汽车理论教学课件PPT.ppt

汽车理论,汽车理论课程介绍,一、课程的性质任务： 分析讨论汽车的各种性能，推导出各种性能的计算方法； 提出各种性能的评价指标，建立评价指标体系,汽车理论课程介绍,二、教材特点： 以汽车的各种性能为中心展开分析讨论，给出各种性能的定义，推导出各种性能的计算方法；应用各种性能的评价指标，分析汽车性能的优劣。,汽车理论课程介绍,三、要求： 通过课堂教学 要求掌握汽车各种性能的基本理论、评价指标和应用各种性能的评价指标，分析汽车性能的方法。,汽车理论课程介绍,三、要求： 通过课外作业 要求掌握汽车重要性能的计算方法；具有一定的分析汽车性能指标和结构参数之间关系的能力。,汽车理论汽车动力性,定义： 汽车在良好路向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。 动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。,汽车理论汽车动力性,1-1汽车的动力性指标 1)汽车的最高车速 uamax 2)汽车的加速时间 t 3)汽车能爬上的最大坡度 imax,汽车理论汽车动力性,最高车速 uamax 在水平良好的路面(混凝土或沥青)上， 汽车能达到的最高行驶车速。,汽车理论汽车动力性,加速时间 t 表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有着很大影响，特别是轿车对加速时间更为重视。 二种表示方法： 原地起步加速时间 超车加速时间,汽车理论汽车动力性,原地起步加速时间： 汽车由i档或挡起步，并以最大的加速强度(包括选择恰当的换挡时机)逐步换至最高档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的秒数来表达； 也有用096.6km/h(060mile/h)或0100km/h所需的时间来表达。,汽车理论汽车动力性,超车加速时间： 用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。 因为超车时汽车与被超车辆并行，容易发生安全事故，所以超车加速能力强，并行行程短，行驶就安全。 采用较多的是用最高挡或次高档由30km/h或40km/h全力加速行驶至某一高速所需的时间。,汽车理论汽车动力性,用加速过程曲线即车速时间关系曲线全面反映加速能力的。 图11是一些轿车的原地起步加速过程曲线。,汽车理论汽车动力性,最大爬坡度 imax 用满载(或某一载质量)时汽车在良好路面上的最大爬坡度imax表示的。 最大爬坡度是指i挡最大爬坡度。 说明： imax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。,汽车理论汽车动力性,1-2 汽车的驱动力与行驶阻力 确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况 汽车的行驶方程： ft=f ft为驱动力。驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。 f为行驶阻力。滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。,汽车理论汽车动力性,一、汽车的驱动力 汽车的驱动力,汽车理论汽车动力性,(一)发动机的转速特性 发动机转速特性曲线是pe、ttq、b与n之间的函数关系 发动机外特性曲线：发动机节气门全开,汽车理论汽车动力性,发动机负荷特性试验,汽车理论汽车动力性,发动机部分负荷特性曲线： 节气门部分开启,汽车理论汽车动力性,使用外特性曲线： 带上全部附件设备时的发动机特性曲线。 使用外特性曲线的功率小于外特性的功率。一般 汽油机约小15； 货车柴油机约小5； 轿车与轻型汽车柴油机约小10,汽车理论汽车动力性,汽车理论汽车动力性,汽车理论汽车动力性,发动机转矩的计算 如，北京内燃机总厂生产的492q发动机，由试验测得的转矩特性为：,汽车理论汽车动力性,(二)传动系的机械效率 传动系功率损失有：机械损失 液力损失,汽车理论汽车动力性,传动系各部件的传动效率 采用有级机械变速器传动系的轿车，其传动效率可取为0.90.92； 货车、客车可取0.820.85,汽车理论汽车动力性,(三)车轮的半径 自由半径：车轮处于无载时的半径。 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：如以车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系,汽车理论汽车动力性,(四)汽车的驱动力图 发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线ftua,汽车理论汽车动力性,二、汽车的行驶阻力 汽车的行驶阻力 上述诸阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的 坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。在水平道路上等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。,汽车理论汽车动力性,(一)滚动阻力 主要由轮胎变形所引起。 