发动机与汽车理论.ppt

发动机原理与汽车理论 本科程的内容 发动机原理 使用性能 影响因素发动机性能指标 燃料与燃烧 发动机特性发动机试验汽车理论汽车的动力性 汽车的制动性 汽车的燃料经济性 汽车的操纵稳定性 汽车的行驶平顺性 汽车的通过性 本科程教学目标 掌握汽车专业必须了解的汽车基础理论和发动机基础理论熟悉汽车行业的技术名词 技术参数 第2章发动机工作循环和性能指标 2 1发动机理想循环遵循气体状态方程pV mRT系统密封的 不考虑漏泄绝热压缩和绝热膨胀过程中不考虑热交换定容放热和定压加热代替实际的换气和燃烧2 1 1定容循环 汽油机 a绝热到c点 自c定容吸热到z点 从z点到b点为绝热膨胀 b a为定容散热 2 1 2定压循环 低速柴油机 空气喷射 c z为定压吸热过程2 1 3混合循环 无气喷柴油机 c z 为定容吸热再定压吸热到z结论 1 增加 可以提高 t 但是提高率将随 值的不断增大而逐渐降低2 绝热指数k越大 则 t越高3 增大pa可以提高pt 但是pt增大会导致 t降低4 增大 可提高 t 5 和 的增加 将导致最高压力pz急剧增加 由于受到发动机结构强度 燃烧条件和机械效率等方面的制约 和 提高是有限的 目前一般发动机的压缩比 压力升高比 和最高工作压力pz的范围是 汽油机 6 11 2 4pz 3000 8000kpa柴油机 12 22 1 3 2 2pz 5000 14000kpa 2 2发动机的实际工作循环 2 2 1进气过程r a过程 进气休了压力和温度的大致范围 汽油机pa 0 75 0 90 p0Ta 370 400K柴油机pa 0 80 0 950p0Ta 310 340K2 2 2压缩过程a c过程 压缩休了压力和温度汽油机pc 834 1960kpaTc 600 700K柴油机pc 2940 4900kpaTc 750 950K2 2 3燃烧过程c z过程汽油机pz 2940 4900kpaTc 2000 2800K柴油机pz 5800 8830kpaTc 1800 2200K 2 2 4膨胀过程z b过程汽油机pb 294 490kpaTb 1500 1700K柴油机pb 196 392kpaTb 1000 1400K2 2 5排气过程b r过程汽油机pr 1 05 1 2 p0Tr 850 1200K柴油机pr 1 03 1 15 p0Tr 700 900K2 2 6从理想循环到实际循环热效率 t下降的主要因素 2 2 6从理想循环到实际循环热效率 t下降的主要因素 工质向外传热的损失工质泄漏的损失进排气损失提前燃烧损失及补燃损失不完全燃烧损失 2 3指示指标 发动机的主要性能指标有 动力性能指标 经济性能指标 运转性能指标和其他性能指标 同时又可划分为指示性能指标和有效指标指示指标 以工质对活塞所做之功为计算基准的指标有效指标 以曲轴输出功为计算基准的指标2 3 1指示功和平均指示压力w A a b平均指示压力是发动机单位气缸工作容积所做的指示功pi对于汽油机 pi 700 1300kpa柴油机650 1100kpa车用增压柴油机1100 1600kpa2 3 2指示功率Pi Wi n 60 2 i pivsin 30 10002 3 3指示燃油消耗率和指示热效率gi 1000mh Pi i 3 6 gihn汽油机205 3200 25 0 40柴油机170 2000 43 0 50 2 4发动机的有效指标 2 4 1发动机动力性能指标有效功率和机械损失功率Pe Pi Pm2 有效转矩Te 9550Pe nNm3 平均有效压力pe 0 1047Te Vsi 30 3 14Te Vsi2 4 2发动机经济性能指标有效燃油消耗率有效热效率汽油机耗油率280 360 g kWh 有效热效率0 2 0 3柴油机220 2900 3 0 4车用增压柴油机190 2300 4 0 45 2 4 3发动机强化程度 转速和活塞平均速度一般活塞平均速度小型客车汽油机12 15 m s 载货汽油机10 13柴油机8 12 5升功率 汽油机20 50柴油机18 30 kW L 比质量 汽油机1 5 4 0 kg kW 柴油机3 5 8 5 kg kW 2 5机械损失与机械效率 2 5 1机械损失的组成机械磨擦损失活塞组件的摩擦轴承摩擦气门机构摩擦其他损失辅助设备驱动功率的消耗泵气损失 2 5 2机械效率 机械效率是有效功率与指示功率的比值对于汽油机在0 7 0 9对于柴油机在0 75 0 85 影响机械效率的主要因素 转速 活塞平均速度 的影响各摩擦副由于相对速度增加而导致摩擦阻力加大曲柄连杆机构等运动惯性力增大 活塞的侧压力和轴承负荷上升而导致摩擦阻力加大泵气损失驱动附件消耗的功增加负荷的影响润滑油温和冷却水温的影响气缸尺寸及数目的影响加工工艺水平的影响 