汽车理论第五版机械工业出版社出版课后题答案.pdf

第一章第一章汽车的动力性汽车的动力性 1.1 试说明轮胎滚动阻力的定义，产生机理和作用形式。 答：车轮滚动时,由于车轮的弹性变形、路面变形和车辙摩擦等原因所产 生的阻碍汽车行驶的力称为轮胎滚动阻力。 产生机理和作用形式： (1)弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形是主要的，由于轮胎有内部 摩擦，产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。由于弹 性迟滞，地面对车轮的法向作用力并不是前后对称的，这样形成的合力 z F并不 沿车轮中心（向车轮前进方向偏移a） 。如果将法向反作用力平移至与通过车 轮中心的垂线重合，则有一附加的滚动阻力偶矩 fz TF a=。为克服该滚动阻力 偶矩，需要在车轮中心加一推力 P F与地面切向反作用力构成一力偶矩。 （2）轮胎在松软路面上滚动时，由于车轮使地面变形下陷，在车轮前方 实际形成了具有一定坡度的斜面，对车轮前进产生阻力。 （3）轮胎在松软地面滚动时，轮辙摩擦会引起附加阻力。 （4）车轮行驶在不平路面上时，引起车身振荡、减振器压缩和伸长时做 功，也是滚动阻力的作用形式。 1.2 滚动阻力系数与哪些因素有关？ 答：滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料和气 压有关。这些因素对滚动阻力系数的具体影响参考课本 P9。 1.3 确定一轻型货车的动力性能（货车可装用 4 挡或 5 挡变速器，任选其中的 一种进行整车性能计算） ： 1）绘制汽车驱动力与行驶阻力平衡图。 2）求汽车最高车速，最大爬坡度及克服该坡度时相应的附着率。 3）绘制汽车行驶加速度倒数曲线，用图解积分法求汽车用 2 档起步加速行 驶至 70km/h 的车速时间曲线，或者用计算机求汽车用 2 档起步加速行驶至 70km/h 的加速时间。 轻型货车的有关数据： 汽油发动机使用外特性的 Tq-n 曲线的拟合公式为 234 19.313295.27() 165.44()40.874()3.8445() 1000100010001000 q nnnn T= + 式中，Tq为发动机转矩（Nm）;n 为发动机转速（r/min） 。 发动机的最低转速 nmin=600r/min,最高转速 nmax=4000r/min。 装载质量2000kg 整车整备质量1800kg 总质量3880kg 车轮半径0.367m 传动系机械效率t=0.85 滚动阻力系数f=0.013 空气阻力系数迎风面积CDA=2.77m2 主减速器传动比i0=5.83 飞轮转动惯量If=0.218kgm2 二前轮转动惯量Iw1=1.798kgm2 四后轮转动惯量Iw2=3.598kgm2 变速器传动比ig(数据如下表) 档档档档档 四档变速器6.093.091.711.00- 五档变速器5.562.7691.6441.000.793 轴距L=3.2m 质心至前轴距离（满载）a=1.974m 质心高（满载）hg=0.9m 分析：本题主要考察知识点为汽车驱动力行使阻力平衡图的应用和附着 率的计算、等效坡度的概念。只要对汽车行使方程理解正确，本题的编程和 求解都不会有太大困难。常见错误是未将车速的单位进行换算。 2）首先应明确道路的坡度的定义 tani= 。求最大爬坡度时可以对行使方程 进行适当简化，可以简化的内容包括两项cos 1 和sin tan ，简化的前提是道 路坡度角不大，当坡度角较大时简化带来的误差会增大。计算时，要说明做 了怎样的简化并对简化的合理性进行评估。 3）已知条件没有说明汽车的驱动情况，可以分开讨论然后判断，也可以根 据常识判断轻型货车的驱动情况。 解：1）绘制汽车驱动力与行驶阻力平衡图 汽车驱动力Ft= r iiT togtq 行驶阻力Ff+FwFi+FjGf + 2D 21.12 AC a u+Gi+ dt du m 发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为： 0g i nr 0.377ua i = 由本题的已知条件,即可求得汽车驱动力和行驶阻力与车速的关系,编程即 可得到汽车驱动力与行驶阻力平衡图。 2）求汽车最高车速，最大爬坡度及克服该坡度时相应的附着率 由 1）得驱动力与行驶阻力平衡图，汽车的最高车速出现在 5 档时汽车 的驱动力曲线与行驶阻力曲线的交点处，Uamax99.08m/s2。 汽车的爬坡能力，指汽车在良好路面上克服 wf FF+后的余力全部用来（等 速）克服坡度阻力时能爬上的坡度，此时0= dt du ，因此有() wfti FFFF+=，可得到 汽车爬坡度与车速的关系式： () + = G FFF i wft arcsintan；而汽车最大爬坡度 max i为 档时的最大爬坡度。利用 MATLAB 计算可得，352.0 max =i。 如是前轮驱动， 1 C q bhg q LL ；相应的附着率 1 C为 1.20，不合理，舍去。 如是后轮驱动， 2 C q ahg q LL + ；相应的附着率 2 C为 0.50。 