当车速为128152km/h时： 9095 轮胎内部弹性迟滞 210 轮胎与地面之间的摩擦 1.53.5% 空气阻力,汽车理论汽车动力性,前进时，由于弹性迟滞现象压力分布， 前端(d)后端(d),汽车理论汽车动力性,合力fz与法线n-n形成一偏距a;产生一阻力偶； 滚动阻力偶矩： tffz*a,汽车理论汽车动力性,由图111b，,滚动阻力系数：f=a/r 则 fp1=wf 或 f= fp1 /w,汽车理论汽车动力性,小结： 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: ff = wf ff =tf/r 只要知道滚动阻力系数便可以求出滚动阻力,汽车理论汽车动力性,tt：驱动力矩 fx2：驱动力矩所引起的道路对车轮的切向反作用力。 fp2：驱动轴作用于车轮的水平力 fz：法向反作用力,汽车理论汽车动力性,由平衡条件得：,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fx2，它的数值为驱动力ft减去驱动轮上的滚动阻力。所以在受力图上，驱动力是画不出来的。,汽车理论汽车动力性,影响f的因素： 路面种类,汽车理论汽车动力性,影响f的因素： 车速、胎压、轮胎结构,汽车理论汽车动力性,影响f的因素： 驱动力 驱动力系数增加滚动阻力系数迅速增加；,汽车理论汽车动力性,影响f的因素： 轮胎侧偏的影响 比直线行驶增加 5060的滚动阻力 但在一般的动力性分析中不考虑这部分阻力,汽车理论汽车动力性,计算f的经验公式： 货车 f=0.0076+0.000056ua,汽车理论汽车动力性,计算f的经验公式： 轿车,汽车理论汽车动力性,(二)空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。 空气阻力分为两部分： 压力阻力 摩擦阻力,汽车理论汽车动力性,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， 摩擦阻力： 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。,汽车理论汽车动力性,车身空气动力学仿真车身周围的流场,汽车理论汽车动力性,压力阻力又分为： 形状阻力：与车身立体形状有很大关系（58） 干扰阻力：由车身表面凸起物（如后视镜、门把手等） 引起（44） 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（12） 诱导阻力：空气升力在水平方向的投影（7） 摩擦阻力 （9）,汽车理论汽车动力性,空气阻力计算公式：,a：迎风面积(m2)；ua：车速（km/h) cd：空气阻力系数 5070年代初 0.40.6 90年代 0.2504 通用ev1为0.19,汽车理论汽车动力性,降低cd的措施,汽车理论汽车动力性,车身空气动力学仿真,汽车理论汽车动力性,车身空气动力学仿真车尾部流场,汽车理论汽车动力性,风洞试验,汽车理论汽车动力性,(三)坡度阻力 汽车重力沿坡道的分力 fi = gsina 道路坡度 i=h/s 道路阻力 fy=g(f+i) 令 f+i=y,道路阻力系数 fy=g y,汽车理论汽车动力性,(四)加速阻力 汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力 fj=dmdu/dt d：汽车质量换算系数,汽车理论汽车动力性,三、汽车行驶方程 ft=ff +fw+ fi+fj 或,汽车理论汽车动力性,应用功率方程推导d,汽车理论汽车动力性,应用功率方程推导d,汽车理论汽车动力性,应用功率方程推导d,汽车理论汽车动力性,应用功率方程推导d,汽车理论汽车动力性,应用功率方程推导d,汽车理论汽车动力性,一、驱动力行驶阻力平衡图 作用： 清晰、形象表明汽车行驶时受力情况及其平衡关系，以便分析动力性 定义： 在汽车驱动力图上加上遇到的滚动阻力和空气阻力,1-3 驱动力行驶阻力平衡图与动力特性图,汽车理论汽车动力性,直接确定出最高车速点 节气门全开，当驱动力大于阻力时，后备驱动力可加速、爬坡 当匀速行驶，可半开节气阀,汽车理论汽车动力性,加速时间计算,汽车理论汽车动力性,加速时间计算,汽车理论汽车动力性,爬坡能力计算 fj = 0 fi = ft-(ff+fw),汽车理论汽车动力性,二、动力特性图 定义：汽车在各挡下的动力因数与车速的关系曲线称为动力特性图 动力因数：,汽车理论汽车动力性,最高车速，fua的交点 直接档最大动力因数，d0max 一档最大动力因数， d1max 加速度，du/dt=g(d-f)/d 最大爬坡度，d曲线与f曲线间的距离 du/dt=0 d=y=f+i,汽车理论汽车动力性,一、驱动附着条件 驱动条件（必要条件）： ftfffwfi 附着条件（充要条件）： 地面对轮胎切向反作用力的极限位称为附着力ff fxmax=ff=fzf 对于后轮驱动的汽车，(tt-tf2)/r=fx2fz2f 附着率，cf2=fx2/fz2 故有： cf2 f,1-4汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,汽车理论汽车动力性,二、汽车的附着力与地面法向反作用力 汽车的附着力决定于附着系数以及地面作用于驱动轮的法向反作用力。 f的平均值 干燥的良好混凝土或沥青路面 0.70.8 潮湿的良好混凝土或沥青路面 0.50.6 干燥的碎石路面 0.60.7 干燥的土路面 0.50.6 潮湿的土路面 0.20.4,汽车理论汽车动力性,地面法向反作用力,汽车理论汽车动力性,地面法向反作用力 对前后轮接触中心取力矩，得： 前后轮法向反作用力由四部分组成,汽车理论汽车动力性,（1）静态轴荷的法向反作用力,汽车理论汽车动力性,（2）动态分量,汽车理论汽车动力性,（3）空气升力 clf和clr为前后轴空气升力系数,汽车理论汽车动力性,前后空气升力系数,汽车理论汽车动力性,cd与clr的关系,汽车理论汽车动力性,（4）滚动阻力偶矩产生的部分（忽略） 汽车前、后地面法向反作用力,汽车理论汽车动力性,三、作用在驱动轮上的地面切向反作用力,汽车理论汽车动力性,三、作用在驱动轮上的地面切向反作用力,汽车理论汽车动力性,三、作用在驱动轮上的地面切向反作用力,汽车理论汽车动力性,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。 