汽车理论第一章汽车的动力性.ppt

第一章 汽车的动力性,定义：汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车所受的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。,第一节 汽车的动力性评价指标,汽车的动力性主要可由三方面的指标来评定： 1）汽车的最高车速uamax 水平良好路面（混凝土或沥青）上汽车能达到的最高行驶速度。 2）汽车的加速时间t 常用原地起步加速与超车加速时间表示汽车的加速能力。 3）汽车能爬上的最大坡度imax 满载（或某一载质量）时汽车在良好路面上的最大爬坡度。,第二节 汽车的驱动力与行驶阻力,一、汽车的驱动力 汽车发动机产生的转矩经传动系传至车轮上。作用于驱动轮上的转矩Tt产生一对地面的圆周作用力:,切记：Ft只是名义驱动力，并不是真正的地面驱动力。,（一）发动机的转速特性 将发动机的功率Pe、转矩Ttq以及燃油消耗率b与发动机曲轴转速n之间的函数关系用曲线表示，则此曲线称为发动机的转速特性曲线，或简称发动机特性曲线。 外特性：发动机节气门全开，发动机扭矩、功率、燃油消耗率随转速变化的特性。,部分负荷特性：发动机节气门开度一定，发动机功率扭矩、燃油消耗率随转速变化的特性。,使用外特性：带上全部附件设备时的发动机特性。 外特性 使用外特性,（二）传动系的机械效率 输入传动系的功率Pin经传动系至驱动轮的过程中，为克服传动系各部件中的摩擦，消耗了一部分功率。 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组成。 传动系的功率损失分为机械损失和液力损失两大类。 机械损失指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失。 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。,（三）车轮的半径 车轮处于无载时的半径作为自由半径。 汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面间的距离静力半径，用rs表示。 用车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系求得的车轮半径称为滚动半径，用rr表示。 对汽车作动力学分析时，应该用静力半径rs ；而作运动学分析时，应该用滚动半径rr 。但一般情况下不计它们之间的差别，统称车轮半径，即,（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称为汽车的驱动力图。,发动机转速与汽车行驶速度之间的关系为 驱动力图中的驱动力是根据发动机外特性求得的，它是使用各挡位时在一定车速下的汽车能发出的驱动力的极值。实际行驶中，发动机常在节气门部分开启的情况下工作，相应的驱动力要比它小些。,二、汽车的行驶阻力,（一）滚动阻力 由轮胎的迟滞变形和路面变形引起。 迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。,由平衡条件得 故 令 ，且考虑到 FZ与W的大小相等，常将Fx1写作 式中，f 称为滚动阻力系数。要注意的是：只存在滚动阻力偶，滚动阻力只是一个名义上的说法。Fx1是地面切向力。,驱动轮在硬路面上滚动时的受力情况 由平衡条件得,由此可以看出，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FX2，它的数值为名义上的驱动力Ft减去驱动轮上的滚动阻力。再次强调，滚动阻力仅是一个说法而已，受力图上是画不出来的。受力分析中仅存在滚动阻力偶，而没有滚动阻力。,滚动阻力的影响因素： （1）行驶车速 低速时，滚动阻力随车速增加逐渐加大，但变化不大；超过某一车速时，滚动阻力增长较快。