第四章燃料与燃烧 常用燃料汽油 含炭量5 11 含酒精汽油 柴油 含炭量15 23 烃基化合物 液化天然气和液化石油气4 1 1汽油的使用性能及选用1 挥发性 蒸馏曲线相对评定 10 50 90 馏分的馏出温度作为挥发性的评定指标 10 馏出温度标志燃油的起动性 50 馏出温度标志燃油的平均挥发性90 馏出温度标志燃油中含有难于挥发的重质成分的数量 有关有机化学知识复习 烃基 炭和氢 化合物 烷 饱和 烯 不饱和 炔 不饱和 环烷烃 饱和 芳香烃 不饱和 对称结构命名方法 C原子10以内用天干 甲乙丙丁戊己庚辛壬癸石油 烷烃 烯烃 环烷烃 芳香烃石油 蒸馏与裂化 产物 石油气 汽油 40 205 煤油 130 250 柴油 轻柴油 重柴油250 350 润滑油 350 500 沥青醇 醛 酸 脂氧气在空气中百分比 按质量计 23 按体积计21 原子量为16 分子量32炭的原子量为12 氢的原子量为1 最终生成物为水和二氧化碳 分子量分别为18和44当量与摩尔概念 抗爆性 爆震燃烧是汽油机的一种不正常燃烧现象取决于其有的化学成分 评定抗爆性指标 辛烷值 正庚烷的辛烷值为0和异辛烷 2 2 4三甲基戊烷 辛烷值为100 研究法 常用的汽油3种 90 93 97 测定辛烷值实验方法 研究法 马达法 抗爆指数是两种方法的算术平均值 90 适合于低压缩比 小于8 5 97 适用于高压缩比发动机 柴油的使用性能及选用 低温流动性 10 0 10 20 35 50 挥发性 要求较好的雾化和挥发性粘度 用粘度和馏程曲线表示挥发性 闪点自燃性 16烷与 甲基萘 其值高 容易冷起动 挥发性变差 粘度增加 4 2燃料与燃烧 完全燃烧 燃料中的C与H完全氧化生成二氧化碳和水 理论空气量 一千克燃料完全燃烧所必需的最低空气量L0 1 0 23 8 3gc 8gh go 4 2 1过量空气系数及空燃比过量空气系数 L L0空燃比 A F 空气量 燃料量4 2 2内燃机混合气的着火 氧化阶段与燃烧1 汽油机的高温单阶段着火 高温下烃链断开2 柴油机的低温多阶段自燃 冷焰 蓝焰 热焰 甲醛 热爆 发动机实际循环与理想循环的差异 工质的成分 数量是变化的实际循环中的比热是随着温度的上升而增加的 实际循环中必须更换工质 因而有换气损失实际循环中的燃烧过程存在着非瞬时燃烧损失实际循环中存在着不完全燃烧和高温热分解引起的损失实际循环与理想的循环之间的重要差别 是工质与燃烧室壁 气缸壁等之间始终存在热交换 大部分时间存在热交换 特别是燃烧过程中损失最大 第七章发动机特性 发动机的工况及基本特性发动机性能指标随调整情况和运转工况而变化的关系 表示其变化规律的曲线称之为发动机特性曲线 发动机性能指标随调整情况而变化的关系称之为调整特性 发动机性能指标随运转工况变化而变化的关系有速度特性和负荷特性 在柴油发动机的调速器起作用时 其性能指标随转速或负荷而变化的关系 称之为调速特性 特性曲线的作用 根据发动机特性曲线 可以很方便的评价不同发动机在不同工况下的动力学性能和经济性 分析其影响因素 寻求改进发动机性能的途径 7 2发动机的负荷特性 汽油机的负荷特性在点火提前角最佳 燃油喷射系统及进气系统工作正常或化油器调整完好的情况下 保持汽油机转速一定 每小时燃油消耗量 燃油消耗率随负荷而变化的关系称之为汽油机的负荷特性 每小时燃油消耗量曲线有效燃油消耗率曲线 几种汽车的技术参数 排气量1 298L1 497L1 498L最大功率 KW rpm 60 570079 580068 6000 1kw 1435马力 最大扭矩 Nm rpm 116 2800143 4800124 3200压缩比10 4 110 1 19 8 1最小转弯半径 4 94 94 7 柴油机的速度特性 柴油机转速一定 每小时耗油量 有效燃料消耗率随负荷变化的关系称之为柴油机的负荷特性每小时燃油消耗曲线有效燃油消耗率曲线柴油机的速度特性曲线的特点 有效转矩曲线随转速平缓变化 转速升高循环供油量增加 转速下降 循环供油量减少 7 4柴油机的调速特性 柴油机上安装调速器的必要性调速器与调速特性两级调速器及调速特性全程调速器及调速特性调速器的工作指标调速率不灵敏度 7 5发动机的万有特性 转速为横坐标 转矩或平均有效压力为纵坐标 曲线为等燃油消耗曲线和等功率曲线汽油机与柴油机万有特性的比较最低油耗偏高 经济区偏小 万有特性的应用有万有特性可以方便地查到内燃机在任何点工作时的转矩 有效燃油消耗率 平均有效压力和最经济负荷和转速 等燃油消耗率曲线的形状和分布情况对于发动机的使用经济性有很大影响 保证内燃机与传动系统的匹配可用万有特性曲线评价内燃机排放污染情况可以结合传动系统参数绘制整车万有特性 