汽车理论---第一章汽车动力性(1.3-1.5).ppt

1.3 汽车驱动力-行驶阻力平衡图,便可分析汽车在附着条件良好路面上的行驶能力。即在油门全开时，汽车可能达到最高车速、加速能力和爬坡能力。,行驶方程式反映了汽车行驶时，驱动力和外界阻力之间的普遍情况。当已知条件：,理论上讲可以用汽车行驶方程采用解析方式求解最高车速、加速能力和爬坡能力。但非常复杂.,利用图解法可直观表达汽车结构与使用参数对性能指标的影响，这在课程学习中是最经常采用的一种方法.,驱动力与行驶阻力平衡图定义 为了清晰地描述汽车行驶时受力情况及其平衡关系，通常将平衡方程式用图解方式进行描述，即将驱动力Ft和常见行驶阻力Fw和Ff 绘在同一张图上。,驱动力行驶阻力平衡图的绘制：,驱动力行驶阻力平衡图由两部分组成： 一部分是各档的驱动力曲线Ft-va； 另一部分是在平直良好的沥青或水泥路面上，等速行驶的总阻力曲线 （Ff+Fw）-va,第三节 汽车的驱动力行 驶阻力平衡图与动力特性图,在驱动力图的基础上，画出Ff+FW=f (ua) 就是驱动力行驶阻力平衡图。,一、驱动力行驶阻力平衡图,Ff,Ff+FW,利用驱动力-行驶阻力平衡图进行动力性评价：,1. 最大速度uamax ： 2. 加速能力：t 3. 最大爬坡度:i1max,Ff,Ff+FW,uamax,第三节 汽车的驱动力行 驶阻力平衡图与动力特性图,最高车速行驶时 Fi=0 Fj=0 Ft=Ff+Fw,发动机以部分负荷工作即可,思考,当Ff+FW与Ft5没有交点时，如何确定最高车速？此时对应的发动机工况如何？,1.确定uamax,确定汽车的最高车速Vamax:,如图所示，交点处对应的车速即为最高车速Vamax。如果油门踏到底，其余点具有剩余驱动力，该车在剩余驱动力作用下加速。,uamax=205km/h,奥迪A4 轿车驱动力行驶阻力平衡图,图125 汽车驱动力行驶阻力平衡图,驱动力Ft,2. 加速能力 它用aj,但aj不方便评价。通常用加速时间或加速距离来评价。,图1-25 汽车加速度速度图,加速度aj,第三节 汽车的驱动力行 驶阻力平衡图与动力特性图,思考：从图中看，在什么时候换挡可以使加速时间最短？,由加速度曲线做加速度倒数曲线，再积分，即可求出加速时间。,第三节 汽车的驱动力行 驶阻力平衡图与动力特性图,由加速度曲线做加速度倒数曲线，再积分，即可求出加速时间。,思考：从图中看，在什么时候换挡可以使加速时间最短？,第三节 汽车的驱动力行 驶阻力平衡图与动力特性图,积分时可以将积分区域划分成若干个小区间，采用图解积分的方法求面积和。,第三节 汽车的驱动力行 驶阻力平衡图与动力特性图,直接挡加速,计算得到的加速度曲线,所用时间较短,手工计算时,一般忽略原地起步过程的离合器打滑过程.即假设在最初时刻，汽车已具备起步换档所需的最低车速。 换档时刻的确定：若I-II加速度曲线相交，则规定在交点处换档；若I-II的加速度曲线不相交，则规定在发动机最高转速处换档；换档时间一般忽略不计（正态分布t=0.20.4s)。 计算加速时间的用途：确定汽车加速能力；传动系最佳匹配；合理选择发动机的排量。,注意,其前提条件是路面良好，克服 Fw+Ff 后的全部力都用于克服坡道阻力，即,3. 利用驱动力-行驶阻力平衡图 确定汽车的爬坡能力,由驱动力行驶阻力平衡图和 i=tan 可以做出爬坡度图。,i0max表示汽车不必换入低档的通过能力，轿车为0.070.20，货车为0.040.10。 i0max大，表示在一般坡道上，不必换入低档即可通过，这有利于提高汽车的平均车速并可以减轻驾驶员疲劳程度。,i1max 代表整车的通过能力，轿车为0.300.50，货车为0.300.40。,新款别克GL主要性能参数一览表 最高车速(km/h) 173km/h 油耗(L/100km) 6.9L 发动机型式 2.98升V型4冲程6缸发动机，SFI 电子顺序多点燃油喷射系统 气缸数 6 排量(mL) 2980 压缩比 9.5:1 点火方式 电子点火 最大功率(kw) 126kW/5200 最大扭矩(N.m) 256Nm/4400 0-100Km/h加速时间(s) 10.8s 风阻系数 =0.32,雪佛兰新一代景程主要性能参数和配置,驱动力行驶阻力平衡图可以求出衡量动力性的具体指标。但是驱动力及驱动力图不能直观地比较不同汽车动力性的优劣。驱动力大，动力性不一定好。,因此有必要确定一个能直接比较不同车型动力性能的参数；它应包含总重、空气阻力及驱动力诸因素。,定义式：,动力因数,动力因数的物理意义:是单位汽车总重力所具有的剩余驱动力，可以用它来克服相应的道路阻力和加速阻力。,常将动力因数作为表征汽车动力性的指标。显然，动力因数越大，汽车的动力性好。,动力平衡方程：,汽车动力特性图,根据动力因数的定义，可作出汽车在各档下的动力因数与行驶车速的关系曲线图，称为汽车动力特性图。 在动力特性图上，以相同的比例尺作出滚动阻力系数随车速变化关系曲线，便可方便地求出汽车动力性评价指标。,动力特性图评价汽车动力性,f,uamax,1）计算最高车速,由动力特性图确定动力性评价指标,由动力特性曲线，即可做出各挡的爬坡度图。,2）计算爬坡度,挡工作时，爬坡度较大，此时以 imaxD1maxf 计算的误差也较大，可以用下式计算,计算加速度的倒数，并做出加速度倒数曲线，图解积分即可计算加速时间。,第三节 汽车的驱动力行 驶阻力平衡图与动力特性图,做出加速度曲线,3）计算加速时间,1.4 汽车行驶的附着条件与汽车附着率,引言：汽车行驶的驱动条件,Adhensive force,后驱动汽车,1.附着力,附着系数，与路面和轮胎都有关。,地面对轮胎切向反作用力的极限值（最大值）即为附着力。