车速达到某一临界车速时，轮胎发生驻波现象，滚动阻力迅速增长。 （2）轮胎的结构、帘线和橡胶的品种。 （3）轮胎的充气压力。 滚动阻力的估算公式： 货车 轿车,（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。,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称为压力阻力。 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称为摩擦阻力。,形状阻力：与车身主体形状有关的阻力； 干扰阻力：车身表面突起物（如后视镜，门把手、引水槽、悬架导向杆、驱动轴等）所引起的阻力； 内循环阻力：为了保证发动机冷却及车内通风，有一部分气流由车身前部流入，经车体内部再排出，在这个过程中对车辆所造成的阻力； 诱导阻力：空气升力在水平方向的投影。 在无风条件下，urua，将1.2588Ng2m-4代入上式，经过单位换算，得,车身形状与风阻 这是一个汽车模型，可随意改变车头，车尾。结果： 1）完全圆形的车头形状和档风玻璃倾角为45度的形状相比没有明显的改善。这个结论非常重要，因为一般的轿车不可能采用前部为圆形的车身。 但挡风玻璃太陡时，空气阻力系数显著增加。,a) b) 2）车尾越细长，空阻越小，当然要与车头的形状配合好。但车尾过长，车内空间利用差。 曾设想过两种缩短车尾的方法：做成拟流线体（图a）和在适当长处将流线体截断（图b）。结果表明：后者有较低的空气阻力系数。 从降低CD的角度出发，轿车总的发展趋势是流线型，实现的细节可见教材。,车身尺寸与风阻 除车身形状外，人们发现汽车基本设计尺寸与空气阻力之间存在着一定的关系。当然，轿车的基本尺寸是考虑人体尺寸模型及功能两方面因素而定的，不可能按风阻汽车尺寸来确定。但了解两者的关系可以使设计者适当兼顾到这两方面的要求。,空气阻力的测量风洞试验 研究汽车的空气动力学特性时，可以通过汽车实际行驶的方法来进行，但这种方法只能在无风的好天气、平坦无坡的好路面来进行。并且也只能车辆设计出来，作成样品车后才能进行。要想在设计之初就大致了解车辆的空气动力学性能，只有风洞试验才能胜任。 风洞可提供人工控制的空气密度均匀的层流，并可以从各个角度吹向试验对象，便于观察与控制。 如果车身的空气阻力小，气流贴着车身流过，车表面的紊流很少，用示踪物可以观察到气流的流过车身的状况，如用发烟法或丝丛法。,（三）坡度阻力 汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车的坡度阻力，即 道路的坡度以坡高与底长之比表示，即 在坡度较小时,（四）加速阻力 汽车加速行驶时需要克服的惯性力称为加速阻力Fj。 加速时，不仅平移质量产生惯性力，旋转质量也要产生惯性力偶矩。计算时，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化成平移质量的惯性力。 式中称为汽车旋转质量换算系数。 推导过程如下：,对装有有级式固定传动比变速器的汽车，,三、汽车行驶方程式 推导过程如下,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,最高车速、最大爬坡度 最高车速： 由驱动力行驶阻力平衡图上曲线交点确定，或由变速器最高挡速比和主传动比确定。 最大爬坡度： 驱动力：一般取一挡最大扭矩点； 阻力：相应车速下的滚动阻力+坡度阻力,加速时间： 滚动阻力+加速阻力+空气阻力 （固定速比）,二、动力特性图 动力因数 定义： 最高车速： 最大爬坡度： 加速时间：,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 地面对轮胎切向作用力的极限值称为附着力 。 称为附着系数。 