7 6发动机试验 主要性能实验功率试验负荷特性试验万有特性试验柴油机调速特性试验柴油机怠速试验汽油机怠速试验发动机试验中的测试项目与实验设备 第二篇汽车理论 第一章汽车的动力性第一节汽车的动力性指标1 汽车的最高车速Vamax2 汽车的加速能力加速度j 加速时间t 加速行程s3 汽车的上坡能力 最大爬坡能力 imax30 60 30度 8 2汽车的驱动力与行驶阻力 汽车驱动力平衡方程 Ft Ff Fw Fi FjMeiki0 T Gfcos CDAva2 21 15 Gsin G 其中Ft Meiki0 T 9550Peiki0 T n 是汽车的驱动力1 发动机的外特性2 传动系的机械效率3 车轮半径r S 2 nFf Gfcos 是滚动阻力 f是滚动阻力系数Fw CDAva2 21 15是空气阻力 CD空气阻力系数Fi Gsin 坡路阻力 G汽车重力Fj G 汽车加速阻力 旋转质量换算系数 8 2汽车驱动力和行驶阻力 汽车动力传递路线 发动机 离合器 变速器 副变速器 传动轴 主减速器 差速器 半轴 轮边减速器 车轮 图8 1汽车驱动力 TractiveForce r 部分负荷特性 节气门部分开启时 转矩或功率等与转速的关系使用特性曲线 即带有附件时的负荷特性 通常汽油机小15 而柴油机小10 外特性曲线 节气门 油门 全开时 转矩或功率等与转速的关系 发动机的速度特性 图1 3汽油发动机外特性 BrakingTorqueBrakingHorsepower 发动机过渡工况的速度特性 在过渡工况 功率和转矩下降约5 6 外特性使用或制作方法 表格法 辅助插值 曲线族方法数学模型法 传动系机械效率 T 主要损失部件 变速器和主减速器 含差速器 主要损失形式 液力损失和机械摩擦损失 液力损失 如搅动和磨擦 它与润滑油品种 温度 转速 油面高度等有关 汽车传动系总成机械效率4 6档变速器 T 0 966 8档变速器 T 0 95传动轴 T 0 98主减速器 T 0 96 单级 T 0 92 双级 汽车传动系机械效率轿车 T 0 90 0 92商用车 T 0 82 0 85越野车 T 0 80 0 85 典型的传动系效率值 某汽车变速器的机械效率 车轮半径r 自由半径r静力半径rs滚动半径rr rs r s 2 n S行驶距离 n转动圈数欧洲车轮委员会rr F d 2 其中 子午线轮胎F 3 05斜交轮胎F 2 99 定义 用Ft va曲线图来全面地描述汽车的驱动力 若已知外特性曲线 传动系速比 传动系机械效率就可求计算驱动力 汽车的驱动力图 Va 0 377rne igio 汽车行驶阻力 滚动阻力Ff 轮胎内部摩擦产生的迟滞损失 这种迟滞损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶 图8 4 a 图8 4 b 轮胎径向变形曲线 滚动阻力系数 轮胎内部摩擦产生迟滞损失 这种损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶 滚动阻力系数车轮在一定条件下 滚动所需要推力Fp1与负荷W1之比 即单位重力的推力 滚动阻力系数 阻力偶用滚动阻力描述 滚动阻力无法在受力图上画出 它是一个数值 在受力图上它是切向反力 在实际计算时 可不必考虑阻力偶 而用滚动阻力替代 滚动阻力系数的试验确定法牵引法 滑行法和转鼓法 1 速度va对f的影响 对f的影响因素 2 轮胎的结构 材料 帘线对f的影响也很大 子午线轮胎f小 天然橡胶f低 f的经验公式 图8 10 驱动轮受力图 真正驱动车轮前进的力是地面切向反力Fx2 其在数值上等于汽车驱动力Ft与滚动阻力Ff之差 驱动力与地面纵向 切向 力 定义 汽车直线行驶时受到的空气阻力在汽车行驶方向上的分力 分类 压力阻力和摩擦阻力 压力阻力主要受形状 扰动和诱导阻力组成 形状阻力主要与汽车的形状有关 约占58 空气阻力 干扰阻力 汽车突出部件 如后视镜 门把手 导水槽 驱动轴 悬架导向杆等 约占14 内循环阻力 发动机冷却系 车身通风等气流流过汽车内部 占12 诱导阻力 空气升力在水平方向的分力 占7 摩擦阻力 9 空气阻力Fw正比于气流相对运动的动压力 影响Fw的因素 CD和A由于乘坐空间的制约A变化不大但CD变化较大 1950 70年CD 0 4 0 61990年CD 0 25 0 40概念车CD 0 2CD大小对轿车 高速 汽车的性能影响极大帕萨特 Passat CD 0 28 前部低 过渡平滑 后部加扰流板 掠背式 底部导流 平整化 向后应逐步升高 整车俯视形状为腰鼓式 改进通风进口 出口位置 商用车顶部安装导流罩系统 降低的要点 CD 坡道阻力 8 3汽车行驶方程式与汽车行驶条件 