区为,5,；,一级汽车专用公路：平原微丘区最大坡度为,4,，,山岭重丘区为,6,；,一般四级公路：平原微丘区为,5,，,山岭重丘区为,9,。,故，一般道路的坡度均较小，此时,(1-6),（,1-7,）,图,1-20,表示了坡度与坡道角的关系。,注意,在坡度大时，近似等式有一定,误差，坡度阻力应按式,(1-6),计算。,上坡时汽车行驶的滚动阻力为：,道路阻力：,当 不大 时，则,令：,称为,道路阻力系数,，则,（,1-8,）,(,四,),加速阻力,定义：汽车加速行驶时,需要克服其质量加速运动时的惯性力,汽车的质量分为,:,平移质量：加速时，产生平移惯性力,;,旋转质量：加速时，产生惯性力偶矩。,（为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，对于固定传动比的汽车，引入,汽车旋转质量换算系数）,因而,汽车加速时的阻力,(,N,),：,式中：,为汽车旋转质量换算系数，,1,；,汽车质量,(),；,行驶加速度,(),。,主要与,飞轮的转动惯量,、,车轮的转动惯量,以及传动系的,传,动比,有关。,（,1-9,）,式中，,车轮的转动惯量,(),；,飞轮的转动惯量,(kg),在进行动力性初步计算时，若不知道准确的,值，,值的确定方法：,（,1,）可利用图,1,21,，根据挡位与,总传动比大致确定,值。,（,2,）也可按经验公式估算：,式中：,变速器档位速比。,三、汽车行驶方程式,根据上面分析的汽车行驶阻力，可以得到汽车行驶方程式为,考虑到实际上正常道路的坡度角不大，故常将上式写为：,这个等式表示了无风天气、正常道路上行驶汽车的驱动力与行驶阻力的数量关系，在进行动力性分析时十分有用。但应指出，这个方程式并未经过周密的推导。,为此，下面依据动力学中的,功率方程,，,即汽车整体动能对时间的变化率等于所有作用力的功率，,导出汽车旋转质量换算系数,，,并建立汽车行驶方程式。,当车速为,u(m,s),时，汽车的,动能,为：,汽车受到的,外力的功率,为：,（,1-10,）,汽车,内力的功率,，主要是发动机气缸内气体推动活塞的功率，可写作,其中，,发动机飞轮的角速度。这一驱动功率还可写作：,再求传动系统中的摩擦损耗功率。若 表示传动系内各部分摩擦阻力转换到车轮周缘的,(,总,),阻力，则传动系摩擦阻力的负功率即为,下面先确定 值，参看图,1-22,。,汽车加速或无级变速器速比变化时，,发动机的旋转质量,(,主要为飞轮,),也,相应有角加速度,由于：,式中，,车轮角速度；,有级或无级式变速器传动比。,无级式变速器传动比是随时间而变化的，故,忽略有级变速器齿轮或无级变速器旋转元件、传动轴与主减速器齿轮的转动惯量，加速时半轴施加于,驱动轮的转矩,为,若设传动系无任何摩擦阻力，则施加于,驱动轮的转矩,为：,故传动系中,各处摩擦转换到驱动轮处的摩擦阻力转矩,为,:,显然，传动系中,各处摩擦转换到车轮周缘的,(,总,),摩擦阻力,为,:,所以传动系中的,摩擦损耗功率,为,依据动力学中的功率方程可列出下式,（,1-11,）,上式中，,因此得出汽车行驶方程式如下,:,由此可知汽车的加速阻力为,:,式中，,讨论,对于装有有级式固定传动比变速器的汽车，加速阻力只有上式中前面一项,，所以,为装有,固定传动比变速器,汽车的旋转质量换算系数。,若为装有传动比连续变化的,无级变速器,汽车，加速阻力还应包含上式中的第二项。第二项加速阻力是由于传动比变化率 使发动机飞轮加速而产生的。,(1-11),第三节 汽车的驱动力,-,行驶阻力平衡图与动力特性图,一、,驱动力,-,行驶阻力平衡图,有级式固定传动比变速器汽车的行驶方程式为：,或,此式表明了汽车行驶时,驱动力,和外界阻力之间相互关系的普遍情况。,（当发动机的转速特性、变速器的传动比、主减速比、传动效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积以及汽车质量等初步确定后，便可利用此式分析在附着性能良好的典型路面,(,混凝土、沥青路面,),上的行驶能力，即,确定汽车在,节气门全开,时可能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力,。）