汽車動(dòng)力學(xué)

1、汽車動(dòng)力學(xué),第一章 汽車動(dòng)力性,汽車的動(dòng)力性： 汽車在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的，所能達(dá)到的平均行駛速度。基本概念： 動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo) 汽車的驅(qū)動(dòng)力與各種行駛阻力 汽車行駛的驅(qū)動(dòng)—附著條件重點(diǎn)內(nèi)容：

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

3、力性指標(biāo)有：最高車速加速時(shí)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(dá)到的最高行駛速度（km/h）。 2.加速時(shí)間t 表示汽車的加速能力。常用：原地起步加速時(shí)間：汽車以1檔或2檔起步，并以最大加速?gòu)?qiáng)度換至最高檔后達(dá)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(shí)間（s）。,,,,,超車加速時(shí)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(shí)間（s）。 如：部分轎車的原地起步加速過(guò)程曲線,3.最大爬坡度imax 汽車的上坡能力。以1檔滿載時(shí)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(qiáng)調(diào)貨車： imax =30%（約16.5°）越野汽車：imax =60%

5、 有時(shí)也以汽車在一定坡道上必須達(dá)到的車速來(lái)表示爬坡能力。如：美國(guó)對(duì)轎車爬坡要求，能以104 km/h車速通過(guò)6%的坡道。,第2節(jié) 汽車的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力,根據(jù)沿行駛方向作用于汽車的各種外力，可以計(jì)算汽車的最高車速、加速度、最大爬坡度。由力平衡關(guān)系得： Ft=ΣF Ft—驅(qū)動(dòng)力； ΣF—行駛阻力之和 汽車行駛方程,一、驅(qū)動(dòng)力,1.定義 發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生

6、的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動(dòng)系至驅(qū)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)矩Tt對(duì)地面產(chǎn)生圓周力Fo，地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的反作用力Ft即為驅(qū)動(dòng)力。,2.表達(dá)式 Ft =Tt /r r—車輪半徑 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩Tt與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Ttq的關(guān)系為： 故：,3.表達(dá)式涉及的幾項(xiàng)具體內(nèi)容 1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率Pe、轉(zhuǎn)矩Tqt及燃油消耗率b與曲軸轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關(guān)系。用試驗(yàn)曲線或擬合多項(xiàng)式表達(dá)。,發(fā)動(dòng)

7、機(jī)外特性曲線：發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門置于全開(kāi)位置發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性曲線：發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門置于部分開(kāi)啟位置 臺(tái)架試驗(yàn)特性曲線：發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)所獲得的曲線。 使用外特性曲線：帶上全部附件時(shí)的外特性。與臺(tái)架試驗(yàn)特性相差5~15%。,2）傳動(dòng)系機(jī)械效率 傳動(dòng)系各部件（變速器、萬(wàn)向節(jié)、主減速器）的摩擦導(dǎo)致的功率損失。由試驗(yàn)測(cè)得。 汽車各部件的傳動(dòng)效率

8、 機(jī)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(gè)半徑自由半徑 車輪處于無(wú)載荷時(shí)的半徑。靜力半徑 rs 汽車靜止時(shí)，車輪中心至輪胎與地面接觸面間的距離。用作動(dòng)力學(xué)分析。滾動(dòng)半徑 rr 通過(guò)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與實(shí)際車輪滾動(dòng)距離之間的關(guān)系換算所得得半徑。用作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

9、 一般可不計(jì)差別： rs≈ rr ≈ r,4）汽車的驅(qū)動(dòng)力圖 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性確定的是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系。經(jīng)傳動(dòng)系到達(dá)車輪后，可表示為驅(qū)動(dòng)力與車速間的關(guān)系。,由式（1）得各檔位的Ft值。 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與汽車行駛速度ua間的關(guān)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(shí)的各種阻力：滾動(dòng)阻力——以符號(hào)Ff表示；空氣阻力——以符號(hào)Fw表示；坡度阻力——以符號(hào)Fi表示；加速阻力——以符號(hào)Fj表示； 因此汽車行駛的總阻力為： ∑F=Ff+Fw+Fi+Fj,（一）滾動(dòng)阻力 1.組成輪胎與路面接觸區(qū)域產(chǎn)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(dòng)時(shí)，主要是輪胎變形。 輪胎在硬支