从动轮受力分析 从动轮受力分析 续 驱动轮受力分析 驱动轮受力分析 续 车体受力分析 车体受力分析 续 转动质量换算系数 小结 汽车行驶方程仅表示各个物理量之间的数量关系 汽车行驶方程有些项并不是外力 Ft不是作用于车轮的地面 切向 反作用力 仅为了计算方便才将其定义为驱动力 滚动阻力也不是作用于汽车上的阻力 而是以滚动阻力偶矩的形式作用于车轮上 作用在汽车上的惯性力是mdu dt而不是m du dt 飞轮的惯性力矩作用在汽车的横截面上 而不作用于车轮上 Fj只是代表惯性力和惯性力矩的总效应 转动质量换算系数 续 8 4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 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 图8 13汽车驱动力 行驶阻力平衡图 驱动力Ft 1 最大速度和部分负荷时的力平衡以及uamax和部分负荷时的等速2 加速能力3 最大爬坡度 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8 14汽车加速度 速度图 加速度aj 图加速度倒数曲线 由驱动力 滚动阻力和空气阻力 就可按行驶方程式计算加速度及其倒数 从而求得加速时间或者加速距离 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 汽车行驶驱动力 附着条件以及汽车附着力 1 汽车行驶的驱动 附着条件 Adhensiveforce 后驱动汽车 8 3 2 汽车附着力 路面混凝土 干 混凝土 湿 附着系数0 7 0 80 5 0 6路面碎石土路 干 土路 湿 附着系数0 6 0 70 5 0 60 2 0 4 前轮驱动和后轮驱动时地面反力 前轮驱动和后轮驱动时地面法向反力 对后轮取矩 得到 对前轮取矩 得到 8 4 3动力因数 D Ft Fw G g dv dt 附着利用率 8 5汽车的功率平衡 功率平衡图纵坐标表示功率 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 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 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 离合器打滑过程分析 在汽车起步离合器接合过程中 离合器从动盘上的扭矩是随离合器同步时间和接合时转速的变化而变化的 离合器的实际接合过程如右图所示 对离合器的接合过程我们最感兴趣的是离合器从动轴扭矩的增长过程 它是时间t的函数 返回 发动机转速 离合器从动轴扭矩 离合器从动轴转速 换档规律 汽车在实际行驶时 货车高档位使用率90 以上 为了合理利用有限的档位 使汽车具有良好动力性和燃料经济性 将传动比间隔由低档到高档逐渐减小的偏等比级数分配各档传动比 使变速器在不同档位工作时发动机的转速范围不同 低档时转速范围宽 而高档时窄 使高档两档之间的重合区域增大 当汽车高速行驶变速器在高档之间换档时 发动机功率下降较小 在发动机工作区内平均功率较大 就燃料经济性 高档之间的传动比间隔减小 增加了发动机在经济区工作的可能性 可降低燃料消耗量 换档时刻选择 为了保证汽车的动力性 应使汽车在较低的档位行驶 换档点的选择问题 应该在两档车速驱动力曲线相交时刻换档 在保证动力性的换档程序中 以驱动轮上驱动力的大小来判断相邻两个档位之间是否有交叉点 动力性换档规律 换档时刻选择 汽车在一定的道路条件下按一定的工况行驶时 某时刻所需驱动功率一定 传动效率变化很小 汽车行驶的燃油消耗量与发动机的比油耗成正比 在经济性换档程序中 以发动机的比油耗作为换档判别依据 保证汽车总是以使发动机比油耗最小的档位行驶 在汽车运行工况中 速度是时间的连续函数 因此在经济性换档程序中 考虑了当前档i以及i 1和i 1档的经济性 从这三个档位中选取比油耗最小的档位作为该时刻变速器的工作档位 经济性换档规律 8 6影响汽车动力性的主要因素 发动机参数的影响1 发动机最大功率的影响2 发动机最大扭矩3 发动机外特性曲线的形状主减速器传动比i0的影响传动系档数的影响汽车外形的影响汽车质量的影响轮胎尺寸与型式的影响汽车运用条件的影响 1 如何利用汽车行驶方程式求轮式汽车的极限加速度 2 在计算汽车动力性时所使用的发动机功率与计算汽车燃料经济性时所使用的发动机功率有何不同 在计算汽车动力性时所使用的发动机功率与计算汽车燃料经济性时所使用的发动机功率有何不同 前者使用是发动机的外特性 即 后者利用阻力功率反推求得发动机输出功率 第9章汽车燃油经济性 9 