,汽车驱动力,-,行驶阻力平衡图：,清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系。并以它,来确定汽车的动力性。,图,1-23,为一具有五挡变速器紧凑型轿车的驱动力,行驶阻力平衡图。,1.,最高车速的确定：,从图上可以清楚地看出不同车速时驱动力和行驶阻力之间的关系。汽车以最高挡行驶时的最高车速，可以直接在图上找到。,显然,，曲线与 曲线的交点便是,。因为此时驱动力和行驶阻力相等，汽车处于稳定的平衡状态。图中最高车速为,175km,h,。,从图中还可以看出，当车速低于最高车速时，,驱动力大于行驶阻力。这样，汽车就可以利用剩余,的驱动力,加速或爬坡,。当需要在,119km,h,等速行驶,时，驾驶员可以关小节气门开度,(,图中虚线,),，此时发,动机只用部分负荷特性工作，相应地得到虚线所示,驱动力曲线，以使汽车达到新的平衡。,2.,汽车加速能力的评价,汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的,加速度,来评价，但由于加速度的数值不易测量，实际中常用,加速时间,来表明汽车的加速能力。,如用直接挡行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或,80,所需的时间表明汽车的加速能力。,现在根据图,1-23,求出汽车的加速时间。,由汽车行驶方程得：,利用图,1-23,可计算得出各挡节气门全开时的加速度,曲线，见,图,1-24,。,根据加速度图可以进一步求得由某一车速 加速至,另一较高车速 所需的时间。,由运动学可知,即加速时间可用计算机进行,积分计算,或用,图解积分法,求出。用图解积分法，将,曲线,(,图,1-24),转画成 曲线,(,图,1-25),。曲线下两个速度区间的面积就是通过此速度区间的加速时间。常将速度区间分为若干间隔，通过确定面积,来计算,(,总,),加速时间,(,图,1-25b),。,计算原地起步加速时间时的几个问题：,（,1,）可以忽略原地起步时的离合器打滑过程,，,即假设在最初时刻，汽车已具有起步挡位的最低车速来计算。,（,2,）换挡时刻的确定,：,可根据各挡的,曲线的交点来确定；若,挡与,挡加速度曲线不相交，则应在,挡位加速行驶至发动机转速达到最高转速时换入,挡。其他各挡间的换挡时刻亦按此原则来确定。,（,3,）换挡过程所经历的时间,：常忽略不计。,图,l-26,是计算得到的轻型载货汽车,BJl30,加速时间曲线。计算汽车加速时间，确定汽车的加速能力，在选择传动系最佳方案或选择合适的发动机排量时是十分有用的。,3.,汽车爬坡能力的确定,汽车的爬坡能力,，是指汽车在良好路面上克服,后的余力全部用来,(,即等速,),克服,坡度阻力时能爬上的坡度。即,因此,考虑到汽车的最大爬坡度（用,档实现）,利用图,1-23,即求出汽车,各档,能爬上之,坡道角,，相应地根据 可求出,坡度值,。,其中，,汽车最大爬坡度,为,挡时的最大,爬坡度。,最高挡最大爬坡度亦应引起注意，特别是,货车、牵引车，因为货车经常是以最高挡行,驶的，如果最高挡的最大爬坡度过小，迫,使货车在,遇到较小的坡度时经常换挡，这样,就影响了行驶的平均车速。,图,1-27,为一紧凑型轿车的爬坡度图。显然，,轿车的低挡驱动力是用以获得好的加速性能的，,所以计算中求得的爬坡度很大，完全超出实际,要求的爬坡能力。,二、动力特性图,(,分析汽车动力性,),将汽车行驶方程两边除以汽车重力并整理如下：,令,汽车的,动力因数,则,动力特性图：,汽车在各挡下的动力因数与车速的关系曲线称为,(,图,1-28),。,1.,最高车速确定,：,在动力特性图上作滚动阻力系数曲线 ，显然,f,线与直接挡 曲线的交点即为汽车的最高车速。,2.,最大爬坡度确定,：,由于 ，,故：,因此,D,曲线与,f,曲线间的距离就表示汽车的上坡能力,注,挡时，坡度较大，此时,之误差较大。,(1-12),应用下式计算：,用 代人上式，整理后可得：,然后再根据：换算成,最大爬坡度,。