11、承路面上受徑向力時(shí)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(nèi)摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失。 遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪滾動(dòng)的阻力偶。,2. 滾動(dòng)阻力偶分析車輪不滾動(dòng)：地面對(duì)車輪的法向反作用力對(duì)稱。車輪滾動(dòng)：處于前部d點(diǎn)的地面法向反力（CF）大于處于恢復(fù)的后部d’點(diǎn)地面反力（DF），合力Fz前移距離a，與法向載荷W不重合。,滾動(dòng)阻力偶矩Tf=Fza從動(dòng)輪：欲使從動(dòng)輪在硬路面上等速滾動(dòng)，必須在車輪中心加一推力Fp1，根

12、據(jù)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(dòng)阻力系數(shù)。,可見(jiàn)滾動(dòng)阻力系數(shù)是車輪在一定條件下滾動(dòng)時(shí)所需之推力與車輪負(fù)荷之比，即單位汽車重力所需之推力，F(xiàn)f=Wf ＝Tf /r。驅(qū)動(dòng)輪：由驅(qū)動(dòng)輪的力矩平衡得,FX2r = Tt－Tf 故 FX2 = Ft－Ff其中， FX2為驅(qū)動(dòng)力矩所引起得道路對(duì)車輪的切向反作用力。即實(shí)際作用在驅(qū)動(dòng)輪上的切向力為驅(qū)動(dòng)力減滾動(dòng)

13、阻力。 滾動(dòng)阻力系數(shù)由試驗(yàn)確定。滾動(dòng)阻力系數(shù)與路面的種類、行駛車速以及輪胎的構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān) 。,（二）空氣阻力 汽車直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力分為壓力阻力（一般轎車占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(nèi)循環(huán)阻力（12％）和誘導(dǎo)阻力（7％）。 空氣阻力:

14、 或 其中，ua—汽車車速（km/h），A—迎風(fēng)面積（m²），CD—空氣阻力系數(shù)。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(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)。

15、 （4）車身底部：下平面盡量平整。 （5）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)：仔細(xì)選擇進(jìn)出風(fēng)口位置。,（三）坡度阻力 當(dāng)汽車上坡行駛時(shí)，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(zhì)量（kg），g為重力加速度。 一般路面上坡度較小，此時(shí) Fi=Gsinα≈ Gtgα =Gi

16、 由于坡度阻力與滾動(dòng)阻力均屬于與道路有關(guān)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(dāng)α不大時(shí)，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(shù)Fψ=Gψ。,(四) 加速阻力 汽車的質(zhì)量分為平移的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量?jī)刹糠?。把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力偶矩轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量

17、的慣性力，并以系數(shù)δ作為計(jì)入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車質(zhì)量換算系數(shù)， 因而汽車加速時(shí)的阻力: δ ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，（δ>1）； m ——汽車質(zhì)量，單位為kg； ——行駛加速度。,δ主要與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及傳動(dòng)系的傳動(dòng)比有關(guān)。 根據(jù)推導(dǎo) 若不知道準(zhǔn)確的If、∑Iw值，也可按下述經(jīng)驗(yàn)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(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖與動(dòng)力特性圖,一、汽車行駛方程式 根據(jù)上面逐項(xiàng)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(shí)的受力情況

19、及其平衡關(guān)系，一般是將汽車行駛方程式用圖解法來(lái)進(jìn)行分析。即在汽車驅(qū)動(dòng)力圖上把汽車行駛中經(jīng)常遇到的滾動(dòng)阻力和空氣阻力也算出并畫(huà)上，作出汽車驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖，并以此來(lái)確定汽車的動(dòng)力性。,超速演示,汽車驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖 表征不同車速時(shí)驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力之間的關(guān)系。特征點(diǎn)：最高車速，僅有滾動(dòng)阻力和空氣阻力。 小于最高車速時(shí)，汽車可用剩余驅(qū)動(dòng)力加速或爬坡。