考虑两种极限工况： 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。 在水平路段上以极高车速行驶时，要求的附着系数也大。,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率 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,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(一)加速、上坡行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,(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i=0、du/dto，便可求得高速行驶时后轮驱动汽车的后驱动轮附着率为,汽车理论汽车动力性,(二)高速行驶时的附着率,汽车理论汽车动力性,发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。 作用： 选择适当发动机的理论依据之一。,1-5 汽车的功率平衡,汽车理论汽车动力性,平衡方程：,汽车理论汽车动力性,汽车功率平衡图： (peua)+(pf+pw)/ht 特点： 阻力曲线低速为直线(pf),高速时三次曲线( pw) 交点为最高车速，一般在最大功率点右端 后备功率pe(pf+pw)/ht，后备功率大，加速、爬坡能力强，动力性好。,汽车理论汽车的燃油经济性,定义： 在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消量经济行驶的能力，称作汽车的燃油经济性。 发动机的燃油消耗率与排放污染是有密切关系的，只能在保证排放达到有关法规要求的前提下来降低发动机的燃油消耗率，提高汽车的燃油经济性。,汽车理论汽车的燃油经济性,2-1 评价指标 汽车的燃油经济性常用定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。 单位： l/100km 越小，经济性越好 mpg(mile/usgal) 越大经济性越好,汽车理论汽车的燃油经济性,评价指标： 等速百公里油耗： 指汽车在定载荷(我国标被规定轿车为半载、货车为满载)下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。 常测出每隔10km/h或20km/h速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连成曲线，称为等违百公里燃油消耗量曲线，用它来评价汽车的燃油经济性。,汽车理论汽车的燃油经济性,评价指标： 循环行驶试验工况,汽车理论汽车的燃油经济性,评价指标： 循环行驶试验工况,汽车理论汽车的燃油经济性,评价指标： 循环行驶试验工况,汽车理论汽车的燃油经济性,一些轿车的epa循环工况油耗,汽车理论汽车的燃油经济性,2-2 汽车燃油经济性的计算 1等速行驶工况燃油消耗量的计算 发动机万有特性曲线 图中有一系列等燃油消耗率曲线 b：一定功率下的燃油消耗率,汽车理论汽车的燃油经济性,1等速行驶工况燃油消耗量的计算 由车速算出阻力功率，p=(pf+pw)/ht 由车速和阻力功率在图上确定燃油消耗率b 计算出等速行驶时单位时间内的燃油消耗量(ml/s) 行程为s时的燃油消耗量 折算成100公里油耗,汽车理论汽车的燃油经济性,2等加速行驶工况燃油消耗量的计算 在汽车加速行驶时，发动机还要提供为克服加速阻力所消耗的功率。,汽车理论汽车的燃油经济性,由ua1以等加速度加速行驶至ua2的燃油消耗量 把加速过程分隔为着干区间 例如按速度每增加1km/h为 一个小区间，每个区间的燃 油消耗量可根据其平均的单 位时间燃油消耗量与行驶时 间之积来求得。,汽车理论汽车的燃油经济性,2-3 影响汽车燃油经济性的因素 美国中型轿车在epa城市和epa公路循环工况中的燃油化学能与汽车各处消耗能量的平衡图,汽车理论汽车的燃油经济性,一、使用方面 1行驶车速 在接近于低速的中等车速时qs最低，高速时随车速增加qs迅速加大。这是因为在高速行驶时。虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力增加很多而导致百公里油耗增加的缘故 2挡位选择 在一定道路上，汽车用不同排挡行驶，燃油消耗量是不一样的。显然，在同道路条件与车速下，虽然发动机发出的功率相同，但挡位越低，后备功率越大，发动机的负荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用高挡时的情况则相反。,汽车理论汽车的燃油经济性,3挂车的应用 拖带挂车后，虽然汽车总的燃油消耗量增加了，但以1ootkm计的油耗却下降了，即分摊到每吨货物上的油耗下降了。拖带挂车后节省燃油的原因有两个: 带挂车后阻力增加，发动机的负荷率增加使燃油消耗率b下降； 汽车列车的质量利用系数(即装载质量与整车整备质量之比)较大。 4.正确地保养与调整 汽车的调整与保养会影响到发动机的性能与汽车行驶阻力，所以对百公里油耗有相当影响。