,3.,加速时间的确定：由于,i=0,，,故,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,一、汽车行驶的附着条件,轮胎在良好,干燥,的路面上时,(,有足够大的附着力,),驱动力,大，,加速能力,好，,爬坡能力,也强。,在,潮湿,的沥青路面上附着性能差时，,驱动力,大，可能引起车轮在路面上,急剧加速滑转,，地面切向反作用力并不很大，动力性也未进一步提高。,由此可见，汽车的动力性能不只受,驱动力,的制约，它还受到,轮胎与地面附着条件,的限制。,附着力 ：,地面对轮胎切向反作用力的极限值。,式中，,附着系数,，,它是由路面与轮胎决定的。,汽车行驶的附着条件,:,由作用在驱动轮上的转矩 引起的,地面切向反作用力,不能大于,附着力,，否则将发生,驱动轮滑转,现象。,即对于,后轮驱动,的汽车,:,上式可写成,式中，,称为后轮驱动汽车驱动轮的,附着率,，,即,对于,前轮驱动,汽车，其前驱动轮的,附着率,亦不能大于,地面附着系数,。,驱动轮的附着率,（汽车附着性能的一个重要指标）,：,是汽车驱动轮在不滑转工况下充分发挥驱动力作用所要求的最低地面附着系数。,汽车驱动轮的附着率确定：,可以由发动机、传动系的参数及汽车的行驶,工况来确定。,二、汽车的附着力与地面法向反作用力,1.,汽车附着力决定因素,：,附着系数,及地面作用于,驱动轮的法向反作用力,。,附着系数影响因素：,主要取决于路面的种类和状况，行驶车速，车轮运,动状况,。,在一般动力性分析中，只取附着系数的平均值。,在良好的混凝土或沥青路面上：,路面干燥时 值为,0.7-0.8,，路面潮湿时 为,0.5-0.6,；,干燥的碎石路,值为,0.6-0.7,；,干燥的土路,值为,0.5-0.6,，,湿土路面,时 为,0.2-0.4,。,驱动轮地面法向反作用力影响因素：,与汽车的总体布置、,车身形状、行驶状况及道路的坡度有关。,2.,地面法向反作用力,图,1-29,给出了汽车加速上坡,时的受力图。,作用在前、后轮上,的滚动阻力偶矩；,作用于横置发动机,飞轮上的惯性阻力,偶矩；,作用在前、后车轮,上的惯性阻力偶矩；,作用于车身上并位于前、后轮接地点上方的空气升力；,将作用在汽车上的诸力对,前、后轮与道路接触面中心取力矩,，则得,从式,(1-13),可以看出，,前、后轮地面法向反作用力,是由四个部分构成的。,(1),静态轴荷的法向反作用力,(2),动态分量,即加速过程中产生的惯性力、惯性阻力偶矩造成的地面法向反作用力部分。它们分别为,:,-,平移质量的惯性力；旋转轴线垂直于汽车纵向垂直平面的旋转质量惯性阻力偶矩，即车轮的惯性阻力偶矩 与横置发动机飞轮的惯性阻力偶矩,(,曲轴旋转方向与车轮旋转方向一致时取“,+”,号,),。,由于旋转质量惯性阻力偶矩的数值较小，一般性分析中可忽略不计。,(3),空气升力,由于流经汽车顶部与底部的空气流速不一样，产生了作用于汽车的空气升力。常将空气升力分解为作用于前轮接地点与后轮接地点的前、后空气升力。可用试验,确定的前、后空气升力系数 来计算前、后升力：,A,迎风面积,图,1-30a,给出了,几种车身形式的,前、后空气升力,系数。,图,l-30b,是德国、,日本轿车的,与 值。,可以看出，值,降低时 有所,增加，（,对于后,轮驱动汽车的动,力性、操纵稳定,性是很不利的,。）,因此，车身开发,部门在降低 值,的同时还要防止,的增加。,如：,车身前部压低，尾部肥厚向上的楔形造型，可以降低空气升力。,合适的前保险杠下面的,阻风板,与后行李箱盖上的,后扰流板,能进一步减小,前、后空气升力，如图,1-31,所示。,(4),滚动阻力偶矩产生的部分,即式,(1-13),中最后一项 。由于此项甚小，可以忽略不计,。,汽车前、后轮地面法向反作用力，忽略掉,旋转质量惯性阻力偶矩,与,滚动阻力偶矩,之后，便简化为,（,1-14,）三、作用在驱动轮上的,地面切向反作用力,如图,1-32,所示,驱动轮、从动轮的重力,驱动轮、从动轮的质量,为车身重力；,为车身质量；,驱动、从动轴,作用于,驱动、从动轮,的平行于路面的力,半轴作用于驱动轮的转矩,作用在前、后轮上的滚,动阻力偶矩；,作用在前、后轮上的惯,性阻力偶矩；,作用在前、后轮上的地,面法向反作用力,作用在前、后轮上的地,面切向反作用力；,L,汽车轴距；,a,、,b,为车身质心至前、后轴的距离。