1汽车燃油经济性的评价指标9 1 1单位行驶里程的燃油消耗量即百公里耗油量9 1 2单位运输工作量的燃油消耗量100吨或1000人公里耗油量9 1 3消耗单位燃油所行驶的里程9 2汽车燃料经济性计算9 3影响汽车燃料经济性因素 汽车使用经济性 汽车使用经济性是一种使用性能 是指汽车为完成单位运输量所支付最少费用的能力 它是评价汽车运输企业经营经济效果的综合性指标 我国营运汽车的平均运输成本中 汽车运行材料费 燃料费 润滑油 轮胎费等 所占比率最大 40 以上 其消耗和节约的研究 对提高汽车使用经济性具有重要作用 在当前和今后相当长的一段时期 汽车燃料仍将以石油产品为主 例如 西欧工业发达国家交通运输消耗石油产品的34 45 美国交通运输部门消耗国内石油产品的52 我国的交通运输和邮电通讯业消耗的石油产品约占其总量的16 每年消耗的汽油占其总消耗量的36 柴油约占27 2000年我国汽车运输用油料缺口约2000万吨 汽车用汽油和柴油缺口分别达25 和60 9 1汽车燃料经济性评价指标 汽车运输油耗占运输成本的20 以上 采用燃油附加费改代原有养路费征稽 是和国际惯例接轨的重大举措 有利于我国运输车辆总体提高效益 但是与按车型征收规定养路费相比 征收燃油附加费的办法使得专业运输车辆的燃料成本大幅度增加 据某地区统计 改收燃油附加费同原有的养路费相比成本增加37 5 44 5 甚至高达60 以上 实行养路费 过路费 过桥费和运管费四费用燃油附加费替代后 某省汽运公司燃料附加费率达60 增加支出1320万元 出租公司原缴纳养路费220元 车 改为燃料附加费后费用增至1170元 车 仅此项就增加费用4 3倍 燃油附加费代替养路费后 必将推动汽车更新和换代的速度 所以 节约燃料就意味着汽车运输成本的降低 经济效益的提高 显然 研究汽车燃料经济性对汽车节能的意义重大 例如 同1970年相比 1993年美国汽车平均油耗下降了33 为此 世界各国都把降低汽车能耗 3L 100km 作为一项基本国策 并成为汽车制造业和交通运输行业的重要课题 汽车燃料经济性 指汽车以最少的燃料消耗完成单位运输工作量的能力 它是汽车使用的主要性能之一 汽车发动机的燃料经济性 通常由有效燃料消耗率be ge 或有效效率 e来评价 因其不能反映发动机在具体汽车上的功率利用情况及行驶条件的影响 所以 它不能直接用于评价整车的燃料经济性 9 1汽车燃料经济性的评价指标 评价指标 常选取单位行程的燃料消耗量 即L 100km 或单位运输工作的燃料消耗量 即L 100tkm L kpkm 前者用于比较相同容量的汽车燃料经济性 也可用于分析不同部件 如发动机 传动系等 装在同一种汽车上对汽车燃料经济性的影响 后者常用于比较和评价不同容载量的汽车燃料经济性 其数值越大 汽车燃料经济性越差 汽车燃料经济性也可用单位量燃料消耗汽车所经过的行程 即km L作为评价指标 称为汽车经济性因数 例如 美国采用每加仑燃料能行驶的英里数 即MPG或mile USgal 其数值越大 汽车燃料经济性越好 由于汽车在使用过程中 载荷和道路条件对汽车燃料的消耗影响很大 也可采用燃料消耗量Q 单位为L 100km 与有效载荷G 单位为t 之间的关系曲线 评价在不同道路条件下的汽车燃料经济性 称之为平均燃料运行消耗特性 9 2汽车燃料经济性的计算方法1 等速100公里燃油消耗量的计算燃油消耗率 万有特性图上的等燃油消耗率曲线 发动机万有特性 等高线 2 加速行驶工况燃油消耗量的计算 3 等减速行驶工况燃油消耗的计算 4 怠速停车时的燃油消耗量 5 整个循环工况的百公里燃油消耗量 4 怠速停车时的燃油消耗量 5 整个循环工况的百公里燃油消耗量 9 3燃油经济性的影响因素 汽车速度 中等速度为佳档位 高档位为佳挂车 负荷增加和质量利用系数增加维护与调整 汽车的技术状况 如前束 滑行距离 制动系发咬 轮胎气压 点火提前角 混合气浓度 使用方面 汽车结构 轻量化 小型化和使用轻型材料 如铝材和塑料 即质量利用系数增加 发动机改进 提高热效率和机械效率扩大发动机使用范围发动机增压发动机电控 传动系 增加档位数 使用无级变速器 汽车外形和轮胎 降低CD和子午线轮胎 等速百公里油耗 最小燃油消耗特性 发动机负荷特性的曲线族的包络线是发动机提供一定功率时的最低燃油消耗率曲线 利用包络线就可找出发动机提供一定功率时的最经济工况 负荷和转速 把各功率下最经济工况的转速和负荷率标明在外特性曲线图上 便得到最小燃油消耗特性 1 如何利用汽车行驶方程式求轮式汽车的极限加速度 2 在计算汽车动力性时所使用的发动机功率与计算汽车燃料经济性时所使用的发动机功率有何不同 本章习题 2 在计算汽车动力性时所使用的发动机功率与计算汽车燃料经济性时所使用的发动机功率有何不同 