3）绘制汽车行驶加速度倒数曲线，求加速时间 求得各档的汽车旋转质量换算系数如下表所示： 汽车旋转质量换 算系数 档档档档档 2 2 0 2 2 1 mr iiI mr I Tgfw += 1.3829 1.1027 1.0429 1.0224 1.0179 利用 MATLAB 画出汽车的行驶加速度图和汽车的加速度倒数曲线图： 忽略原地起步时的离合器打滑过程，假设在初时刻时，汽车已具有档的 最低车速。由于各档加速度曲线不相交（如图三所示） ，即各低档位加速行驶 至发动机转速达到最到转速时换入高档位；并且忽略换档过程所经历的时间。 结果用 MATLAB 画出汽车加速时间曲线如图五所示。如图所示，汽车用档起 步加速行驶至 70km/h 的加速时间约为 26.0s。 第 7 页 共 47 页 1.4 空车、满载时汽车动力性有无变化？为什么？ 答：动力性会发生变化。因为满载时汽车的质量会增大，重心的位置也会 发生改变。质量增大，滚动阻力、坡度阻力和加速阻力都会增大，加速时间 会增加，最高车速降低。重心位置的改变会影响车轮附着率，从而影响最大 爬坡度。 1.5 如何选择汽车发动机功率？ 答：发动机功率的选择常先从保证汽车预期的最高车速来初步确定。若给 出了期望的最高车速，选择的发动机功率应大体等于，但不小于以最高车速 行驶时的行驶阻力功率之和，即) 761403600 ( 1 max 3 max a D a t u AC u Gf Pe+= 。 在实际工作中，还利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动 机应有功率。不少国家还对车辆应有的最小比功率作出规定，以保证路上行 驶车辆的动力性不低于一定水平，防止某些性能差的车辆阻碍车流。 1.6 超车时该不该换入低一挡的排挡？ 答：超车时排挡的选择，应该使车辆在最短的时间内加速到较高的车速， 所以是否应该换入低一挡的排挡应该由汽车的加速度倒数曲线决定。如果在 该车速时，汽车在此排档的加速度倒数大于低排挡时的加速度倒数，则应该 换入低一档，否则不应换入低一挡。 1.7 统计数据表明，装有 0.52L 排量发动机的轿车，若是前置发动机前 轮驱动（F.F.）轿车，其平均的前轴负荷为汽车总重力的 61.5；若是前置 发动机后轮驱动(F.R.)轿车，其平均的前轴负荷为汽车总重力的 55.7。设+ 一轿车的轴距 L=2.6m，质心高度 h=0.57m。试比较采用 F.F 及 F.R.形式时的 附着力利用情况，分析时其前轴负荷率取相应形式的平均值。确定上述 F.F 轿车在0.2 及 0.7 路面上的附着力，并求由附着力所决定的极限最高车速 与极限最大爬坡度及极限最大加速度（在求最大爬坡度和最大加速度时可设 第 8 页 共 47 页 Fw=0） 。其它有关参数为：m=1600kg,CD=0.45,A=2.00m 2,f=0.02,1.00。 分析：分析本题的核心在于考察汽车的附着力、地面法向反作用力和作用 在驱动轮上的地面切向反作用力的理解和应用。应熟知公式（1-13） （1-16） 的意义和推导过程。 分析 1）比较附着力利用情况，即比较汽车前（F.F） 、后轮(F.R.)地面切向 反作用力与地面作用于前（F.F） 、后轮(F.R.)的法向反作用力的比值。解题时 应注意，地面法向发作用力包括静态轴荷、动态分量、空气升力和滚动阻力 偶矩产生的部分，如若进行简化要对简化的合理性给予说明。地面作用于车 轮的地面切向反作用力则包括滚动阻力和空气阻力的反作用力。 2）求极限最高车速的解题思路有两个。一是根据地面作用于驱动轮的地面 切向反作用力的表达式（115） ，由附着系数得到最大附着力，滚动阻力已 知，即可求得最高车速时的空气阻力和最高车速。二是利用高速行驶时驱动 轮附着率的表达式，令附着率为附着系数，带入已知项，即可求得最高车速。 常见错误：地面切向反作用力的计算中滚动阻力的计算错误，把后轮的滚 动阻力错计为前轮或整个的滚动阻力。 3）最极限最大爬坡度时依然要明确道路坡度的定义和计算中的简化问题， 具体见 1.3 题的分析。 但经过公式推导本题可以不经简化而方便得求得准确最 大爬坡度。 解：1. 比较采用 F.F 及 F.R.形式时的附着力利用情况 i 对于前置发动机前轮驱动（F.F.）式轿车， 空气升力 W1 2 Z 1 F 2 Lfr C A u=， 由m=1600kg，平均的前轴负荷为汽车总重力的 61.5， 静态轴荷的法向反作用力 Fzs1= 0.615X1600X9.8 = 9643.2N ， 汽车前轮法向反作用力的简化形式为： 第 9 页 共 47 页 Fz1= Fzs1-Fzw19643.2 2 2 1 rLf uAC 地面作用于前轮的切向反作用力为： Fx1= Ff2+Fw =Gf385.0+ 2 15.21 a D u AC 120.7 2 15.21 a D u AC 附着力利用情况： 1 1 2 2 120.7 21.15 1 9643.2 2 D a X Z Lfr C A u F F C A u + = + ii 对于前置发动机后轮驱动（F.R.）