,汽车理论汽车的燃油经济性,二、汽车结构方面 (一)缩减轿车总尺寸相减轻质量,汽车理论汽车的燃油经济性,(二)发动机 发动机中的热损失与机械损耗占燃油化学能中的65左右。目前看来提高发动机经济性的主要途径为： 1)提高现有汽油发动机的热效率与机械效率。 2)扩大柴油发动机的应用范围(1996年西欧柴油轿车的市场份额已达21.5)。 3)增压化(目前常提供选用的增压汽油机，采用增压的柴油机已很普遍)。 4)广泛采用电子计算机控制技术。,汽车理论汽车的燃油经济性,(二)传动系 传动系的档数增多后，增加了选用合适挡位位发动机处于经济工作状况的机会，有利于提高燃油经济性。 档数无限的无级变速器，在任何条件下都提供了使发动机在最经济工况下工作的可能性；若无级变速器始终能维持较高的机械效率，则汽车的燃油经济性格显著提高。,汽车理论汽车的燃油经济性,发动机的最经济工况“最小燃油消耗特性”和保证发动机能最经济工作的“无级变速器调节特性”。 发动机最小燃油消耗特性,汽车理论汽车的燃油经济性,无级变速器的调节特性 a对某汽车而言为常数 ab为变速器最大传动比，ed为最小传 动比。bc表示发动机转速为最大功率 转速时i与车速的关系曲线。ae表示 发动机最低转速时i与车速的关系曲 线。 ae与bcd曲线间所包含的曲线，表示 在不同道路阻力下无级变速器的调速 特性。,汽车理论汽车的燃油经济性,五档自动变速器结构,汽车理论汽车的燃油经济性,钢带式无级变速器(cvt)的工作原理,汽车理论汽车的燃油经济性,钢带式无级变速器(cvt)的结构,汽车理论汽车的燃油经济性,(四)汽车外形与轮胎 降低cd值是节约燃油的有效途径。,汽车理论汽车的燃油经济性,滚动阻力及不同轮胎与燃油消耗量的关系,汽车理论汽车动力装置参数的选定,汽车动力装置参数： 指发动机的功率、传动系的传动比。 汽车动力装置参数选择依据： 汽车的动力性与燃油经济性,汽车理论汽车动力装置参数的选定,3-1 汽车发动机功率的选择 根据最高车速确定发动机功率 根据比功率确定发动机功率（kw/t),汽车理论汽车动力装置参数的选定,比功率与汽车总质量的关系,汽车理论汽车动力装置参数的选定,比功率与汽车总质量的关系,汽车理论汽车动力装置参数的选定,3-2 最小传动比的选择 传动系总传动比：it=igi0ic ig 为变速器的传动比； i0 为主减速器的传动比； ic 为分动器或副变速器的传动比,汽车理论汽车动力装置参数的选定,ig 1时的最小传动比 itmin=i0,汽车理论汽车动力装置参数的选定,3-3 最大传动比的选择 itmax=ig1i0 要考虑三方面的问题： 最大爬坡度 附着率 汽车最低稳定车速,汽车理论汽车动力装置参数的选定,根据最大爬坡度确定itmax,汽车理论汽车动力装置参数的选定,根据最低稳定车速确定itmax（越野车）,汽车理论汽车动力装置参数的选定,3-4 传动系挡数与各挡传动比的选择 档数多的优点： 增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速与爬坡能力。动力性好 增加了发动机在低燃油消耗率区工作的可能性，降低了油耗。改善汽车的燃油经济性 缺点：结构复杂,汽车理论汽车动力装置参数的选定,档数的确定 档数由q=itmax/itmin比值的大小确定 q大，档数多 q小，档数少,汽车理论汽车动力装置参数的选定,各档传动比的确定 原则： 从动力性考虑，加速时间最短 从经济性考虑，换档时的功率损失最小,汽车理论汽车动力装置参数的选定,各档传动比的确定 一般按等比级数分配各档传动比,汽车理论汽车的制动性,定义： 汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力，称为汽车的制动性。,汽车理论汽车的制动性,4-1 制动性的评价指标 1) 制动效能，即制动距离与制动减速度 2) 制动效能的恒定性，即抗热衰退和抗水衰退性能 3) 制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能,汽车理论汽车的制动性,制动效能 制动效能是指在良好路面上，汽车以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度。 它是制动性能最基本的评价指标。,汽车理论汽车的制动性,制动效能的恒定性 抗热衰退性能：汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。 动能热能 抗水衰退性能：涉水行驶后，制动效能保持的程度。,汽车理论汽车的制动性,制动时汽车的方向稳定性 用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价。 若制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力，则汽车将偏离原来的路径。,汽车理论汽车的制动性,轿车制动规范对行车制动器制动性的部分要求,汽车理论汽车的制动性,4-2 制动时车轮的受力 一、地面制动力 由地面提供的、使汽车减速或停车的外力。 地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离也越短,汽车理论汽车的制动性,从力矩平衡可得到： tm是车轮制动器中摩擦片与制动鼓成盘相对滑转时的摩擦力矩，单位为nm；,汽车理论汽车的制动性,地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力， 地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力 一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘间的摩擦力， 一个是轮胎与地面间的摩擦力附着力,汽车理论汽车的制动性,二、制动器制动力 在轮胎周缘为了克服制动器摩接力矩所需的力称为制动器制动力，以符号fm表示。 