前者使用的是发动机的外特性 即 后者利用阻力功率反推求得发动机输出功率 测定汽车燃料经济性的试验方法有多种 根据对各种使用因素的控制程度 试验方法可分为以下几类 不加控制的道路试验 控制的道路试验 道路循环试验 包括等速油耗 加速油耗 制动油耗 怠速油耗等 在室内实验 如汽车底盘测功机 即转鼓试验台 上的循环试验 9 4汽车燃料经济性试验方法 对各个影响因素都不加以控制的试验方法 称为 不控制的道路试验 试验条件中 对被试车辆的维护 调整规范及所用燃料 润滑材料的规格有明确的规定 由于各种使用因素的随机变化 要获得分散度小的数据是困难的 为此 必须用车队进行长距离 10000 16000km 的试验 才能获得可信度较高的数据 这种试验反映了车辆类型 道路条件 交通量 装载质量以及气候等因素对汽车燃料消耗的影响 可用于全面地评价汽车的使用燃料经济性 是一种非常接近实际情况的试验 但试验持续时间很长 试验费用巨大 所以很少采用 我国过去汽车运输企业采用 使用油耗试验 就是一种 不控制的道路试验 即在某地区的某汽车运输部门中 把试验车辆投入实际使用 在运行中认真记录汽车行驶里程与油耗量 最后确定平均油耗量 这种试验结果能较好地反映车队的实际情况 但难以真正做到准确地测量 同时也浪费时间 因此 它仅适合车型单一的运输企业使用 在道路试验中测量油耗时 若维持一个或几个因素不变 则称作控制的道路试验 例如 我国海南试验站进行的汽车质量检查试验规定 应在一般路面 恶劣路面和山区公路上测量百公里油耗 试验规范对试验路线有较明确的规定 这种实验除了大致规定了平均速度外 对试验中的交通情况 驾驶习惯以及气温 风等并无规定 这就是一种控制的道路试验 国内外的这种汽车试验是专用试验场道路上进行类似的油耗试验 汽车完全按规定的车速 时间规范进行的道路试验方法被称为道路循环试验 实验规范中规定换档时刻 制动时间 以及行车速度 加速度 制动减速度等数值 等速行驶油耗试验和怠速油耗试验是这类试验中两种最简单的循环试验方法 等速行驶百公里油耗试验是一种在广泛采用的最简单的道路循环试验 它不能全面反映汽车运行燃料经济性 只能作为一种比较性的相对指标 等速燃料经济性试验缺乏有关动力性要求的检验指标 容易造成试验汽车动力性要求与燃料经济性匹配不合理的现象 它也不能反映汽车实际行驶中频繁出现的加速 减速等工况 等速百公里燃料经济性试验规范规定 试验在纵坡不大于0 3 的良好路面上 测量路段长度500m 或1000m 气温0 35 气压740 770mmHg 相对湿度50 95 风速小于3m s 汽车技术状况良好 试验前 汽车必须充分预热 使发动机出水温度80 90 变速器及驱动桥润滑油温度不低于50 试验时 汽车用最高档等速行驶 从车速20km h开始 以速度间隔10km h的整倍数 直至该档最高车速的80 至少测定5点 测定通过500m 或1000m 测量段的耗油量和时间 每种车速往返试验各两次 两次试验之间的时间间隔应尽可能地缩短 以保持稳定的热状况 往返共4次试验结果的油耗量差值不应超过 5 取4次试验结果的平均值为等速行驶的耗油量 在室内试验可不受外界气候条件的限制 由于能控制试验条件 周围环境影响的修正系数可以减到最少 若能控制室温 则可对不同气温条件的汽车工况进行模拟试验 室内便于控制行驶状况 故能采用符合实际的复杂循环 可以同时进行燃料经济性与排气污染试验 能采用多种测量油耗的方法 汽车底盘测功机测量油耗的重复性好 这种方法日益受到重视 不易准确地确定道路滚动阻力与汽车空气阻力 室内冷却风扇产生的冷却气流与道路上行驶时的实际情况有差异 难以给出准确的惯性阻力 用汽车测功机测量的油耗有以下优缺点 练习题 阐述通过本课程的学习 对你将来从事汽车业工作有哪些帮助 阐述熟练掌握汽车的主要技术参数 使用性能 基本构造原理对于今后从事汽车业工作的意义 第十一章 汽车的制动性 11 3汽车制动效能及其恒定性 11 1汽车制动性的评价指标 11 2车轮制动时的受力学分析 汽车的制动性 11 4制动时汽车行驶方向稳定性 11 5前后制动器制动力分配比例 AutomotiveBrakingPerformance 定义 汽车在行驶时能在短距离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 另外 也包括在一定坡道上能够长时间停放的能力 汽车制动性是汽车的重要使用性能之一 它属于汽车主动安全的范畴 行车制动俗称脚制动或脚刹车 驻车制动俗称手刹车或手制动 三个评价指标 制动效能 含制动距离和制动减速度 制动效能的恒定性 抗衰退性能 制动时汽车方向稳定性 包括抗跑偏 抗侧滑和保持转向能力的性能 制动效能的定义 在良好的路面上 