,FZ地面作用在车轮上的法向反力；,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,常见路面的平均附着系数,思考：为什么汽车在湿土路上容易出现打滑现象？,光面胎和带花纹的轮胎在干燥硬路面上的附着系数有何不同？ 轮胎花纹起什么作用？,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,胎面与 的关系？,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,F1方程式赛车在不同天气条件下 使用的不同胎面花纹的轮胎,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,胎面的四道沟槽减小了车轮和地面间的有效接地面积，使车轮的附着力下降，汽车的车速得以控制。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,后轮驱动时，附着条件是,附着条件：地面作用在驱动轮上的切向反力小于驱动轮的附着力。,驱动轮上的切向反力主要与哪些因素有关？其大小可否通过驾驶员合理控制？,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,2.附着条件,思考,前轮驱动时， 如果FX1小、FZ1大、 小，附着条件容易得到满足。,FX1小,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,路面条件好，车速低，Ff 小；行驶车速低，Fw 小；路面平坦，Fi 小；不急加速，Fj 小。,什么路面条件下，附着条件不易满足？,湿滑路面、冰雪路面、沙地等。,当路面有积雪时，起步用高挡好还是用低挡好？,用高挡轻踩加速踏板起步较好。,汽车在什么工况下工作，附着条件会不易满足？,起步急加速。,解释为什么？,解决方案,装用TCS（ASR）驱动力控制系统，通过对驱动轮作用制动力矩控制起步过程的FX2。,进而减少燃油喷射量,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,起步过程中，驱动轮的严重滑转会加剧轮胎的磨损。,，越野车如何爬上100的坡道？,越野汽车爬坡时,即只有附着系数大于1时，才有可能爬上100%的坡道。,思考,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,此时必须依靠越野轮胎花纹的抓地性，并与良好的路面相配合，才能提高附着系数。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,轮胎气压对附着系数中有较大的影响： 在干燥的硬路面上，降低轮胎的气压，使附着系数加大。 在潮湿的硬路面上，适当提高轮胎气压，附着系数提高。,行驶速度对附着系数也有影响： 在硬路面上，车速增加时，附着系数下降。 雨天在硬路面上高速行驶，附着系数严重下降。,二、汽车的附着力与地面法向反作用力,汽车在加速上坡时，附着条件不易满足。 以下将在此工况下，分析路面作用在车轮上的法向力FZ和切向力FX。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,主要与质心位置及坡度角有关。,（1）静态轴荷的法向反作用力,（2）动态分量,思考：汽车加速前进时，前后轮的垂直载荷发生什么变化？,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,FZd1,FZd2,加速时,后驱车容易满足附着条件,跑车大多采用后轮驱动,思考：加速时，前驱车还是后驱车容易满足附着条件？,保时捷911双座跑车采用后置式发动机后轮驱动。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,绝大多数双座跑车采用中置发动机后轮驱动。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,思考：要想使发动机转矩得到充分发挥，又满足附着条件，最理想的驱动方式是什么？,四轮驱动,高级轿车 自重大，Ff大；车速高，车体大，FW大； 发动机排量大，Ft大。,思考：什么车型适合用四轮驱动？,超级跑车 车速高，FW大；发动机排量大， Ft大。,越野车 道路条件差，附着系数小。,重型货车 自重大，Ff大，道路条件差，附着系数小。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,CLf前空气升力系数；CLr后空气升力系数。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,（3）空气升力,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,（4）滚动阻力偶矩产生的部分,此项较小，可以忽略不计,忽略旋转质量惯性阻力偶矩和滚动阻力偶矩之后,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,三、作用在驱动轮上的地面切向反作用力,切向反作用力最大值出现在汽车加速爬坡的工况，以下将在此工况下进行分析。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,将整车分解为车身、驱动轮（前轮）、从动轮（后轮）三部分，分别分析其受力。