它相当于把汽车架离地面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力。显然：,汽车理论汽车的制动性,制动器制动力仅由制动器结构参数所决定。 制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数以及车轮半径； 与制动踏板力，即制动系的液压或空气压力成正比。,汽车理论汽车的制动性,fxbff=fzf fxbmax=fzf 结论： fxb首先取决于fm；同时受ff限制。,三、地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系,汽车理论汽车的制动性,制动时车轮运动三阶段： 第一阶段，近似纯滚动 uwrr0ww 第二阶段， 边滚边滑 uwrr0ww 随制动强度提高 uw rr0ww 第三阶段，拖滑 ww0,四、硬路面上的附着系数,汽车理论汽车的制动性,滑动率s： s=0 uw=rr0ww 近似纯滚动 s=100% ww=0 拖滑 0s 100% 边滚边滑 s大滑动成分多，s小滚动成分多,汽车理论汽车的制动性,fb-s曲线： oa段，近似直线。随s增加而迅速增大 过a点后上升缓慢 b点，最大值称为峰值附着系数fp。对应s1520。 s100滑动附着系数fs。 令g= fs / fp (11/3),汽车理论汽车的制动性,有侧偏时fb-s、 fl-s曲线： 滑动率越低，同一侧偏角条件下的侧向力系数fl越大，即轮胎保持转向、防止例滑的能力越大。,汽车理论汽车的制动性,影响f的因数： 道路材料，路面状况 车速 轮胎结构，胎面花纹，材料,汽车理论汽车的制动性,车速对制动力系数曲线的影响：,汽车理论汽车的制动性,轮胎结构，胎面花纹，材料的影响：,滑水现象： 在胎面下的动水压力的升力等于垂直载荷时，轮胎将完全漂浮在水膜上面而与路面毫不接触 滑水车速：,汽车理论汽车的制动性,4-3 汽车的制动效能及其恒定性 制动效能： 汽车迅速降低车速直至停车的能力。 评定制动效能的指标： 制动距离s和制动减速度ab。,汽车理论汽车的制动性,一、制动距离和制动减速度 制动距离： 汽车速度为u0时，从驾驶员开始操纵制动控制装置(制动踏板)到汽车完全停住为止所驶过的距离。 与制动踏板力、路面附着条件、车辆载荷、发动机是否结合等许多因素有关。,汽车理论汽车的制动性,一、制动距离和制动减速度 制动减速度： 是制动时车速对时间的导数。 它反映了地面制动力的大小，因此与制动器制动力(车轮滚动时)及附着力(车轮抱死拖滑时)有关。,汽车理论汽车的制动性,制动减速度 由于在不同路面上，fxb=fbg 故汽车能达到的减速为(m/s)为， abmax=fbg 若允许汽车的前、后车轮同时抱死，则 abmax=fsg 若装有理想的制动防抱装置则制动减速度为 abmax=fpg,汽车理论汽车的制动性,我国行业标准采用平均减速度的概念 tl为制动压力达到75最大压力pmax的时刻； t2为到停车时总时间的23的时刻。,汽车理论汽车的制动性,二、制动距离的分析 驾驶员反应时间 0.3-1s 制动器作用时间 0.2-0.9s 制动器持续时间 t3 放松制动时间 t40.2-1s 一般： s=s2+s3 制动器起作用和持续制动驶过的距离,汽车理论汽车的制动性,总制动距离（m）： ua0:初速度(km/h)；abmax：持续阶段减速度 决定汽车制动距离的主要因素： 制动器起作用的时间t2 ，越短，s越小 最大制动减速度abmax，越大， s越小 制动初始速度ua0 ，越小，s越小,汽车理论汽车的制动性,三、制动效能的恒定性 主要指的是抗热衰退性能。 抗热衰退性能一般用一系列连续制动时制动效能的保持程度来衡量。 根据国家行业标准zbt2400789，要求以一定车速连续制动15次，每次的制动强度为3ms-2，最后的制动效能应不低于规定的冷试验制动效能(5.8 3ms-2 )的60(在制动踏板力相同的条件下)。,汽车理论汽车的制动性,影响制动效能的因数 摩擦材料 正常情况下温度200 m=0.30.4 温度升高， m下降 结构型式 效能因数稳定性,汽车理论汽车的制动性,4-4 制动时汽车的方向稳定性 制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力 制动跑偏 侧滑 丧失转向能力,汽车理论汽车的制动性,一、制动跑偏 制动时汽车自动向左或向右偏驶,汽车理论汽车的制动性,制动跑偏原因： 1)汽车左、右车轮制动器的制动力不相等 向左、向右跑偏不定 属制造、调整误差,汽车理论汽车的制动性,制动跑偏原因： 2)制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调(互相干涉) 总向左或右跑偏，属设计原因,汽车理论汽车的制动性,二、制动时后轴侧滑与前轴转向能力的丧失 侧滑：制动时，汽车的某一轴或两轴发生横向位移。最危险的是后轴侧滑。 前轴转向能力的丧失：在弯道制动时，汽车不再按原来弯道行驶而沿弯道切线方向驶出或直线行驶制动时转动转向盘，汽车仍然按直线行驶的现象。,汽车理论汽车的制动性,二、制动时后轴侧滑与前轴转向能力的丧失,汽车理论汽车的制动性,试验总结： 1)制动过程中，若是只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑，汽车基本上沿直线向前行驶(减速停车)；汽车处于稳定状态，但丧失转向能力。 