汽車運用工程---第2章汽車動力性

第二章第二章 汽車動力性汽車動力性汽車行駛時所需要的功率和能量取決于行駛阻力汽車行駛時所需要的功率和能量取決于行駛阻力，分為分為穩(wěn)定行駛阻力穩(wěn)定行駛阻力和和動態(tài)行駛阻力動態(tài)行駛阻力第一節(jié) 汽車行駛阻力一、汽車穩(wěn)定行駛阻力一、汽車穩(wěn)定行駛阻力 1 1車輪阻力車輪阻力 2 2空氣阻力空氣阻力 3 3上坡（度）阻力上坡（度）阻力1車輪阻力車輪阻力 組成：組成：1 1）滾動阻力）滾動阻力 2 2）路面阻力）路面阻力 3 3）輪胎側(cè)偏阻力）輪胎側(cè)偏阻力 1）滾動阻力）滾動阻力 a.a.變形阻力變形阻力 b.b.摩擦力摩擦力 c.c.輪胎空氣阻力輪胎空氣阻力 a.變形阻力變形阻力 輪胎在滾動時，有兩種變形：輪胎在滾動時，有兩種變形：徑向變形徑向變形 周向變形周向變形輪胎滾動時的滯后損失。輪胎滾動時的滯后損失。彈性輪胎在硬路面上的滾動實質(zhì)，如下圖彈性輪胎在硬路面上的滾動實質(zhì)，如下圖 滾動阻力滾動阻力 ：令令 ，即滾動阻力系數(shù)，即滾動阻力系數(shù).gzMFegdgzF rMF eggZddMeFFrrazGZFdefr b.摩擦力摩擦力 （1）胎面與路面的摩擦）胎面與路面的摩擦 （2）輪胎變形使外胎與內(nèi)胎，內(nèi)胎與墊之間）輪胎變形使外胎與內(nèi)胎，內(nèi)胎與墊之間當(dāng)當(dāng)Va=40m/s時時 變形阻力：變形阻力：9095%摩擦阻力：摩擦阻力：210%2）路面阻力）路面阻力 a.不平路面（阻尼）不平路面（阻尼）b.柔軟路面（輪轍及摩擦）柔軟路面（輪轍及摩擦）c.積水路面（排水阻力）積水路面（排水阻力）與硬路面相比，車輪在柔性路面（土路、草地、砂土、雪地）上運動與硬路面相比，車輪在柔性路面（土路、草地、砂土、雪地）上運動時，還需要克服附加滾動阻力。附加阻力包括接觸面材料被壓縮和移動行時，還需要克服附加滾動阻力。附加阻力包括接觸面材料被壓縮和移動行程的程的車轍阻力車轍阻力和和輪轍與輪胎之間的摩擦力輪轍與輪胎之間的摩擦力 在積水硬路面運動的車輪與路面之間存在三個區(qū)域：水膜區(qū)、過渡區(qū)在積水硬路面運動的車輪與路面之間存在三個區(qū)域：水膜區(qū)、過渡區(qū)和接觸區(qū)。在過渡區(qū)輪胎已有變形，與道路有局部接觸；而在接觸區(qū)輪胎和接觸區(qū)。在過渡區(qū)輪胎已有變形，與道路有局部接觸；而在接觸區(qū)輪胎與路面之間才完全接觸傳遞力。與路面之間才完全接觸傳遞力。當(dāng)水層厚度較大時，速度超過一定值后，將出現(xiàn)水滑現(xiàn)象當(dāng)水層厚度較大時，速度超過一定值后，將出現(xiàn)水滑現(xiàn)象,使輪胎完全使輪胎完全被水層浮起，使排水阻力系數(shù)被水層浮起，使排水阻力系數(shù)fs 趨于定值，而與速度趨于定值，而與速度u 無關(guān)。此時，汽車無關(guān)。此時，汽車基本喪失轉(zhuǎn)向、制動能力。基本喪失轉(zhuǎn)向、制動能力。3)輪胎側(cè)偏阻力輪胎側(cè)偏阻力如果車輪也受到側(cè)向力如果車輪也受到側(cè)向力Fy的作用，例如轉(zhuǎn)彎或變更車道行駛，車輪運動方的作用，例如轉(zhuǎn)彎或變更車道行駛，車輪運動方向不垂直其軸線，而是車輪平面與運動方向成某一角度，即側(cè)偏角。此時，向不垂直其軸線，而是車輪平面與運動方向成某一角度，即側(cè)偏角。此時，滾動阻力將增加。滾動阻力將增加。當(dāng)側(cè)偏角為當(dāng)側(cè)偏角為 時，滾動阻力時，滾動阻力Ff 為為 Ff=F f0cos+Fysin 式中：式中：Ff0 為直線行駛的滾動阻力；為直線行駛的滾動阻力；Fy為側(cè)向力。為側(cè)向力。Fq=Fysin 就是曲線行就是曲線行駛的附加阻力在行駛方向的分量。