后轮驱动汽车行驶的驱动附着条件： 上式可写成,称为后轮驱动汽车的驱动轮的附着率 ，即 前轮驱动汽车行驶的驱动附着条件 即：,地面驱动力和附着力的关系 当地面驱动力小于附着力时，其它条件不变，地面驱动力随名义驱动力（由发动机所产生的传到车轮的力）的增大或变速比的增大而增大，当地面驱动力达到附着力之后，名义驱动力或变速比再增大，地面驱动力也不会再增大了。,2. 考虑地面附着力时的汽车动力性指标 由地面附着力所确定的最高车速： 后轮驱动,注意： Fz1和Fz2是个变化的值。运动时，Fz1随车速的增高而变小，Fz2则相反，随车速的增大而变大。 这与静止时不同。静止时， Fz1和Fz2是个常量。在汽车设计中，常用一个术语，叫汽车的轴荷，如某车前轴的载荷为60，指的是汽车静止时，前轴承受了60的载质量。但汽车动起来后，汽车前轴的载质量未必是60。因此当其前驱时，只要它在运动，附着力,同样的道理，当它爬坡或加速时，附着力也不能用这个表达式来表示。,最大爬坡度,完整的分析方法：,如果忽略滚动阻力、空气阻力和旋转质量惯性力偶矩(前提：车速很低，加速度很大或坡度很大）则有：,当地面驱动力达到附着力时，有： 在一定值路面上，能通过的等效坡度为：,同样的道理，对于后轮驱动汽车，忽略滚动阻力、空气阻力和旋转质量惯性力偶矩后可得（在后面推导）：,当地面驱动力达到附着力时，有： 在一定值路面上，能通过的等效坡度为：,简洁、有效的分析方法,求最大爬坡度时，其加速度为零，由于速度低，风阻可忽略不计，另滚阻比坡阻小1个数量级。因此仅考虑地面切向力与坡道阻力：,最大加速度： 最大加速度时，爬坡度为0，车速很低，风阻可忽略不计，与惯性力相比，滚阻很小，可忽略。因此此时，可以仅考虑地面切向力与惯性力的平衡。,对于四轮驱动的车 但实际上能否做到，还与汽车前、后名义驱动力的分配有关。至少当前、后名义驱动力的分配之比等于前后轮法向反力之比时，才可能最经济地实现上式。 为了衡量地面附着力利用的合理性，引入一个概念，叫附着利用率，它被定义为：汽车附着力与四轮驱动车附着力之比。 对前轮驱动汽车： 对后轮驱动汽车：,本节内容较多，基本概念总结如下： 1）驱动附着条件 2）附着力，附着率 3）附着利用率 4）由地面附着力所确定的汽车最高车速、最大爬坡度、最大加速度。 关键： 受力分析方法。掌握了这一点，就可以分析教材中的任何问题，而不需要背大量的计算公式。,第五节 汽车的功率平衡,功率平衡图，负荷率 汽车所消耗的功率 功率平衡图中的阻力功率为滚动阻力功率和空气阻力功率之和。,阻力功率：bc 后备功率：ab 负荷率： 利用功率平衡定性地分析设计、使用中的有关动力性问题比较方便。功率平衡的另一个优点是能看出行驶时发动机的负荷率，所以燃油经济性分析中也常用它。,第六节 装有液力变矩器汽车的动力特性,等功率发动机,现有汽车如何满足动力性的要求,当现有汽车变速箱为无级变速时，才有可能逼进等功率曲线。,液力变矩器 液力变矩器由涡轮、泵轮和导轮组成。 三元件单级两相液力变矩器简图和特性,变矩器工作原理 开始时，涡轮转速nW为零，工作液在泵轮叶片带动下，以一定速度沿图中箭头1的方向冲向涡轮叶片。因涡轮静止不动，液流将沿着叶片流出涡轮并沿箭头2方向冲向导轮。然后液流再从固定不动的导轮叶片沿箭头3方向流入泵轮中。,当液体流过叶片时，受到叶片的作用力，其方向发生变化。根据液流受力平衡条件，有MW = MbMd。由于液流对涡轮的作用转矩MW（即变矩器输出转矩）与MW方向相反，大小相等，因而在数值上涡轮转矩MW等于泵轮转矩Mb与导轮转矩Md之和。此时涡轮转矩MW大于泵轮转矩Mb，即液力变矩器起了增大转矩的作用。 当变矩器输出的转矩，经传动系传到驱动轮上所产生的牵引力足以克服汽车起步阻力时，汽车即起步并开始加速，与之相连系的涡轮转速nW也从零逐渐增加。这时液流在涡轮出口处不仅具有沿叶片方向的相对速度w，而且具有沿圆周方向的牵连速度u，因此冲向导轮叶片的液流的绝对速度v是二者的合成速度。