式轿车同理可得： 2 2 2 2 174.7 21.15 1 6946.2 2 D a X Z Lrr C A u F F C A u + = + 一般地，CLr与 CLf相差不大，且空气升力的值远小于静态轴荷的法向反作 用力，以此可得 12 12 XX ZZ FF FF 求极限最高车速: 忽略空气升力对前轮法向反作用力的影响，Fz19643.2 N。 最大附着力 1z1 F =F =1928.6 N i。 令加速度和坡度均为零，则由书中式（115）有： 1X1Wf2 F =F =F +F ， 则 W1f2 FFF = 1928.6-0.02X0.385X1600X9.8= 1807.9 N， 又 2 Wmax F 21.15 D a C A u= 由此可推出其极限最高车速： maxa u= 206.1 km/h。 ii求极限最大爬坡度: 计算最大爬坡度时加速度为零，忽略空气阻力。 前轮的地面反作用力 1 1 (cossin) s g zz h b FFG LL = 第 10 页 共 47 页 最大附着力 1z1 F =F i 由书中式（115） ，有 1X1if2 F =F =F+Fsincos a GGf L =+iii 以上三式联立得： max tan g baf i Lh = + 0.095。 iii 求极限最大加速度： 令坡度阻力和空气阻力均为 0，Fz19643.2 N 1z1 F =F i1928.6N 由书中式（115） 1X1f2max F =F =Fma + 解得 max a=1.13。 2) 当附着系数0.7 时，同理可得： 最高车速： maxa u= 394.7 km/h。 最大爬坡度： max 0.347i=。 最大加速度： max a=4.14 方法二： 忽略空气阻力与滚动阻力，有： / 1/ g b L q hL = + ，最大爬坡度 max iq=，最大加速度 max .aq g= 所以0.2=时， 2 maxmax 0.118,1.16/iam s=。 0.7=时， 2 maxmax 0.373,3.66/iam s= 1.8一轿车的有关参数如下： 总质量 1600kg；质心位置：a=1450mm,b=1250mm,hg=630mm；发动机最大 扭矩 Memax=140Nm2，档传动比i1=3.85；主减速器传动比i0=4.08； 传动效 率m=0.9；车轮半径 r=300mm；飞轮转动惯量If=0.25kgm2；全部车轮惯量 Iw=4.5kgm2(其中后轮Iw=2.25 kgm2,前轮的Iw=2.25 kgm2)。若该轿车为 前轮驱动，问：当地面附着系数为 0.6 时，在加速过程中发动机扭矩能否充分 第 11 页 共 47 页 发挥而产生应有的最大加速度？应如何调整重心在前后方向的位置 （b 位置）， 才可以保证获得应有的最大加速度。若令 b L 为前轴负荷率，求原车得质心位置 改变后，该车的前轴负荷率。 分析：本题的解题思路为比较由发动机扭矩决定的最大加速度和附着系数 决定的最大加速度的大小关系。如果前者大于后者，则发动机扭矩将不能充 分发挥而产生应有的加速度。 解： 忽略滚动阻力和空气阻力， 若发动机能够充分发挥其扭矩则 max maxFt a m = ； 0 1 max max r m Mei i Ft = i 6597.4 N； 2 2 wf 1 0 22 II 1 m i i mrmr + =1.42； 解得 2 max 2.91/am s=。 前轮驱动汽车的附着率1 q C bhg q LL = ； 等效坡度 max 0.297 a q g =。 则有，C10.7540.6,所以该车在加速过程中不能产生应有的最大加速 度。 为在题给条件下产生应有的最大加速度，令 C10.6， 代入 q=0.297，hg=0.63m，L=2.7m， 解得 b1524mm，则前轴负荷率应变为 b/L= 0.564，即可保证获得应有的 最大加速度。 1.9 一辆后轴驱动汽车的总质量 2152kg,前轴负荷 52，后轴负荷 48， 主传动比i0=4.55，变速器传动比：一挡：3.79，二档：2.17，三档：1.41，四 档：1.00，五档：0.86。质心高度 hg0.57m，CDA=1.5m2，轴距 L=2.300m， 飞轮转动惯量If=0.22kgm2，四个车轮总的转动惯量Iw=3.6kgm2，车轮半 径 r0.367m。该车在附着系数0.6=的路面上低速滑行曲线和直接档加速曲 第 12 页 共 47 页 线如习题图 1 所示。图上给出了滑行数据的拟合直线 v=19.76-0.59T，v 的单 位 km/h，T 的单位为 s，直接档最大加速度 amax0.75m/s2（ua50km/h） 。设 各档传动效率均为 0.90，求： 1）汽车在该路面上的滚动阻力系数。 2）求直接档的最大动力因数。 3）在此路面上该车的最大爬坡度。 解：1）求滚动阻力系数 汽车在路面上滑行时，驱动力为 0，飞轮空转，质量系数中该项为 0。 w 22 I3.6 111.012 2152 0.367mr += += =。 行驶方程退化为：0 du Gfm dt +=，减速度： duGf dtm = 。 根据滑行数据的拟合直线可得： 2 0.59 0.164/ 3.6 du m s dt = =。 