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,Tjw2很小，忽略不计,代入得,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,将,将 代入得,注意 与Fj的区别,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,当汽车由前轮驱动时,同理可得： 当汽车由后轮驱动时,四、附着率,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。,1. 加速、上坡行驶时的附着率,1）后轮驱动汽车,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,令,忽略空气阻力和滚动阻力,q包含加速阻力在内的等效坡度。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率, 为加速上坡行驶时要求的地面附着系数。当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q。,将,代入,2）前轮驱动汽车,当汽车由后轮驱动时,同理可得，当汽车由前轮驱动时,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,思考：如果a=b，哪种驱动方式的等效坡度更大？,3）四轮驱动汽车,令后轴的转矩分配系数为,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,通常前、后驱动轮的附着率不相等，汽车的等效坡度受附着率较大驱动轮的限制。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,等效坡度一定时，如果前轮附着率较大，前驱动轮的驱动力将先达到地面附着力而滑转，后驱动轮驱动力也保持在前轮刚开始滑转时的数值不再增加。,如果前、后轮驱动力可以通过自动调节同时达到附着力极限,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,即,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,思考：如果路面附着系数 ，两种轿车1挡的动力性可否得到充分发挥？,2. 高速行驶时的附着率,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,随着车速的增加，后轮的法向反作用力下降，而切向反作用力则按车速的平方关系增大。因此，附着率 随车速的提高而急剧增大，附着条件不易满足。,第四节 汽车行驶的附着条件与汽车的附着率,思考：高速轿车该如何解决附着率过大的问题？,1.5 汽车的功率平衡及影响动力性的因素,功率平衡图 用纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动机功率与经常遇到的阻力功率对车速的关系绘制在直角坐标图上，就得到功率平衡图。, 汽车在行驶时驱动力与行驶阻力平衡 发动机输出功率也与行驶阻力功率平衡,第五节 汽车的功率平衡,汽车行驶过程中，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。,例：已知奥迪A4轿车发动机及6个挡传动比的数据（如下表所示）， i0=6.333， r=0.317m，由 可以对应计算出 各 挡的ua，即可画出 曲线。,第五节 汽车的功率平衡,一、功率平衡图, 及 间的关系图。,档位不同时车速的范围不同，但是功率的大小不变，只是各档的功率曲线对应的车速位置不同。低档时车速低，速度变化区域窄；高档时车速高，所占速度变化区域大。 滚动阻力功率在低速时近似为直线，而在高速时是二次曲线（低速、货车！） 空气阻力功率曲线为三次函数 在低速时以滚动阻力功率为主，而在高速时以空气阻力功率为主。,功率平衡图分析,功率平衡图上，汽车在高速档上，油门全开时，后备功率为零的交点处对应的车速为最高车速。,用功率平衡也可以求各档爬坡能力及汽车的加速能力，但实际上很少这样做，因为前述的驱动力平衡及动力平衡已方便的解决了这一问题。功率平衡主要是从能量守恒的角度定性的分析发动机的负荷情况，后面研究燃油经济性常用到。,后备功率用于加速和爬坡。,二、后备功率,发动机功率与滚动阻力和空气阻力消耗的发动机功率的差值是后备功率。,第五节 汽车的功率平衡,行驶中消耗的发动机功率,发动机能提供的功率,后备功率,第五节 汽车的功率平衡,思考：后备功率与所使用的挡位是否有关？, 汽车后备功率越大，汽车的动力性越好。 利用后备功率也可确定汽车的爬坡度和加速度。 功率平衡也可描述汽车行驶时的发动机负荷率，有利于分析汽车燃油经济性。,后备功率,第五节 汽车的功率平衡,汽车的后备功率曲线,影响汽车动力性的因素,影响汽车动力性的主要因素有结构因素和使用因素。,影响汽车动力性的结构因素主要有发动机参数、主减速器速比、变换器的挡数和速比、汽车流线型和轮胎等。,影响汽车动力性的使用因素主要有汽车运行环境条件和汽车的维护保养等。,发动机参数 主要有：发动机最大功率、最大扭矩等。,结构因素：,发动机最大功率的选择必须保证汽车预期的最高车速。最高车速越高，要求发动机功率越大，其后备功率也增大，加速和爬坡能力必然会提高。,发动机最大扭矩越大，则驱动轮获得的驱动力也大，最大动力因数较大，汽车的上坡和加速能力也强。,但发动机功率不宜过大，否则在常用条件下，发动机负荷率太低，使油耗增加。,结构因素：,一般用比功率作为评价汽车动力性的指标。单位汽车重力所具有的发动机功率称为比功率或功率利用系数。,i0 应使车获得较大的最高车速，在低速有一定后备功率，使汽车的动力性和燃料经济性都较好。,主减速器的速比i0,i0的增大可提高后备功率，改善汽车