駛的附加阻力在行駛方向的分量。若定義附加滾動阻力系數(shù)若定義附加滾動阻力系數(shù)fq為為 fq=Fq/Fz 則附加滾動阻力系數(shù)則附加滾動阻力系數(shù)fq 與側(cè)偏角與側(cè)偏角 的關(guān)系如圖所示。當(dāng)側(cè)偏角的關(guān)系如圖所示。當(dāng)側(cè)偏角 較小時，較小時，側(cè)向力側(cè)向力Fy與側(cè)偏角與側(cè)偏角 近似成正比，近似成正比，即即 2qf練習(xí)一：練習(xí)一：測試一摩托車倒地滑擦?xí)r的摩擦系數(shù)？測試一摩托車倒地滑擦?xí)r的摩擦系數(shù)？配備條件：汽車一輛，摩托車一輛，繩索，米尺配備條件：汽車一輛，摩托車一輛，繩索，米尺。2空氣阻力空氣阻力 定義：汽車在直線行駛時，空氣作用力在行駛方向上的定義：汽車在直線行駛時，空氣作用力在行駛方向上的分力。分力。1）組成：空氣阻力由表面阻力和壓力阻力組成。）組成：空氣阻力由表面阻力和壓力阻力組成。壓力阻力：車外形狀壓力阻力：車外形狀 表面阻力：空氣有粘度表面阻力：空氣有粘度 誘導(dǎo)阻力：空氣升力在水平方向投影誘導(dǎo)阻力：空氣升力在水平方向投影 內(nèi)部阻力：流經(jīng)散熱器，發(fā)動機，車箱的阻力內(nèi)部阻力：流經(jīng)散熱器，發(fā)動機，車箱的阻力 干擾阻力：表面突起物，車門把手，后視鏡底盤干擾阻力：表面突起物，車門把手，后視鏡底盤 其中，壓差和誘導(dǎo)阻力：其中，壓差和誘導(dǎo)阻力：5090%（干擾在內(nèi)）（干擾在內(nèi)）內(nèi)部阻力：內(nèi)部阻力：211%表面阻力：表面阻力：330%2）計算方法：）計算方法：空氣對物體的阻力與下列因素有關(guān)?？諝鈱ξ矬w的阻力與下列因素有關(guān)。流速流速 U：對汽車來說，相對速度對汽車來說，相對速度V=VaVf 密度密度 ：空氣密度，在一定條件下是常數(shù)空氣密度，在一定條件下是常數(shù)=1.2258Ns2/m4 迎風(fēng)面積迎風(fēng)面積 A：與車形有關(guān)：與車形有關(guān)運動物體空氣阻力計算：運動物體空氣阻力計算：式中式中 為無因次的空氣阻力系數(shù)。為無因次的空氣阻力系數(shù)。202ACFDDC汽車所受空氣阻力：汽車所受空氣阻力：NAVCFDW15.212動壓力 式中：式中：CD空氣阻力系數(shù)，實驗得出；空氣阻力系數(shù)，實驗得出；A迎面面積，汽車在行駛方向的投影，迎面面積，汽車在行駛方向的投影，m2；V相對速度，相對速度，km/h。例：例：A 典型轎車典型轎車 1.42.6 0.30.6 貨貨 車車 37 0.60.9 大大 客客 車車 47 0.50.93）影響空氣阻力因素）影響空氣阻力因素 （1）車速：）車速：與與 V2成正比關(guān)系，而功率則與成正比關(guān)系，而功率則與V3成正比關(guān)系成正比關(guān)系 （2）A：車型，車型，A為好為好 （3）表面：）表面：突出物及光潔程度突出物及光潔程度 （4）：車身形狀（流線型好）車身形狀（流線型好）DCDCNAVCFDW15.212 式中：式中：坡道角度坡道角度 對公路來說：對公路來說：i 很小很小 9%故故 由于由于坡道阻力坡道阻力及及滾動阻力滾動阻力與道路有關(guān)，所以通常以與道路有關(guān)，所以通常以道路阻力道路阻力代表兩者之和。代表兩者之和。4加速阻力加速阻力(動態(tài)行駛阻力動態(tài)行駛阻力)定義：汽車加速時，需要克服其質(zhì)量加速時的慣性力。定義：汽車加速時，需要克服其質(zhì)量加速時的慣性力。汽車質(zhì)量：汽車質(zhì)量：平移質(zhì)量平移質(zhì)量 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 3坡度阻力：汽車重力沿坡道的分力。