因为原来设泵转速不变，起变化的只是涡轮转速，因此涡轮出口处相对速度w不变，只是牵连速度u起变化。,从图中可以看出，冲向导轮叶片的液流的绝对速度u将随着牵连速度u的增加而逐渐向左倾斜，使导轮上所受的转矩值逐渐减小。 当涡轮转速增大到某一数值，由涡轮流出的液流正好沿导轮出口方向冲向导轮时，由于液体流经导轮时方向不改变，所以导轮转矩Md为零，于是涡轮转矩与泵轮转矩相等，即MW = Mb。 若涡轮转速nW继续增大，液流绝对速度v方向继续向左倾，导轮转矩方向与泵轮转矩方向相反，则涡轮转矩为泵轮转矩和导轮转矩之差（ MW = MbMd ），即变矩器输出转矩反而比输入转矩小。当涡轮转速nW增大到与泵轮转速nb相等时，工作液在循环圆中的循环流动停止，将不能传递动力。,液力变扭器无因次参数 变矩比：涡轮输出扭矩与泵轮输入扭矩之比 变矩器速比：涡轮转速与泵轮转速之比 效率：输出功率与输入功率之比,红旗牌轿车综合式液力变矩器的无因次特性 式中： 泵轮转矩系数 工作油的密度； D变矩器直径； nP泵轮转速。 图中随速比的减小而增大，这意味着当外界阻力增大车轮转速降低时，变矩器涡轮的转速同样会降低，但输出的扭矩随会增大，而且泵轮的转速也会降低。,泵轮转矩系数随速比而变的特性称“透过性”，意即涡轮的转速变化影响了泵轮的转速变化。 具有透过性和不具有透过性的变矩器与发动机匹配时，其特性有所不同。,透过性变矩器与发动机匹配时，变矩器输出的是一簇扭矩曲线。随车轮阻力矩的增大，变矩系数增大，涡轮扭矩曲线更陡一些，泵轮转速更低一些；随车轮转速的增高，涡轮扭矩曲线更缓一些，泵轮转速也会高一些，这充分发挥了发动机扭矩特性曲线的特性，因而在车用变矩器中，多采用透过性变矩器。,液力机械变速器 1：1、2均不起作用，离合器分离，空档。 2：制动带1起作用，离合器不起作用，低速档。 3：离合器接合，制动带1、2均松开，直接档。 4：离合器分离，制动带2制动，倒档。,作用在中心轮1上的力矩： M1 = F1r1 作用在齿圈2上的力矩： M2 = F2r2,作用有行星架3上的力矩： M3 = F3r3 由F = 0 得（取行星轮）： F2 = F1 F3 = -2F2,根据能量守恒定律，输入输出功率之和为零： 设： 代入（1）式,（1）可以看出当，三个轮中的只要有一个轮受到约束，其它两个轮就可以以一定的传动比传递动力。 但受约束的轮不同，传动比就不同，传动方向也会发生变化。利用这一点可以得不同档位和倒档。 （2）如果三个轮都不受约束，则各元件可自由转动。 （3）如两个轮固定成一体旋转，第三个轮的的转速与前二者相同。速比为1，成直接档传动。,液力变矩器与发动机共同工作,发动机 机械变速器 主减速器 发动机 液力变矩器+机械变速器 主减速器,1、发动机与液力变矩器共同工作的输入特性 1）先收集液力变矩器的无因次特性和发动机扭矩外特性 2）注意液力变矩器无因次特性的几个关键点： 起动工况，i0，高效区转速比i1和i2，最高效率转速比i*和由变扭器转入偶合器工况的转速比in。,红旗牌轿车综合式液力变矩器的无因次特性 式中： 工作油的密度； D变矩器直径； nP泵轮转速。,3）由无因次曲线中Pi曲线，分别找到： 当然，为了作图准确，可多找一些点。 4）用泵轮力矩曲线 可得到一组随P不同而不同的二次曲线。,5）将一组曲线与发动机有效转矩曲线画在一起，将得到两者共同工作的曲线。抛物线与发动机有效扭矩曲线的交点即最大油门开度时发动机与液力变扭器共同工作的稳定点。,讨论： 1）影响共同工作范围宽度的主要因素是变矩器的透过性。 2）为了使共同工作的全部范围及有特殊意义的负荷抛物线通过规定工况（最高效率工况i*时抛物线与发动机扭矩曲线的交点在发动机最大功率点附近，起动工况i0时的负荷抛物线通过发动机最大扭矩点附近）可采用以下措施： a) 采用不同有效直径D的液力变矩器。