20、 需等速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可工作在部分負(fù)荷特性。,1. 汽車加速能力的評(píng)價(jià)在水平良好路面上行駛時(shí)能產(chǎn)生的加速度：不易測(cè)量。加速時(shí)間：用直接檔行駛時(shí)，由最低穩(wěn)定速度加速到一定距離或80% umax所需時(shí)間。,汽車加速度： 再利用汽車驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖可計(jì)算出各檔節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)的加速度曲線。高檔位時(shí)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(shí)間。,因：dt=du/a

21、，故 加速時(shí)間由積分計(jì)算或圖解積分求出。 用圖解積分法時(shí)，將a-ua曲線轉(zhuǎn)為1/a-ua曲線，曲線下兩個(gè)速度區(qū)間的面積表示通過(guò)此速度區(qū)間的加速時(shí)間；常將速度區(qū)間分為若干間隔，通過(guò)確定面積△1、△2…來(lái)計(jì)算總加速時(shí)間。,BJ1040輕型載貨汽車加速時(shí)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(lái)克服坡度阻力時(shí)所能爬

22、上的坡度。此時(shí)，du/dt=0，即 Fi = Ft - ( Ff + Fw ),以Gsinα作為坡度阻力，代入表達(dá)式，得： 利用驅(qū)動(dòng)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(shí)的最大爬坡度，對(duì)貨車尤其重要。,緊湊型轎車的爬坡度曲線,二、動(dòng)力特性圖,動(dòng)力因數(shù) 將汽車行駛方程除以汽車重力，定義：,汽車在各檔下的動(dòng)力因數(shù)與車速的關(guān)系曲線稱為動(dòng)力特性圖?？梢源藞D分析

23、汽車動(dòng)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(qū)動(dòng)-附著條件與汽車的附著力,一、汽車行駛的驅(qū)動(dòng)條件 Ft≥Ff+Fw+Fi 上式為汽車的驅(qū)動(dòng)條件，可以采用增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、加大傳動(dòng)比等

24、措施來(lái)增大汽車驅(qū)動(dòng)力。汽車行駛除受驅(qū)動(dòng)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(duì)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)輪上的地面法向反作用力； φ—附著系數(shù)，由路面和輪胎決定。,由作用在驅(qū)動(dòng)

25、輪上的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的地面切向反作用不能大于附著力，否則會(huì)發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，即： Ft≤ FZ ·φ 對(duì)后輪驅(qū)動(dòng)汽車： FX2/ FZ2 = Cφ2 ? φ，式中， Cφ2——后輪驅(qū)動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪的附著率 對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)汽車，前輪驅(qū)動(dòng)的附著率也不能大于地面附著系數(shù)。 將驅(qū)動(dòng)條件

26、和附著條件連起來(lái)，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(qū)動(dòng)-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(shù)和地面作用于驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力。 1. 附著系數(shù) 由路面種類、狀況、車速等決定。平均值：良好的混凝土或?yàn)r青路面：

27、 干燥時(shí)，φ＝0.7~0.8 潮濕時(shí)，φ＝0.5~0.6土路：干燥時(shí)，φ＝0.5~0.6 潮濕時(shí)，φ＝0.2~0.4 2. 驅(qū)動(dòng)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(guān)。,G：汽車重力；Tf1、Tf2：作用在前、后輪上的滾動(dòng)阻力偶矩；Tje：作用于橫置發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)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(shí)的受力圖,根據(jù)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(gè)部分構(gòu)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(chǎn)生。

29、 （2）動(dòng)態(tài)分量：加速過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、慣性阻力偶矩產(chǎn)生。,（3）空氣升力：流經(jīng)汽車頂部和底部的空氣流速不同產(chǎn)生。CLf、CLr：前、后空氣升力系數(shù)。 和 （4）滾動(dòng)阻力偶矩產(chǎn)生的分量