2)若后轮比前轮提前一定时间(如对试验中的汽车为0.5s以上)先抱死拖滑，且车速超过某一数值(如试验中的汽车车速超过48km/h)时，汽车在轻微的侧向力作用下就会发生侧滑。 路面越滑、制动距离和制动时间越长，后轴侧滑越剧烈。,汽车理论汽车的制动性,前轮抱死拖滑或后轮抱死拖滑的受力分析,汽车理论汽车的制动性,小结： 不能出现只有后轴车轮抱死或后轴车轮比前轴车轮先抱死的情况，以防止危险的后轴侧滑 尽量少出现只有前轴车轮抱死或前、后车轮都抱死的情况，以维持汽车的转向能力 最理想的情况就是防止任何车轮抱死，前、后车轮都处于滚动状态,汽车理论汽车的制动性,4-5 前、后制动器制动力的比例关系 对于装有普通制动系统的汽车而言，当制动器制动力足够时，制动过程可能出现如下三种情况，即： 1)前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑。 2)后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑。 3)前、后轮同时抱死拖滑。,汽车理论汽车的制动性,前、后制动器制动力比例分配考虑的因数 附着条件的利用程度 附着力大，分配的制动力大 制动时的方向稳定性 尽量避免出现侧滑、甩尾,汽车理论汽车的制动性,一、地面对前、后车轮的法向反作用力,汽车理论汽车的制动性,对前、后车轮取矩可得：,汽车理论汽车的制动性,令du/dt=zg z：制动强度 可得地面法向反作用力为： fz1=g(b+zhg)/l fz2=g(a-zhg)/l,汽车理论汽车的制动性,若在不同附着系数的路面上制动，前、后轮都抱死. 此时fxbff=gf,或du/dtfg。 前、后轮的法向反力为 fz1=g(b+fhg)/l fz2=g(a-fhg)/l,汽车理论汽车的制动性,二、理想的前、后制动器制动力分配曲线 前、后轮同时抱死时的制动器制动力fm1和fm2的关系曲线 fm1 + fm2 =fg fm1 = ffz1 fm2 = ffz2 消去变量f后，得：,汽车理论汽车的制动性,作图法（i曲线） 由上式作45度平行线 由上式作射线。 交点即为i线,汽车理论汽车的制动性,i曲线特点 fm1 = fxb1=ff1 fm2 = fxb2=ff2,汽车理论汽车的制动性,三、具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着系数 制动器制动力分配系数： b= fm1/ fm fm=fm1+ fm2 fm1= bfm fm2=(1-b) fm,汽车理论汽车的制动性,b线： 此线通过坐标原点，其斜率为,汽车理论汽车的制动性,f0 ：同步附着系数。i线与b线的交点 前、后制动器制动力为固定比值的汽车。只有在同步附着系数路面上制动时才能使前、后车轮同时抱死,汽车理论汽车的制动性,f线组：前轮抱死而后轮没有抱死时的前、后地面制动力关系曲线。 当前轮抱死时： 由于，fxb=fxb1+fxb2,四、前、后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面上制动过程的分析,汽车理论汽车的制动性,f线组特点： 与纵坐标交点(0,gb/hg)与f无关 fxb2=0时， fxb1=fgb/(l-fhg)，与横坐标交点a,b,c 此时fxb= fxb1fg，后轮未抱死 当fxb1与fxb2 fxb最后f线与i线相交。前后轮都抱死。 i线以上无意义,汽车理论汽车的制动性,r线组：前轮没有抱死而后轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线。 当后轮抱死时： 由于，fxb=fxb1+fxb2,汽车理论汽车的制动性,r线组特点： 与横坐标交点(ga/hg , 0)与f无关 fxb1=0时， fxb2=fga/(l+fhg)，与纵坐标交点a,b,c 此时fxb= fxb2fg，前轮未抱死 当fxb1 ，fxb2 fxb最后r线与i线相交。前后轮都抱死。 i线以下无意义,汽车理论汽车的制动性,由于f线和r线交点满足： fxb1= f fz1 fxb2= f fz2 连接f线和r线交点即得i线,汽车理论汽车的制动性,利用b线i线f和r线组分析汽车在不同f值路面上的制动过程 f= f0,汽车理论汽车的制动性,f f0,汽车理论汽车的制动性,ff0,汽车理论汽车的制动性,五、利用附着系数与制动效率 利用附着系数： 汽车以一定减速度制动时，除去制动强度zf0以外，不发生车轮抱死所要求的(最小)路面附着系数总大于其制动强度。 定量表示：,汽车理论汽车的制动性,前轴利用附着系数 汽车前轮刚要抱死或前、 后轮同时刚要抱死 后轴利用附着系数 汽车后轮刚要抱死或前、 后轮同时刚要抱死,汽车理论汽车的制动性,制动效率 车轮将要抱死时的制动强度与被利用的附着系数之比。 前轴的制动效率 后轴的制动效率,汽车理论汽车的制动性,六、对前、后制动器制动力分配的要求 结论： b线应总是在i曲线下方（防止后轴先抱死） b线应越靠近i曲线越好（为了提高附着效率）,汽车理论汽车的制动性,1按利用附着系数曲线图来考虑 前轴利用附着系数曲线应总在450对角线上方，即总在后轴利用附着系数曲线的上方； 应靠近图中的对角线(fz)。 （ece）制动法规 f0.20.8之间的各种车辆，要求制功强度 z=0.1十0.85(f-0. 2),汽车理论汽车的制动性,2具有变比值的前、后制动器制动力的分配特性,汽车理论汽车的制动性,七、制动防抱死装置(abs),汽车理论汽车的制动性,bosch公司abs5.3型的液压原理图。 