坡度阻力：汽車重力沿坡道的分力。sin GFitgshitgsin gdtGdvFjt/jrddI dFIrrdtiGGGFfitgsin為了便于計算：為了便于計算：把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量慣性力，以系數(shù)把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量慣性力，以系數(shù) 作為作為計入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量后的計入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量后的“汽車質(zhì)量換算系數(shù)汽車質(zhì)量換算系數(shù)”。即即 （N）其中：其中：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（1）；）；G 汽車質(zhì)量，汽車質(zhì)量，Kg；行駛加速度，行駛加速度，m/s2。主要與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量主要與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 車輪的轉(zhuǎn)動慣量車輪的轉(zhuǎn)動慣量 傳動系轉(zhuǎn)動慣量傳動系轉(zhuǎn)動慣量 有關(guān)有關(guān)dtdvmgGdtdvFj.dtdv202iiImRI20iIc 忽略傳動系：忽略傳動系：當(dāng)進(jìn)行動力性初步計算時，若不知道準(zhǔn)確當(dāng)進(jìn)行動力性初步計算時，若不知道準(zhǔn)確 ，可按下列經(jīng)驗公式估算，可按下列經(jīng)驗公式估算：2 2022111m gRTddI i iIm rmr RmII、2121gi 05.003.0212-2 汽車動力傳動系統(tǒng)汽車動力傳動系統(tǒng) 一、活塞式內(nèi)燃機特性一、活塞式內(nèi)燃機特性 發(fā)動機特性曲線：發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機特性曲線：發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩、油耗與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系曲線。油耗與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系曲線。當(dāng)節(jié)流閥全開：發(fā)動機當(dāng)節(jié)流閥全開：發(fā)動機外外特性曲線特性曲線 當(dāng)節(jié)流閥部分開：發(fā)動機當(dāng)節(jié)流閥部分開：發(fā)動機部分特性部分特性曲線曲線轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式：轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式：kw式中：式中：發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，N.m；發(fā)動機轉(zhuǎn)速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。裝增壓器后，外特性曲線發(fā)生變化裝增壓器后，外特性曲線發(fā)生變化 （圖（圖231 32）9549.nMPeMn注意：1發(fā)動機制造廠提供的特性曲線：在試驗臺上無空濾、水泵、風(fēng)扇、消聲、發(fā)電機等件，若全帶上則稱為“使用特性曲線”。