汽车以规定的初始车速以规定的踏板力制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度 它是制动性能的最基本指标 11 1汽车制动性的评价指标 EvaluationCriteriaofBrakingPerformance 制动效能的恒定性抗热衰退性能 汽车在高速行驶或下长坡道时制动性能的保持程度 抗水衰退性能 是指汽车涉水后对制动性能的保持能力 汽车制动时的方向稳定性的评价 常用制动时汽车按给定路径行驶的能力 制动时发生跑偏 侧滑或失去转向能力时 则汽车将偏离给定的行驶路径 这时 汽车的制动方向稳定性能不佳 轿车制动规范 11 2制动时车轮的受力 1地面制动力 2制动器制动力 BrakingForce 图11 1制动时车轮受力情况 3地面制动力 制动器制动力与附着力的关系 地面制动力首先取决与制动器制动力 但同时受到地面附着条件的限制 它们同时大才好 仔细观察汽车的制动过程可发现 轮胎留在地面上的印痕从车轮滚动到滑动是一个渐变的过程 第一阶段 单纯滚动 印痕的形状基本与轮胎胎面花纹相一致 第二阶段 边滚边滑 可辨别轮胎花纹的印痕 但花纹逐渐模糊 轮胎胎面相对地面发生一定的相对滑动 随着滑动成分的增加 花纹越来越模糊 第三阶段 拖滑 车轮抱死拖滑 粗黑印痕 看不出花纹 4硬路面上的附着系数 不同滑动率轮胎印迹变化规律 随着制动强度的增加 车轮的滑动成分越来越大 它通常用滑动率S表示 图4 3 图4 3 滑动率s 车轮运动中从滚动至滑动过程滑动成分所占的比例 现象分析 各种路面平均附着系数 道路的类型 路况 汽车运动速度 轮胎结构 花纹 材料 附着系数的影响因素 AdhisiveCoefficient 高速行驶经过积水层出现水滑现象 A水膜区 B过渡区 C接触区 Home模型 Hydroplanning 轮胎的磨损会影响其附着能力 路面的宏观结构应有一定的不平度而有自排水能力 路面的微观结构应是粗糙且有一定的棱角 以穿透水膜 让路面与胎面直接接触 增大轮胎与地面的接触面积可提高附着能力 低气压 宽断面和子午线轮胎附着系数大 滑水现象减小了轮胎与地面的附着能力 影响制动 转向能力 潮湿路面且有尘土 油污与冰雪 霜类 11 3汽车制动效能及其恒定性 汽车制动效能 是指汽车迅速降低车速直至停车的能力 汽车制动效能的评价指标是制动距离S 单位m 和制动减速度 单位m s2 1 制动距离制动距离S 是指汽车以给定的初速u0 从踩到制动踏板至汽车停住所行驶的距离 制动距离与踏板力 或者制动系管路压力 以及地面的附着情况有关 也与制动器的热工况有关 制动减速度是地面制动力的反映 而与地面制动力与制动器制动力有关 不同制动工况时的地面制动力 2制动距离分析 制动系作用时间对制动距离影响 制动系作用时间是影响制动距离的重要因素 高速制动或下长坡制动 制动器温度迅速上升 摩擦力矩显著下降 即热衰退现象 要求汽车以规定车速连续制动15次 制动强度为3m s2 最后不低于冷试验效能的60 5 8m s2 当汽车涉水后 因水进入制动器 短时间内制动效能的降低 称为水衰退现象 3制动效能的恒定性 11 4汽车制动时的方向稳定性 因制造或调整误差造成汽车左 右车轮 特别是左 右转向轮制动器制动力不等 因结构原因使制动时悬架导向杆系与转向杆系在运动学上的不协调或干涉 1汽车制动跑偏 制动时发生侧滑 尤其是后轴侧滑 会引起汽车急剧的回转运动 严重时可使汽车调头 后轮抱死 前轮抱死 若前 后轴同时抱死 或者前轴先抱死而后轴抱死或不抱死 则能防止汽车后轴侧滑 但是汽车丧失转向能力 实验和理论分析结果 制动时若后轴比前轴先抱死拖滑 就可能发生后轴侧滑 2后轴侧滑和前轴转向能力的丧失 前轮无制动力 后轮有足够的制动力 随ua的提高侧滑趋势增加 ua 45km h 回转180 后轮无制动力 前轮有足够的制动力 即使速度达到ua 65km h 回转角只有10 汽车保持直线行驶状态 前 后轮都有足够的制动力 但先后次序和时间间隔不同 若ua 64 5km h 后轮比前轮先抱死或后轮比前轮先抱死 但时间间隔小于0 5s 则汽车基本保持直线行驶 若时间间隔大于0 5s 则后轴发生严重的侧滑 起始车速和附着系数的影响 ua 48 2m h 即使后轮抱死比前轮早0 5s 汽车纵轴也仅转动25 而ua 72 3km h 则发生剧烈侧滑 制动过程中 若只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑 汽车基本沿直线向前行驶 汽车行驶处于稳定状态 但是汽车丧失转向能力 若后轮比前轮先抱死一定时间 且车速超过某一数值 只要汽车受到轻微的侧向力 就会发生侧滑 制动距离越长 后轴侧滑越剧烈 结论 