解得：0.0169 du f g dt = =i。 2）求直接档最大动力因数 直接档： 2 2 wf 4 0 22 II 11.027 m i i mrmr += =。 动力因数： du Df gdt =+。 最大动力因数： maxmax 1.027 0.01690.750.096 9.8 Dfa g =+=+=。 3）在此路面上该车的最大爬坡度 由动力因数的定义，直接档的最大驱动力为： max 0 4 max4max4 r tqt tw Ti i FFDG =+= i 最大爬坡度是指一挡时的最大爬坡度： max 0 1 max r tqt Ti i GfGi =+ i 以上两式联立得： maxmax4 14 w GfGiFDG ii + = 2 max1max4 ()0.654 21.15 D a C A iiuDf G =+= 第 13 页 共 47 页 由地面附着条件，汽车可能通过的最大坡度为： / 0.338 1/ g a L q hL = 。 所以该车的最大爬坡度为 0.338。 第二章第二章汽车的燃油经济性汽车的燃油经济性 2.1“车开得慢，油门踩得小，就一定省油” ，或者“只要发动机省油， 汽车就一定省油”这两种说法对不对？ 答：不对。由汽车百公里等速耗油量图，汽车一般在接近低速的中等车 速时燃油消耗量最低，并不是在车速越低越省油。由汽车等速百公里油耗算 式（2-1）知，汽车油耗量不仅与发动机燃油消耗率有关，而且还与发动机功 率以及车速有关，发动机省油时汽车不一定就省油。 2.2 试述无级变速器与汽车动力性、燃油经济性的关系。 答：为了最大限度提高汽车的动力性，要求无级变速器的传动比似的发 动机在任何车速下都能发出最大功率。为了提高汽车的燃油经济性，应该根 据“最小燃油消耗特性”曲线确定无级变速器的调节特性。二者的要求是不 一致的，一般地，无级变速器的工作模式应该在加速阶段具有良好的动力性， 在正常行驶状态具有较好的经济性。 2.3 用发动机的 “最小燃油消耗特性” 和克服行驶阻力应提供的功率曲线， 确定保证发动机在最经济状况下工作的“无级变速器调节特性” 。 答：由发动机在各种转速下的负荷特性曲线的包络线即为发动机提供一 定功率时的最低燃油消耗率曲线，如课本图 2-9a。利用此图可以找出发动机 提供一定功率时的最经济状况（转速与负荷） 。把各功率下最经济状况运转的 转速与负荷率表明在外特性曲线上，便得到“最小燃油消耗特性” 。无级变速 器的传动比i与发动机转速n及汽车行驶速度之间关系（ 0 0.377 a nr i i u =） ，便可确 第 14 页 共 47 页 定无级变速器的调节特性，具体方法参见课本 P47。 2.4 如何从改进汽车底盘设计方面来提高燃油经济性？ 答：汽车底盘设计应该从合理匹配传动系传动比、缩减尺寸和减轻质量 来提高燃油经济性。 2.5 为什么汽车发动机与传动系统匹配不好会影响汽车燃油经济性与动 力性？试举例说明。 答：在一定道路条件下和车速下，虽然发动机发出的功率相同，但传动 比大时，后备功率越大，加速和爬坡能力越强，但发动机负荷率越低，燃油 消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，传动比小时则相反。所以传动系统 的设计应该综合考虑动力性和经济性因素。如最小传动比的选择，根据汽车 功率平衡图可得到最高车速 umax(驱动力曲线与行驶阻力曲线的交点处车速)， 发动机达到最大功率时的车速为 up。当主传动比较小时，upumax，汽车后备 功率小，动力性差，燃油经济性好。当主传动比较大时，则相反。最小传动 比的选择则应使 up与 umax相近，不可为追求单纯的的动力性或经济性而降低 另一方面的性能。 2.6 试分析超速档对汽车动力性和燃油经济性的影响。 答：汽车在超速档行驶时，发动机负荷率高，燃油经济性好。但此时， 汽车后备功率小，所以需要设计合适的次一挡传动比保证汽车的动力性需要。 2.7 已知货车装用汽油发动机的负荷特性与万有特性。负荷特性曲线的 拟合公式为： 4 4 3 3 2 210eeee PBPBPBPBBb+= 其中，b 为燃油消耗率g/(kWh)；Pe 为发动机净功率（kW） ；拟合式中的系 数随转速 n 变化。怠速油耗smLQid/299 . 0 =（怠速转速 400r/min） 。 计算与绘制题 1.3 中货车的 1）汽车功率平衡图。 第 15 页 共 47 页 2）最高档与次高档的等速百公里油耗曲线 3）利用计算机求货车按 JB3352-83 规定的六工况循环行驶的百公里油 耗。计算中确定燃油消耗值 b 时，若发动机转速与负荷特性中给定的转速不 相等，可由相邻转速的两根曲线用插值法求得。 注意：发动机净功率和外特性功率的概念不同。发动机外特性功率是发 动机节气门全开时的功率，计算公式为 9550 tq e T n P=，在某一转速下，外特性功率 是唯一确定的。发动机净功率则表示发动机的实际发出功率，可以根据汽车 行驶时的功率平衡求得，和转速没有一一对应关系。 