Ms=ksM ks見表2-42臺架試驗是在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下測定P、M。實際上，發(fā)動機熱工況(使用狀態(tài)使用狀態(tài))，混合氣濃度與臺架試驗時不同。例如加速時，M比穩(wěn)定工況下降58%。但是 1變工況的研究不多見 2數(shù)值相差不大所以，動力性估算中，仍用臺架使用外特性。所以，動力性估算中，仍用臺架使用外特性。二、離合器和液力偶合器特性二、離合器和液力偶合器特性 二者共同的特點：輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)矩相同，而轉(zhuǎn)速不同輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)矩相同，而轉(zhuǎn)速不同AEMM AEnn 效率：滑轉(zhuǎn)率：功率損失：EAEEAAEAnnnMnMPP.1EAEnnnS(1)EEPs P產(chǎn)生熱量S又稱功率損失系數(shù) 1機械式離合器機械式離合器 主動片：外特性一點 、從動片：，當(dāng) 時，（接合完畢）2液力偶合器：通過液體在泵輪和渦輪間的流動來傳遞動力，泵輪直接與液力偶合器：通過液體在泵輪和渦輪間的流動來傳遞動力，泵輪直接與 發(fā)動機連接，發(fā)動機連接，泵輪的轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機等泵輪的轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機等。（主動）泵輪：其中：是隨渦輪與泵輪轉(zhuǎn)速比變化的系數(shù)。當(dāng) 一個工作點 當(dāng) 接合完畢 當(dāng) 為減少損失 盡量接近 ，一般 ccncMcPcAMMcAnn0SEAPP 25PPMKn DK0/PTnnMcnnPT/1/PTnn0KTnPnPTnn98.0三、變速器和液力變扭器特性變速器和液力變扭器特性驅(qū)動輪上理想的扭矩、功率特性。在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能使用最大功率。特點：1）功率曲線平行于 軸 2）轉(zhuǎn)矩曲線是雙曲線效率：功率損失：nEEAAEAnMnMPPEP)1(作用：改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使活塞式內(nèi)燃機的特性向理想特性靠近1機械式變速器機械式變速器 固定速比：（）例如：4檔變速器EAAEMMnni1與理想扭矩特性有空隙 a合理選速比 b多設(shè)檔位最高檔速比最高車速決定最低檔速比最大驅(qū)動扭矩，汽車最低穩(wěn)定車速中間速比發(fā)動機工作穩(wěn)定性aV 即在扭矩曲線 點右邊工作 發(fā)動機穩(wěn)定工況條件發(fā)動機穩(wěn)定工況條件 dVdmdVdMemaxM)(maxMnn 換檔換檔時：相鄰兩檔中，高檔在 立即換入低檔：低檔應(yīng)在)(maxMnmaxn 設(shè)計時，高檔略高于 低檔略低于)(maxMnmaxn實際換檔，不考慮車速下降 即 令 1010.2.2kdkkdkiirniirnVkkkknnii11kknnq1)(maxmaxMnnq 0.25.1maxq速比分配方法：速比分配方法：1等比級數(shù)分配等比級數(shù)分配 車速與檔位關(guān)系：速比等比級數(shù)分配圖如右：cq 342321.qiqiqiikdKiinrU0.2極限換檔時：極限換檔時：例題例題已知：CA10B 一檔 四檔求：按等比級數(shù)分配的 、解：故24.61i14i2i3iqiiiiii43322114i321iii232ii 331ii313ii 3212ii 313ii 14i2）漸近式速比分配漸近式速比分配現(xiàn)代轎車使用車速范圍大，多采用漸進(jìn)式速比分配。