30、 很小 若不計(jì)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性阻力偶矩和滾動(dòng)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(qū)動(dòng)輪上的地面切向反作用力,Gw1、Gw2：驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪的重力；m1、m2：驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪的質(zhì)量；WB：車身重力；mB：車身質(zhì)量； T’t：半軸作用于驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩；,,Fp1、Fp2：驅(qū)動(dòng)、從動(dòng)軸作用于驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪的平行于路面的力；Tf1、Tf2：作用在

31、前后輪上的滾動(dòng)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(dòng)輪受力圖： 由車身受力圖： 由驅(qū)動(dòng)輪受力圖： 后輪驅(qū)動(dòng)汽車，地面作用于驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力作用時(shí)要求的最低附著系數(shù)。 1. 加速、上坡行駛時(shí)的附著率 加速、上坡時(shí)驅(qū)動(dòng)輪發(fā)出的驅(qū)動(dòng)力大，要求的附著系數(shù)大。前輪驅(qū)動(dòng)汽車，驅(qū)動(dòng)輪的附著率為 ，式中，q—包含加速阻力在內(nèi)的等效坡度 后輪驅(qū)動(dòng)汽車，驅(qū)動(dòng)輪的附著率和q為,全輪驅(qū)動(dòng)

33、汽車 前、后驅(qū)動(dòng)力分配根據(jù)軸間差速器的結(jié)構(gòu)確定。后軸轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)對(duì)附著率有影響。質(zhì)心位置也有影響。,前、后驅(qū)動(dòng)輪的附著率一般不等。附著率大的驅(qū)動(dòng)輪要求更大的地面附著系數(shù)。 前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)汽車的等效坡度與地面附著系數(shù)的關(guān)系曲線。 可看出：后輪驅(qū)動(dòng)汽車略超過(guò)前輪驅(qū)動(dòng)。四輪驅(qū)動(dòng)超過(guò)單軸驅(qū)動(dòng)。,附著率曲線：達(dá)到相應(yīng)加速度和爬坡度所要求的地面附著系數(shù)。,緊湊型轎車以1、2檔全

34、力加速時(shí)的附著率,緊湊型轎車以1、2檔全力爬坡時(shí)的附著率,2. 高速行駛時(shí)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(guān)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(dá)250km/h、較高升力系數(shù)時(shí)， Cφ2＝0.57，接近瀝青路面附著系數(shù)。當(dāng)車速達(dá)300km/h、中等升力系數(shù)時(shí)， C

35、φ2>0.74，路面不能滿足附著性能要求。,后輪驅(qū)動(dòng)轎車驅(qū)動(dòng)輪地面切向反作用力、法向反作用力、附著率與車速的關(guān)系曲線,第5節(jié) 汽車的功率平衡,汽車行駛時(shí)，不僅驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力互相平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)發(fā)出的功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失功率與全部運(yùn)動(dòng)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(jīng)單位換算整理出汽車功率平衡方程式（單位為kw）

36、 汽車運(yùn)動(dòng)所消耗的功率有滾動(dòng)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(dòng)機(jī)功率Pe、汽車常遇到的阻力功率 與車速的關(guān)系曲線——汽車功率平衡圖,阻力功率在低速時(shí)為斜直線，高速時(shí)斜率變大。 5檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線與阻力功率曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)在良好路面上的最高車速。 汽車在良好路面上以u(píng)等速行駛

37、時(shí)，阻力功率為 ，,對(duì)應(yīng)的部分節(jié)氣門開(kāi)度的發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線為虛線，而發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)功率不大。當(dāng)需要爬坡或加速時(shí)，加大節(jié)氣門開(kāi)度，使汽車發(fā)出全部或部分功率。,后備功率越大，汽車動(dòng)力性越好后備功率越大，汽車經(jīng)濟(jì)性越差（發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率低，燃油消耗量高）,緊湊型轎車