解： （1）汽车功率平衡图 发动机功率在各档下的功率 e P、 汽车经常遇到的阻力功率 T Wf PP + 对车速 a u 的关系曲线即为汽车功率平衡图，其中： )( 30000 10 60 2 3 kWnT n TP tqtqe = ， 0 0.377 a g u i i n r = tq T为发动机转矩（单位为mN） += + 761403600 1 3 aDa TT Wf AuCGfu PP 编程计算，汽车的功率平衡图为： 2）最高档和次高档的等速百公里油耗曲线 第 16 页 共 47 页 先确定最高档和次高档的发动机转速的范围，然后利用 0 0.377 a g rn u i i =，求出对 应档位的车速。由于汽车是等速行驶，因此发动机发出的功率应该与汽车受 到的阻力功率折合到曲轴上的功率相等， 即 () 3600 fWa e T FFu P + =。 然后根据不同的 e P和 n，用题中给出的拟合公式求出对应工况的燃油消耗率。先利用表中的数据， 使用插值法，求出每个n值所对应的拟合式系数： 01234 ,B B B B B。在这里为了保 证曲线的光滑性，使用了三次样条插值。利用求得的各个车速对应下的功率 求出对应的耗油量燃油消耗率b。利用公式： 1.02 s a Pb Q ug =，即可求出对应的车 速的百公里油耗（/100Lkm） 。 实际绘出的最高档与次高档的等速百公里油耗曲线如下： 从图上可以明显看出， 第三档的油耗比在同一车速下， 四档的油耗高得多。 这是因为在同一车速等速行驶下，汽车所受到的阻力基本相等，因此 e P基本相 等，但是在同一车速下，三档的负荷率要比四档小。这就导致了四档的油耗 较小。 但是上图存在一个问题，就是在两头百公里油耗的变化比较奇怪。这是由 于插值点的范围比节点的范围要来得大，于是在转速超出了数据给出的范围转速超出了数据给出的范围 的部分，插值的结果是不可信的的部分，插值的结果是不可信的。但是这对处在中部的插值结果影响不大。 第 17 页 共 47 页 而且在完成后面部分的时候发现，其实只需使用到中间的部分即可。 （3 3 3 3）按）按 JB3352-83JB3352-83JB3352-83JB3352-83 规定的六工况循环行驶的百公里油耗。规定的六工况循环行驶的百公里油耗。 从功率平衡图上面可以发现，III 档与 IV 档可以满足六工况测试的速度范 围要求。分为 III 档和 IV 档进行计算。 先求匀速行驶部分的油耗 先使用 () 3600 fWa e T FFu P + =，求出在各个速度下，发动机所应该提供的功率。然 后利用插值法求出，三个匀速行驶速度对应的燃油消耗率b。由 102 a Pbs Q ug =求出 三段匀速行驶部分的燃油消耗量（mL） 。 计算的结果如下： 匀速行驶阶段：第一段第二段第三段 匀速行驶速度/(/ )km h254050 持续距离/( )m50250250 发动机功率/() e Pkw4.70739.200813.4170 燃油消 耗率 / /()bgkW hi 三档678.3233563.0756581.3972 四档492.3757426.5637372.6138 燃油消耗量/()Qml三档8.868144.964454.2024 四档6.437134.063234.7380 再求匀加速阶段： 对于每个区段，以1/km h为区间对速度区段划分。对应每一个车速 a u，都可 以求出对应的发动机功率： 3 1 3600761403600 aDaa T GfuC Aumu du P dt =+ 。此时，车速与功率的 关系已经发生改变，因此应该要重新对燃油消耗率的拟合公式中的系数进行 插值。插值求出对应的各个车速的燃油消耗率b，进而用 367.1 t Pb Q g =求出每个 第 18 页 共 47 页 速度对应的燃油消耗率 012 , ttttn QQ QQ。每小段的加速时间： 1 3.6 t du dt =。每一个 小区间的燃油消耗量： (1) 1 () 2 nt ntn QQQt =+。 对每个区间的燃油消耗量求和就可以 得出加速过程的燃油消耗量。 计算结果如下： 加速阶段第一段第二段 最大速度 max/( / ) a ukm h4050 最小速度 min/( / ) a ukm h：2540 加速度 2 /(/)am s0.25（注：书 中 的 数 据 有 误） 0.20 燃油消耗量 /() a QmL 三档38.370544.2181 四档30.100138.4012 匀减速阶段： 对于匀减速阶段，发动机处在怠速工况。怠速燃油消耗率 id Q是一定值。 只 要知道匀减速阶段的时间，就可以求出耗油量： did QQ t=。 0.299/19.35.77 did QQ tmL ssmL=。 根据以上的计算，可以求出该汽车分别在三档和四档的六工况耗油量： 三档： 8.868144.964454.202438.370544.2181 5.77 100100 1075 18.2692L s Q Q s + = = 四档： 6.4371 34.063234.738030.1001 38.40125.77 100100 1075 13.9079L s Q Q s + = = 第 19 页 共 47 页 一、关于插值方法的讨论：一、关于插值方法的讨论： 在完成本题的第二个小问题，即求等速百公里油耗曲线的时候，处理题中 所给的拟合函数的时候有两种处理方法：一是先使用已经给出的节点数据， 使用插值方法，得出转速插值点的对应燃油消耗率b。