以4檔變速為例：；高檔間速比值小于低擋間速比比值。高檔間速比值小于低擋間速比比值。qc02143qqii12132qqii22121qqii2.11.12q 從漸進(jìn)式速比分配，與等比分配相比較 （在高檔間)特性場中空隙,低檔比高檔大 2液力變矩器液力變矩器 “自學(xué)”V2-3 動力性分析動力性分析一、驅(qū)動力一、驅(qū)動力行駛阻力平衡圖、動力特性圖、功率平衡圖行駛阻力平衡圖、動力特性圖、功率平衡圖 *汽車行駛方程式：a）車速 km/h 式中：車輪滾動半徑，m；發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。jwiftFFFFF200.21.15s kTaadM i iC AdVG fG iVmrdt0377.0iinrVkarn研究三個量：研究三個量：b）半徑）半徑 自由半徑輪胎自由狀態(tài)下的半徑。滾動半徑=滾動圓周/動態(tài)半徑：受扭矩時的 式中：輪輞直徑，in；輪胎寬度，in；徑向變形系數(shù)：0.10.16。:0.972:0.95 子午自由半徑普通自由半徑0.0254(1)2ddrbbdc）傳動效率）傳動效率 功率損失：機械損失 液力損失 由實驗得到1驅(qū)動力驅(qū)動力車速圖車速圖：各檔驅(qū)動力與車速的關(guān)系。驅(qū)動力行駛阻力圖：在上圖上再畫上行駛阻力曲線。2動力特性圖：動力特性圖：動力因數(shù)車速關(guān)系曲線物理意義物理意義：單位車重所具有的后備驅(qū)動力單位車重所具有的后備驅(qū)動力，標(biāo)志著汽車克服 、能力，可用于比較不同重量、不同空氣阻力的汽車。eTeTemPPPPP1mGFFDwtfFiFjF動力性的確定：動力性的確定：3功率平衡圖功率平衡圖：驅(qū)動功率、行駛阻力功率與車速的關(guān)系。kwmstPP9549nMPs二、分析驅(qū)動平衡圖可方便、形象地確定汽車最高車速、二、分析驅(qū)動平衡圖可方便、形象地確定汽車最高車速、加速性能和爬坡能力加速性能和爬坡能力 1最高車速最高車速(j=0)驅(qū)動力曲線與總阻力曲線的交點wiftFFFF發(fā)動機使用狀態(tài)下的功率2汽車的加速能力汽車的加速能力 當(dāng) 可知，可求出 ，作出 圖。（大貨車用二檔起步，見圖2-51）gfDgGFFFdtdvwft)(Vj j3汽車的爬坡能力汽車的爬坡能力 汽車爬坡能力指在良好路面上，克服之后，剩余驅(qū)動力全部用來爬坡所能爬上的坡度。wfFF 0dtdv)(wftiFFFF)(sinwftFFFGmax()sintfwFFFGmaxcosfD注意：高速檔與低速檔的計算不同。最高車速與傳動系最小速比的確定最高車速與傳動系最小速比的確定最小速比是由要求的最高車速決定的。對于轎車，最高車速經(jīng)常設(shè)計在發(fā)動機最大功率點附近，有三種設(shè)計方案：（1）最高車速設(shè)計（2）高速設(shè)計（3）低速設(shè)計超速檔：速比1（見圖2-56）根據(jù)傳動比 汽車行駛的驅(qū)動汽車行駛的驅(qū)動附著條件附著條件 才能加速行駛 1、驅(qū)動條件第一條件 2、附著條件第二條件 附著力地面對輪胎切向反作用力極限值。在硬路面上 其中 為附著系數(shù)。對于后輪驅(qū)動的汽車：又 （附著條件）綜合上述，汽車驅(qū)動附著條件 （汽車行駛條件）2-4 行駛附著條件行駛附著條件)(.iwftfFFFdtdvmtfwiFFFF.maxZXFFF22ZftXFMMF)(2fFFZt0f 2ZtFFZtwifFFFFF一、車輪法向反作用力一、車輪法向反作用力汽車的附著力取決于法向反作用力和附著系數(shù)，其中附著系數(shù)在第四章介紹這里僅介紹車輪法向反作用力。