关闭出油阀打开进油阀，压力增加； 关闭进油阂，打开出油阀，压力减少； 进油阀和出油阀同时关闭，保持压力不变,汽车理论汽车的操纵稳定性,定义： 在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，所以人们称之为“高速车辆的生命线”,汽车理论汽车的操纵稳定性,5-1 概述 一、汽车操纵稳定性包含的内容 表51 汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用物理参量,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、汽车操纵稳定性包含的内容,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、汽车操纵稳定性包含的内容,汽车理论汽车的操纵稳定性,二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应 车辆坐标系,汽车理论汽车的操纵稳定性,汽车的时域响应 稳态响应 不随时间变化 瞬态响应 随时间变化 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应： 即给汽车以转向盘角阶跃输入，一般汽车经短暂时间后便进入等速圆周行驶 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应： 在等速直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程相应的瞬态运动,汽车理论汽车的操纵稳定性,汽车的稳态转向特性 不足转向 中性转向 过多转向,汽车理论汽车的操纵稳定性,汽车的瞬态响应特点 时间上的滞后：反应时间 t 执行上的误差：超调量wr1/wr0 横摆角速度波动波动频率 wr 稳定时间 s,汽车理论汽车的操纵稳定性,人车闭路系统,汽车理论汽车的操纵稳定性,5-2 轮胎的侧偏特性 侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、轮胎的坐标系,汽车理论汽车的操纵稳定性,二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,刚性轮胎 当fy附着极限，车轮与地面间没有滑动车轮沿自身平面方向行驶 当fy附着极限，车轮发生侧向滑动，车轮沿u方向行驶,汽车理论汽车的操纵稳定性,弹性轮胎的侧偏现象 当车轮有侧向弹性时，即使fy没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面的方向，这就是轮胎的侧偏现象。,汽车理论汽车的操纵稳定性,弹性轮胎的侧偏现象 静止时错开h,汽车理论汽车的操纵稳定性,弹性轮胎的侧偏现象 滚动时,汽车理论汽车的操纵稳定性,弹性轮胎的侧偏特性 a50，fya为线性关系 fya曲线在a00的斜率为侧偏刚度k k为负值，与fy反向 fya的关系 fy k a,汽车理论汽车的操纵稳定性,三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响 结构、尺寸 a)尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。 b)子午线轮胎接地面宽，一般侧偏刚度较高。 c)钢丝子午线轮胎比尼龙子午线的侧偏刚度还要高些。,汽车理论汽车的操纵稳定性,扁平率 轮胎断面高与轮胎断面宽之比h/b x100 60系列即扁平率为60,汽车理论汽车的操纵稳定性,垂直载荷,汽车理论汽车的操纵稳定性,充气气压 行驶车速 影响很小,汽车理论汽车的操纵稳定性,纵向力 这组曲线的包络线为附着椭圆,汽车理论汽车的操纵稳定性,路面及其状态 路面的粗糙程度、干湿状况对侧偏特性，尤其是最大侧偏力有很大影响,汽车理论汽车的操纵稳定性,四、回正力矩tz绕oz轴的力矩 使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之 tz=fye e是轮胎拖距,汽车理论汽车的操纵稳定性,四、回正力矩tz绕oz轴的力矩,汽车理论汽车的操纵稳定性,回正力矩开始时线性增大 侧偏角为4060时达到最大值 侧偏角再增大，回正力矩下降 在100160时回正力矩为零 侧偏角再大，回正力矩成为负值 回正力矩随垂直载荷的增大而增加,汽车理论汽车的操纵稳定性,轮胎的形式及结构参数对回正力矩侧偏角特性有重要影响。 在同样侧偏角下，尺寸大的轮胎般回正力矩较大。 子午线轮胎的回正力矩比斜交轮胎大。 轮胎的气压低，接地印迹长，轮胎拖距大，回正力矩也就大。,汽车理论汽车的操纵稳定性,地面切向反作用力对回正力矩的影响 随着驱动力的增加回正力矩达最大值后再下降。 在制动力作用下，回正力矩不断减小，到一定制动力时下降为零。其后便变为负值,汽车理论汽车的操纵稳定性,五、有外倾角时轮胎的滚动 外倾侧向力fyg 外倾侧向力与外倾角的关系式为 fyg kgg kg为负值，称作外倾刚度 单位为nrad或n(。),汽车理论汽车的操纵稳定性,不同外倾角下轮胎的侧偏特性具有平移的特点,汽车理论汽车的操纵稳定性,a、b、c平行，g不同时k相同 a0时，fyfyg fy=0时，由g引起da da =-(kgg)/k g为正时， da为负 侧偏力为fy时， a a0 da 侧偏角为a时， fy cd+ed 即 fy = fya+ fyg=ka+kgg,汽车理论汽车的操纵稳定性,车轮外倾角与回正力矩,汽车理论汽车的操纵稳定性,按照轮胎坐标系的规定： 正侧偏角对应于负的侧偏力与正的回正力矩 正外倾角对应于负的外倾侧向力与负的外倾回正力矩,汽车理论汽车的操纵稳定性,5-3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程 沿ox轴的速度分量 考虑到q很小并忽略二阶微量，有 质心加速度在ox轴的分量 质心加速度在oy轴的分量,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程 二自由度汽车受到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩和为 考虑到d角较小，上式可写作,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程 汽车前、后轮侧偏角与其运动参数有关。