然后再进而求出对应车 速的等速燃油消耗量。在这里的处理方法就是这种。从得到的等速百公里油 耗曲线上可以发现，曲线有比较多的曲折。估计这是使用三次样条插值方法 得到的结果。因为三次样条插值具有很好的光滑性。如果改用线形内插法的 话，得到的曲线虽然不光滑，但是能够体现一个大体的趋势。经比较发现， 使用三次样条插值得到的曲线中部与线形内插得到的曲线十分相似。 但是使用线形内插的最大问题在于，对于超出节点两头的地方无法插值。 在处理的时候，如果把头尾的转速去掉，即只考虑 n 从 815rpm 到 3804rpm 的 时候。在完成全部的计算任务之后，得到的三、四档的六工况百公里油耗如 下： 三档：三档：18.409018.409018.409018.4090L L L L （与使用三次样条插值得到的结果相比， 误差为： 0.77%0.77%0.77%0.77%） 四档：四档：14.036214.036214.036214.0362L L L L （与使用三次样条插值得到的结果相比， 误差为： 0.92%0.92%0.92%0.92%） 因此，两种方法得到的结果十分相近。 这种对系数进行插值的方法的精度依靠于所给出的拟合公式中各个系数 第 20 页 共 47 页 与 n 之间的关系。如果存在很好的线形关系，则使用线性内插的精度比较高。 另外一种处理方法就是，先利用给出的各个节点数据，求出了八个 b 值， 然后利用这八个 b 与 ua 的数据，进行插值。这种处理方法插值时所用的结点 数比较少，插值得出的等速百公里油耗曲线比较平缓。 二、关于加速过程的加速阻力的处理讨论：二、关于加速过程的加速阻力的处理讨论： 在计算匀加速过程的时候，因为比匀速行驶的时候，增加了加速阻力， 因 此车速与发动机功率之间的关系已经改变了。这样，就应该使用拟合公式， 重新对 b 进行计算，得出在加速过程中，速度对应的燃油消耗率。而且对于 不同的加速阶段（加速度不同） ，就会得到不同的 b 与 ua 的关系。但是，这种 方法仍然只是对实际情况的一种近似。因为对于加速过程，发动机是处在一 个瞬时动态过程，而前面的处理方法仍然是使用稳态的时候发动机的负荷特 性进行计算。也就是说把加速阶段近似为一个加入了加速阻力功率的匀速过 程来看待。这必然会出现一些误差。 2.8 轮胎对汽车动力性、燃油经济性有些什么影响？ 答：1）轮胎对汽车动力性的影响主要有三个方面：轮胎的结构、帘线 和橡胶的品种，对滚动阻力都有影响，轮胎的滚动阻力系数还会随车速与充 气压力变化。滚动阻力系数的大小直接影响汽车的最高车速、极限最大加速 度和爬坡度。汽车车速达到某一临界值时，滚动阻力迅速增长，轮胎会 发生很危险的驻波现象，所以汽车的最高车速应该低于该临界车速。轮胎 与地面之间的附着系数直接影响汽车的极限最大加速度和爬坡度。 2）轮胎对燃油经济性的影响 轮胎的滚动阻力系数直接影响汽车的燃油经济性。滚动阻力大燃油消耗 量明显升高。 2.9 为什么公共汽车起步后，驾驶员很快换入高档？ 第 21 页 共 47 页 答：因为汽车在低档时发动机负荷率低，燃油消耗量好，高档时则相反， 所以为了提高燃油经济性应该在起步后很快换入高档。 2.10 达到动力性最佳换档时机是什么？达到燃油经济性的最佳换档时机 是什么？二者是否相同？ 答：达到动力性最佳应该使汽车加速到一定车速的时间最短，换档时机 应根据加速度倒数曲线确定，保证其覆盖面积最小。达到燃油经济性的换档 时机应该根据由“最小燃油消耗特性”确定的无级变速器理想变速特性，考 虑道路的值，在最接近理想变速特性曲线的点进行换档。二者一般是不相同 的。 第三章第三章汽车动力装置参数的选定汽车动力装置参数的选定 3.1 改变 1.3 题中轻型货车的主减速器传动比，做出 0 i为 5.17、5.43、5.83、 6.17、6.33 时的燃油经济性加速时间曲线，讨论不同 0 i值对汽车性能的影响。 解：加速时间的结算思路与方法： 在算加速时间的时候，关键是要知道在加速的过程中，汽车的行驶加速度 du dt 随着车速的变化。由汽车行驶方程式： 0 2 21.15 tq gT D a T i i C Adu GfGium rdt =+，可以的 到： 0 2 1 () 21.15 tq gT D a T i i C Adu Gfu dtmr =+（0 i F=） 由于对于不同的变速器档位，车速 a u与发动机转速n的对应关系不同，所 以要针对不同的变速器档位，求出加速度a随着车速 a u变化的关系。先确定各 个档的发动机最低转速和最高转速时对应的汽车最高车速 maxa u和最低车速 mina u。然后在各个车速范围内，对阻力、驱动力进行计算，然后求出 du dt ，即a。 式中 tq T可以通过已经给出的使用外特性 q Tn曲线的拟合公式求得。 求出加速度a随着车速 a u变化的关系之后，绘制出汽车的加速度倒数曲线， 第 22 页 共 47 页 然后对该曲线进行积分。在起步阶段曲线的空缺部分，使用一条水平线与曲 线连接上。