1.靜態(tài)法向反力靜態(tài)法向反力前軸：后軸：2慣性力引起的法向反力慣性力引起的法向反力前軸：后軸：LLGFZ210LLGFZ120lhdtdvmFdZ1lhdtdvmFdZ2021dZdZFF3空氣阻力引起的法向反力空氣阻力引起的法向反力 前軸：前軸：后軸：后軸：4升力引起的法向反力升力引起的法向反力 前軸：前軸：后軸：后軸：其中其中 、為前后軸升力。為前后軸升力。綜合上述，汽車行駛前后軸的反力綜合上述，汽車行駛前后軸的反力 分別為：分別為：LhFFwwwZ1LhFFwwwZ2ssZFF11ssZFF22sF 1sF 2211122wZawswZawsLdv hhFGmFFLdt LLLdv hhFGmFFLdt LL二、附著條件限制的加速能力二、附著條件限制的加速能力只需討論低速檔加速能力（車輪切向力較大）1 及 忽略2 忽略旋轉(zhuǎn)慣性力矩前驅(qū)動其中 極限值 故 同理，后驅(qū)動：全驅(qū)動：wFsF122XffFFmXFmX11ZXFFLhdtdvmLLGFaZ21dtdvgGFLhdtdvmLLGfa22ghfLLLfdtdv)(.21ghfLLLfdtdv)(.12dtdvgGGagdtdv.（附著條件限制的加速度）（附著條件限制的加速度）（全驅(qū)動時附著條件限制的加速度）（F=ma）三、附著條件限制的上坡能力三、附著條件限制的上坡能力 前驅(qū)動：相當(dāng)于 相當(dāng)于 后驅(qū)動：全驅(qū)動：/dv dtsinggcosgcos)(sin21ghfLLLfghfLLfLtgi)(21/sindv dtgghfLLfLtgi)(12 tgi（附著條件限制的最大爬坡度）（附著條件限制的最大爬坡度）不同驅(qū)動方式汽車的附著利用率曲線附著系數(shù)l附著率附著率是指汽車直線行駛條件下，充分發(fā)揮驅(qū)是指汽車直線行駛條件下，充分發(fā)揮驅(qū)動力作用時要求的動力作用時要求的最低附著系數(shù)。最低附著系數(shù)。l加速、上坡行駛時的附著率加速、上坡行駛時的附著率C Cla）圖說明：）圖說明：lI檔加速時最大的附著率為檔加速時最大的附著率為0.64，在好路上（，在好路上（=0.7=0.7）汽車可以全力加速；汽車可以全力加速；lb）圖說明：）圖說明：lI檔加速時最大的附著率大于檔加速時最大的附著率大于0.8，該車，該車I檔的爬坡能檔的爬坡能力基本上是無法實現(xiàn)的力基本上是無法實現(xiàn)的；但；但I(xiàn)III檔的爬坡能力是可以檔的爬坡能力是可以實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。l高速行駛時的附著率高速行駛時的附著率C Cla）圖說明，隨車速增加，車輪法向）圖說明，隨車速增加，車輪法向反作用力減小，切向反作用力急劇反作用力減小，切向反作用力急劇增大，因此，附著率也急劇增大；增大，因此，附著率也急劇增大；lb）圖說明，一般車速下，后輪附）圖說明，一般車速下，后輪附著率甚小，汽車完全可以正常行駛。著率甚小，汽車完全可以正常行駛。上面的討論僅限于汽車直線行駛，實際行上面的討論僅限于汽車直線行駛，實際行駛條件下要求的地面附著系數(shù)遠(yuǎn)大于附著駛條件下要求的地面附著系數(shù)遠(yuǎn)大于附著率。應(yīng)盡可能改善車身形狀、總體布置等率。應(yīng)盡可能改善車身形狀、總體布置等措施減小驅(qū)動輪的附著率。措施減小驅(qū)動輪的附著率。練習(xí)二練習(xí)二l后軸驅(qū)動電動汽車，要保證在滿載上坡時能正常起步，應(yīng)如何確定電動機的轉(zhuǎn)矩？說明思路。l在計算汽車動力性時所使用的發(fā)動機功率與計算汽車燃油經(jīng)濟(jì)性時所使用的發(fā)動機功率有何不同？