其值为 根据坐标系的规定，前、后轮侧偏角为,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程 由此，可列出外力、外力矩与汽车运动参数的关系式为 所以，二自由度汽车的运动微分方程式为,汽车理论汽车的操纵稳定性,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程 整理后得二自由度汽车运动微分方程式为 这个联立方程式虽很简单，但却包含了最重要 的汽车质量与轮胎侧偏刚度两方面的参数，所以能 够反映汽车曲线运动最基本的特征。,汽车理论汽车的操纵稳定性,二、前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应等速圆周行驶 (一)稳态响应 汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。 评价： 稳态横摆角速度增益（转向灵敏度）： 稳态的横摆角速度与前轮转角之比 以符号表示：,汽车理论汽车的操纵稳定性,(一)稳态响应 稳态时横摆角速度为定值，以此代入上式得,汽车理论汽车的操纵稳定性,(一)稳态响应 将式中两式联立并消去v，便可求得稳态横摆角速度增益为,汽车理论汽车的操纵稳定性,(二)稳态响应的三种类型 k稳定性因数，单位为s2/m2， 中性转向： k 0 不足转向： k 0 特征车速 过多转向： k 0 临界车速,汽车理论汽车的操纵稳定性,(三)几个表征稳态响应的参数 1、前、后轮侧偏角绝对值之差(a1a2) 不足 (a1-a2) 0 k 0 中性 (a1-a2) =0 k =0 过多 (a1-a2) 0 k 0,汽车理论汽车的操纵稳定性,(a1a2)ay曲线 ay0.30.4g后，呈非线性关系。轮胎特性已为非线性，稳态特性会发生变化 实际中，应以曲线斜率判断转向特性 斜率0 不足转向 斜率0 中性转向 斜率0 过多转向,汽车理论汽车的操纵稳定性,2转向半径的比rr0 rd的关系 车速极低时 r0=u/l,汽车理论汽车的操纵稳定性,2转向半径的比rr0 k=0 r/r0=1 中性转向 k0 r/r01 不足转向 k0 r/r01 过多转向,汽车理论汽车的操纵稳定性,3静态储备系数s.m 中性转向点： 使汽车前、后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点。 静态储备系数s.m. 中性转向点至前轴距离和汽车质心至前轴距离之差(a-a)与轴距l之比值,汽车理论汽车的操纵稳定性,3静态储备系数s.m s.m.为正，a a 不足转向 s.m.为零， a =a 中性转向 s.m.为负， a a 过多转向,汽车理论汽车的操纵稳定性,三、前轮角阶跃输入下的瞬态响应 (一)前轮角阶跃输入下的横摆角速度瞬态响应,汽车理论汽车的操纵稳定性,汽车理论汽车的操纵稳定性,汽车前轮角阶跃输入时，前轮转角的数学表达式为,汽车理论汽车的操纵稳定性,汽车理论汽车的操纵稳定性,z1，称为大阻尼，wr(t)单调上升 t wr wr0 当uucr后 wr z 1，称为临界阻尼， wr(t)也是单调上升 t wr wr0 z1，称为小阻尼， wr(t)是一条收敛于wr0的减幅正弦曲线。,汽车理论汽车的操纵稳定性,z1，wr(t)表达式,汽车理论汽车的操纵稳定性,下面确定积分常数c、a1、a2,汽车理论汽车的操纵稳定性,t=0 wr =0 t=,汽车理论汽车的操纵稳定性,表征瞬态响应品质好坏的几个参数 1横摆角速度wr波动时的固有圆频率w0 w0 高，好 f0=w0/2p f0 =1,汽车理论汽车的操纵稳定性,2阻尼比z 由超调量决定,汽车理论汽车的操纵稳定性,3反应时间t 指角阶跃转向输入后，横摆角速度第一次达到稳定值wr0所需的时间。 也有取达到0.9 wr0或0.63 wr0 值所需的时间。 t小一些，好,汽车理论汽车的操纵稳定性,4达到第一峰值wrl的时间e 近代轿车e=0.230.59s 汽车因数：t.b.=eb=0.251.45s(o),汽车理论汽车的操纵稳定性,(二)瞬态响应的稳定条件 由通解 式中，k1、k2为负，zw0恒为正。 故z1时，收敛,汽车理论汽车的操纵稳定性,当z1时 为负 值，才收敛 此时要求w02为正 当k0 ak1-bk2 0 第一项为正，不足转向，收敛 当k0 ak1-bk2 0 第一项为负，过多转向，收敛取决第二项 当u小，第二项大， w02可为正，收敛 当u大，第二项小， w02可为负，发散 说明对过多转向特性的汽车，当w02为负时，不稳定,汽车理论汽车的操纵稳定性,四、横摆角速度频率响应特性 幅频特性a(f) ：输出、输入的幅值之比(f的函数) 相频特性f(f)：输出、输入的相位差(f的函数) 以前轮转角d或转向盘转角dsw为输入，汽车横摆角速度 wr为输出的汽车横摆角速度频率响应特性来表征汽车的 动特性。,汽车理论汽车的操纵稳定性,二自由度汽车模型的横摆角速度频率特性,汽车理论汽车的操纵稳定性,二自由度汽车模型的横摆角速度频率特