一般在求燃油经济性加速时间曲线的时候，加速时间是指 0 到 100km/h（或者 0 到 60mile/h，即 0 到 96.6km/h）的加速时间。可是对于所 研究的汽车，其最高行驶速度是 94.9km/h。而且从该汽车加速度倒数曲线上 可以看出，当汽车车速大于 70km/h 的时候，加速度开始迅速下降。因此可以 考虑使用加速到 70km/h 的加速时间进行代替。 （计算程序见后） 对于四档变速器： 档位IIIIIIIV 传动比 g i6.093.091.711.00 计算的结果是如下： 主传动比 0 i5.175.435.836.176.33 II 档起步 0-70km/h加 速时间/s 27.3036 27.5032 27.1291 26.5132 25.9787 然后计算各个主传动比下，六工况百公里油耗。利用第二章作业中所使用 的计算六工况百公里油耗的程序进行计算，得到结果如下： 主传动比 0 i5.175.435.836.176.33 六 工 况 百公 里油耗 （L/100km） 13.381113.6191 13.9079 14.1410 14.2608 可以绘制出燃油经济性加速时间曲线如下： 第 23 页 共 47 页 从图上可以发现，随着 0 i的增大，六工况百公里油耗也随之增大；这是由 于当 0 i增大以后，在相同的行驶车速下，发动机所处的负荷率减小，也就是处 在发动机燃油经济性不佳的工况之下，导致燃油经济性恶化。但是对于加速 时间来说，随着 0 i的增加，显示出现增大，然后随之减小，而且减小的速度越 来越大。其实从理论上来说，应该是 0 i越大，加速时间就有越小的趋势，但是 由于在本次计算当中，加速时间是车速从 0 加到 70km/h，并不能全面反映发 动机整个工作能力下的情况，比如当 0 i=5.17 的时候，车速从刚上 IV 档到 70km/h 只有很短的一段，并不能反映出在此住传动比之下，发动机驱动力变 小所带来的影响。因此反映到图线中，加速时间反而有所下降。 从上面的结果发现， 0 i的选择对汽车的动力性和经济性都有很大影响，而 且这两方面的影响是互相矛盾的。汽车很大部分时间都是工作在直接档（对 于有直接档的汽车来说） ，此时 0 i就是整个传动系的传动比。 0 i如果选择过大， 则会造成发动机的负荷率下降，虽然提高了动力性，后备功率增加，而且在 高速运转的情况下，噪音比较大，燃油经济性不好；如果 0 i选择过小，则汽车 第 24 页 共 47 页 的动力性减弱，但是负荷率增加，燃油经济性有所改善，但是发动机如果在 极高负荷状态下持续工作，会产生很大震动，对发动机的寿命有所影响。因 此应该对 0 i的影响进行两方面的计算与测量，然后再从中找出一个能够兼顾动 力性和经济性的值。 另外， 对于不同的变速器， 也会造成对汽车的燃油经济性和动力性的影响。 变速器的档位越多，则根据汽车行驶状况调整发动机的负荷率的可能性越大， 可以让发动机经常处在较高的负荷状态下工作，从而改善燃油经济性；但是 对于汽车的动力性，增应该对具体的变速器速比设置进行讨论。变速器与主 减速器的速比应该进行适当的匹配，才能在兼顾动力性和经济性方面取得好 的平衡。通常的做法是绘出不同变速器搭配不同的主减速器，绘制出燃油经 济性加速时间曲线，然后从中取优。 第四章第四章汽车的制动性汽车的制动性 4.1 一轿车驶经有积水层的一良好路面公路， 当车速为 100km/h 时要进行 制动。为此时有无可能出现划水现象而丧失制动能力？轿车轮胎的胎压为 179.27kPa。 解：由 Home 等根据试验数据给出的估算滑水车速的公式： 6.346.34179.2784.9/ hi upkm h= 所以车速为 100km/h 进行制动可能出现滑水现象。 4.2 在第四章第三节二中，举出了 CA700 轿车的制动系由真空助力改为 压缩空气助力后的制动试验结果。试由表中所列数据估算 22 1 2 +的数值，说明 制动器作用时间的重要性。 性能指标 制动时 间/s 制动距离 /m 最大减速度 /(m/s2) 第 25 页 共 47 页 真空助力制动系2.1212.257.25 压缩空气液压 制动系 1.458.257.65 注：起始制动速度均为 30km/h 分析：计算 22 1 2 +的数值有两种方法。一是利用式（4-6）进行简化计算。 二是不进行简化，未知数有三个，制动器作用时间 222 ()+，持续制动时间 3 ， 根据书上 P79 页的推导，可得列出制动时间、制动距离两个方程，再根据在 制动器作用时间结束时与车速持续制动阶段初速相等列出一个方程，即可求 解。但是结果表明，不进行简化压缩空气液压制动系的数值无解，这与试 验数据误差有关。 解：方法一（不简化计算） ： 制动时间包含制动器作用时间 222 ()+，持续制动时间 3 。 223 t+= 制动距离包含制动器作用和持续制动两个阶段汽车驶过的距离 2 s和 3 s 2 2022max2 1 () 6 b sua=+， 2 max 33 2 b a s=，总制动距离： 22 max 22022max23 1 () 62 b b a sssua=+=+ 在制动器作用时间结束时与车速持续制动阶段初速相等 0max2max3 1 2 bb uaa= 方程联立可得： 2 2 maxmax 24 () 2 o o bb u u ts aa =， 0 32 max 1 2 b u a =， 223 t= +。 