,由从动轮受力图有：斜坡方向,对轮心取矩,四、附着率,附着率：,是指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。,（不同的直线行驶工况，要求的,最低附着系数,是不一样的。,在较低行驶车速下，用低速挡加速或上坡行驶，驱动轮发出的,驱动力大，要求的,(,最低,),附着系数大。此外，在水平路段上以极,高车速行驶时，要求的附着系数也大。）,（,1-15,）,（,1-16,）,下面就分析这两种行驶工况下的附着率。,(,一,),加速、上坡行驶时的附着率,（,根据上面求得的前、后轴地面法向反作用力与驱动轮地面切向反作用力，可以确定前驱动轮或后驱动轮的附着率。）,对于后驱汽车，,其后驱动轮的附着率为,：,（在加速上坡时，主要的行驶阻力为加速阻力与坡度阻力，空气阻力与滚动阻力可忽略不计）,故后驱动轮的附着率简化为,式中，可理解为包含加速阻力在内的等效坡度，以,q,表示，则,由于 为加速、上坡行驶时要求的地面附着系数，,故在一定附着系数 的路面上行驶时，汽车能通过的,(,最大,),等效坡度,为,同理可以求得,前轮驱动汽车的前驱动轮附着率,为,:,一定 值路面上，能通过的等效坡度为,:,四轮驱动汽车,(,前后驱动力的分配是根据中央差速器的结构确定的,),若,后轴的转矩分配系数,为,:,式中，为前驱动轴的驱动转矩；为后驱动轴的驱动转矩。,如前轮驱动汽车，则 ；如是后轮驱动汽车，。,四轮驱动汽车中，,Audi,的,BMW325i,的,M,B,4Mark,的,。,根据 值，在忽略滚动阻力、空气阻力与旋转质量的影响后，可以确定前、后轮的切向反作用力为,故前、后驱动轮的附着率分别为,前、后驱动轮的附着率常不相等：,如,前驱动轮附着率较大，即,定等效坡度条件下，前驱动轮要求更大的地面附着系数，则在一定 值路面上行驶时，前驱动轮的驱动力将先达到地面附着力而滑转。前驱动轮滑转后，前驱动力不再增加，故后驱动轮动力也保持在前轮刚开始滑转时它的数值而不再增加。,即若 ，在一定附着系数 的路面上，该四轮驱动汽车能达到的,等效坡度,为,(,由 决定,),若 ，则在一定 值路面上能达到的,等效坡度,为,如果前、后驱动力的分配可以根据运动状况自动调节，而使前、后驱动力同时达到附着力的限值，则全部附着力均可转化为驱动力，有,即,此时等效坡度等于地面附着系数,。,图,1-33,给出了前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动汽车的,等效坡度与地面附着系数,的关系曲线。正如所预期的一样，四轮驱动汽车的等效坡度，即加速与上坡能力大大超过单轴驱动汽车。,在第三节中已经根据发动机与传动系的结构参数确定了汽车的加速度与爬坡度，见图,1,-,24,与图,l,-,27,。,显然，为了完整表达汽车的动力性，还应给出达到相应加速度与爬坡度所要求的地面附着系数，即附着率曲线。,图,1-34,为图,1-23,算例中后轮驱动轿车在,、,挡加速或爬坡行驶时相应的附着率曲线。,由图,1-34a,可知，,挡加速时最大的 值为,0.64,，在,=0.7,的良好路面上汽车可以全力加速行驶。,但从图,1-34b,中却可看出，在,=0.7,的路面上，该车,挡,(,节,气门全开时,),的爬坡能力基本上是无法实现的。不过,挡的最大,=0.45,，相应的爬坡度达,23,，远大于四级公路在山岭重丘区的最大纵向坡度,9,。,所以，该车在良好路,面上的附着性能仍是,令人满意的。,(,二,),高速行驶时的附着率,汽车在良好道路上高速行驶时，道路的坡度与汽车加速度均很小。,令式,(1-17),中的,便可求得高速行驶时后轮驱动汽车的后驱动轮附着率为,图,1-35,给出了一,(,紧凑型,),后轮驱动,轿车后驱动轮,地面切向反作用力、法向反作用力、附着率,与,车速,的关系曲线。图中的法向反作用力与附着率是按三种空气升力系数求得的，