当D增大时，同样np下，Tp增大，泵轮扭矩曲线左移，反之右移。 b) 在发动机和变矩器之间加装中间传动装置。若中间传动的in1/n2 1，相当于泵轮扭矩曲线偏右了；相反，i= n1/n2 1，相当于泵轮线左移。,2、发动机与变矩器共同工作的输出特性 1）作共同工作输入特性线 2） 由输入特性查找速比 i 时共同工作稳定点Tpi和相应的发动机转速np。 3）根据所选择的 i 值： 在变扭器无因次曲线图中查找相应的K值和值。 4）由 作出变矩器输出特性。,液力变矩器输出特性,液力变矩器对工作区的影响,讨论：发动机串联液力变矩器后的新动力装置输出特性与原发动机特性的区别： 1）扩大了低速稳定工作区。发动机单独工作时的区域为abcda区，对应的转速范围为nmnmax,联合工作区为abcd a。两者的区别在于，加入液力变矩器后，发动机在0nm的转速范围内可稳定工作，而原来最低转速只能是nm，低于nm容易熄火。加装液力变矩器后，扩大了动力装置的稳定工作区。 2）缩小了高速工作范围。 原发动机在nenmax范围可稳定而正常地工作。串联变矩器后，由于效率的原因，转矩将降低。,加入液力变矩器后的驱动力: 由于机械变速的存在，Ft和ua将随档位的变化而变化。 5）带液力变矩器的汽车驱动力行驶阻力平衡图 以一档为例，在nanb转速范围内由于变扭器具有透过性，当车辆时，涡轮转速的降低反馈至泵轮，发动机转速降低，扭矩增大。到na以后，继续增大，由于到达透过性极限，泵轮转速不再降低，涡轮转速降低，K值增大，涡轮扭矩增大，直到最终涡轮转速或车速接近0，输出最大驱动力Ft 。,2）行驶阻力曲线与传动系无关。它只取决于道路条件，轮胎，车重及行驶方程。因此，行驶阻力与采用机械传动时相同。,仅由电动机驱动的电动汽车的驱动力 直流电动机特性： 直流电动机要旋转，必须存在一个旋转的磁场。这个旋转的磁场由励磁电路来产生。励磁电路有他励、并励、串励和复励的方式，因此直流电动机也就分为他励、并励、串励和复励电动机。,如果是采用直流电动机，串励和复励电机更接近理想特性。 感应交流电动机,与直流电动机相比，交流电动机的优点在于单位体积所发出的功率大。即直流电机比较笨重。主要原因是，交流电机的转速可做到上万转。 但从机械特性曲线中可以看出，普通交流电动机的机械特性并不适合车用。最明显的一点就是随转速的降低，扭矩增大的区域太小。用于车辆的交流电动机都是做过特殊改进的，以增大nt - nmax区。,希望的电动机扭矩曲线,只要电机的扭矩曲线定了，就相当于传统车辆的Ft确定了，其它的车辆动力性指标，如最高车速，最大爬坡度和加速时间及最大加速度的分析方法与普通车辆没有什么不同。地面附着力的计算也是一样的。 如果不是燃料电池作为电机的电源，纯粹采用电机驱动，续驶里程成为一个很大的问题。 混合动力车解决了续驶里程的问题，可以在纯电动和当前的化石燃料驱动方面做一个很自然的过渡，因此混合动力汽车诞生了。 只要知道混合动力车的外特性曲线，采用同样的方法照样可计算车辆的动力性指标。 不管什么车辆，只要知道动力系统的驱动力曲线，车辆动力性的计算方法都是一样的。,当前所研究的车用电动机种类,电动汽车除了对电机提出了特殊的要求以外，对电池也有特殊的要求。大容量、快速的充放电性能及充放电均匀性的要求都是非常苛刻的。 一般电动车和混合动力车上所用电压是200300V之间，每个电池的电压为12伏，这就需要将20多个电池串联起来。如果其中的某一个电池充电过快，或放电动过快，就会产生过充电或过放电，很快损坏，使其它的电池负载加大，整个电池组很快损坏。 在燃油汽车上，驾驶员一踩油门踏板，汽车马上就可以加速。在电动汽车上，就需要电池快速放电，普通的电池瞬间放不出这样大的电流，因此要配专门的快速放电电池来满足。,当然，并不需要我们去做电机或做电池，但搞汽车的应当知道电机和电池的基本特性，以便根据汽车的特殊的需要，提出合理的要求。 例如，对电机，我们关注的是它的机械