方法二（简化计算） ： 略去总制动距离的二次小项有： 2 02 20 max “1 () 3.6225.92 b u su a =+ 计算结果如下表所示： 第 26 页 共 47 页 2 2 “ 2 +（s） 不简化计算简化计算 真空助力制动系0.97（无解）0.895 压缩空气液压制 动系 无解0.445 讨论制动器作用时间的重要性（根据简化计算结果讨论） 从实验数据及以上估算出的制动器作用时间数据的比较来看，采用压缩 空气-液压制动器后，制动距离缩短了 32%，制动时间减少了 31.6%，但最 大减速度只提高了 3.5%，而同时制动器作用时间减少了 50.3%。 这样的变化趋势我们可以得到这样的结论： 改用压缩空气-液压制动器 后制动距离减少的主要原因在于制动器作用时间的减少。而且减少制动器作 用时间对于减少制动距离效果显著。所以改进制动器结构形式是提高汽车制 动效能的非常重要的措施。 4.34.3 一中型货车装有前后制动器分开的双管路制动系，其有关参数如下： 载荷 质量 （kg） 质心高 hg/m 轴距 L/m 质心至 前轴距 离 a/m 制动力 分配系 数 空载40800.8453.9502.1000.38 满载92901.1703.9502.9500.38 1）计算并绘制利用附着系数曲线和制动效率曲线 2）求行驶车速 Ua30km/h，在0.80 路面上车轮不抱死的制动距离。 计算时取制动系反应时间 2 0.02s，制动减速度上升时间 2 0.02s。 3）求制动系前部管路损坏时汽车的制动距离 s， 制动系后部管路损坏时 汽车的制动距离s。 分析：1）可由相关公式直接编程计算，但应准确理解利用附着系数和制动 第 27 页 共 47 页 效率的概念。注意画图时利用附着系数和制动效率曲线的横坐标不同。 2）方法一：先判断车轮抱死情况，然后由前（后）轮刚抱死时的利用附着 系数等于实际附着系数求得制动强度。 方法二： 由利用附着效率曲线读得该附着效率时的制动效率求得制动强度。 3）前部管路损坏损坏时，后轮将抱死时制动减速度最大。计算时，注意此 时只有后轮有制动力，制动力为后轮法向反作用力与附着系数的乘积。同理 可得后部管路损坏时的情况。 解：1）前轴的利用附着系数公式为： () g zhb L z + = 1 f ， 后轴的利用附着系数公式为： () g zha L z = 1 )1( r 该货车的利用附着系数曲线图如下所示（相应的 MATLAB 程序见附录） 制动效率为车轮不抱死的最大制动减速度与车轮和地面间摩擦因数的比 值 ， 即 前 轴 的 制 动 效 率 为 Lh Lbz E gff f / / =， 后 轴 的 制 动 效 率 为 Lh Laz E grr r /)1( / + =，画出前后轴的制动效率曲线如下图所示： 第 28 页 共 47 页 2) 由 制 动 距 离 公 式 max 2 0 0 2 2 92.2526 . 3 1 b a a a u us+ + = ， 已 知 + 22 2 1 =0.03s, 0a u=30km/h,=0.80,需求出 maxb a。利用制动效率曲线，从图中读出：=0.80 的路面上，空载时后轴制动效率约等于 0.68，满载时后轴制动效率为 0.87。 maxb a=制动效率*g 所以车轮不抱死的制动距离(采用简化公式计算)： 空载时 8 . 98 . 067 . 0 92.25 30 3003 . 0 6 . 3 1 2 +=s=6.86m 满载时 8 . 98 . 087 . 0 92.25 30 3003 . 0 6 . 3 1 2 +=s=5.33m。 3）求制动系前部管路损坏时汽车的制动距离 s，制动系后部管路损坏时 汽车的制动距离s。 制动系前部管路损坏时 则在后轮将要抱死的时候， 2 () Xbzg G FFazhGz L = 得： g a z Lh = + ， maxb azg= 空载时， maxb a3.56 2 /m s，满载时 maxb a4.73 2 /m s。 制动距离： 2 02 20 max 1 () 3.6225.92 a a b u su a =+ 解得空载时 s=10.1m,空载时 s=7.63m。 第 29 页 共 47 页 制动系后部管路损坏时 则在前轮将要抱死时， 得： g b z Lh = ， maxb azg= 空载时， maxb a2.60 2 /m s，满载时 maxb a4.43 2 /m s。 制动距离： 2 02 20 max 1 () 3.6225.92 a a b u su a =+ 解得空载时 s=13.6m,空载时 s=8.02m。 4.4 在汽车法规中，对双轴汽车前、后轴制动力的分配有何规定。说明作 出这种规定的理由。答：ECE 制动法规何我国行业标准关于双轴汽车前、后 轴制动力分配的要求见书 P95。 作出这种规定的目的是为了保证制动时汽车的 方向稳定性和有足够的制动效率。 4.5 一轿车结构参数同题 1.8 中给出的数据一样。 轿车装有单回路制动系， 其制动力分配系数0.65=。试求