从受力情况分析前轮或后轮抱死的制动方向稳定性 a 前轴侧滑b 后轴侧滑 当前轮抱死 在干扰作用下 发生前轮偏离角 航向角 因产生的离心惯性力Fc与偏离角 的方向相反 Fc起到减小或阻止前轴侧滑的作用 即汽车处于稳定状态 当后轮抱死 在干扰作用下 发生后轴偏离角 航向角 因产生的离心惯性力Fc与偏离角 的方向相同 Fc起到加剧后轴侧滑的作用 即汽车处于不稳定状态 由此周而复始 导致侧滑回转 直至翻车 1地面对前后车轮的法向反作用力 11 5前后制动器制动力分配 定义 制动时前 后车轮同时抱死时的前后制动器制动力分配关系曲线 前后车轮同时抱死的条件 2理想的前 后制动器制动力分配曲线 替换 制动力分配系数 线与理想的制动器制动力分配曲线I的交点处的附着系数为同步附着系数 0 同步附着系数说明 前后制动器制动力为固定比值的汽车 只能在一种路面上 即在同步附着系数的路面上才能保证前 后轮同时抱死 同步附着系数也可用解析方法求出 用解析方法求同步附着系数 4前后制动力比值 在不同路面上的制动过程 r线组 f线组 空载时总是后轮先抱死 满载或超载一般是前轮先抱死 r线组 f线组 利用附着系数与附着效率 汽车通过性 第12章 第12章汽车通过性 12 1概述12 2松软路面的无力性质12 3汽车通过性几何参数12 4汽车越障能力 汽车通过性 汽车以足够高的平均车速通过各种坏路和无路地带 如松软地面 坎坷不平地段 和各种障碍 陡坡 侧坡 壕沟 台阶 灌木丛 水障 的能力 影响通过性的主要因素 汽车的支承 牵引参数和几何参数 也与汽车的其它使用性能 如动力性 平顺性 机动性 稳定性 视野性 有关 12 1概述 车辆在松软地面上行驶时 驱动轮对地面施加向后的水平力 使地面发生剪切变形 相应的剪切力便形成了构成地面对汽车的推力 当驱动轮对地面施加的水平力大于等于极限剪切力时 引起车轮滑转 车轮压紧土壤等松软支承物形成车辙阻力 挂钩牵引力 推力与车辙阻力之差 12 2松软地面的物理性质 1 剪切应力与剪切变形的关系 2 地面的法向负荷及其沉陷 车辆在半流体泥浆中所受到的阻力与其行驶速度 浸入面积以及泥浆的密度 阻力系数Cd有关 车辆在雪地行驶受到雪的密度和覆盖层的厚度影响 厚度小于最小离地间隙也会形成阻力 任何密度的雪都不会阻碍汽车行驶 当积雪大于汽车最小离地间隙150 时 轻型汽车可在 350kg m3的雪地上行驶 重型汽车可在 500kg m3的雪地上行驶 渗水的雪地密度大 但是强度很低 3 半流体的泥浆及雪的密度对行驶的影响 12 3汽车通过性的几何参数 间隙失效及其几何参数 间隙失效 汽车因离地间隙不足而被地面托住无法通过的现象 顶起失效 车辆中间底部的零部件碰到地面而被顶住的现象 触头或托尾失效 因车辆前端或尾部触及地面而不能通过的现象 几何参数 最小离地间隙 纵向通过角 接近角 离去角 12 4汽车越障能力 对x列力平衡方程对y列力平衡方程对前轮车轮中心取矩 显然 对于后驱动汽车 汽车越过台阶的能力与汽车几何参数无关 且因去L1 L2 所以 后轮是制约汽车越过台阶的主要因素 结论 判断正误并说明原因 中央电视 台2001年12月24日晚播报夏利2000 羚羊和赛欧三款家用轿车投放市场和社会反应 其中有一解说 汽车在水泥块路面以60km h的速度制动 测得的制动距离为12 9m 第13章 汽车操纵稳定性 manuevereability handlingperformance 13 汽车操纵稳定性 13 1概述13 2轮胎侧偏特性13 3线性二自由度汽车模型对前轮角输入响应13 4汽车操纵稳定性与悬架 转向系的关系 13 1概述 2车辆坐标系及时域响应 汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应 等速直线行驶 急剧转动转向盘 然后维持转角不变 即对汽车施以转向盘角阶跃输入 汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应 等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应 稳态转向特性 不足转向 中性转向 过度转向 转向盘保持一个固定转角不变 缓慢加速或以不同车速等速行驶时 不足转向的汽车转向半径逐渐增大 中性转向的汽车转向半径不变 而过度转向的汽车转向半径逐渐减小 汽车时域响应是把汽车作为开环控制系统的控制特性 驾驶员 汽车系统是一个闭环控制系统 在汽车行驶过程中 驾驶员根据需要 操纵转向盘使汽车做转向运动 路面的凹凸不平 侧风 偏载等影响汽车的行驶 驾驶员根据道路 交通等情况 通过眼 手及身体感知的汽车运动状况 输出参数 经过头脑的分析 判断 反馈 修正其对转向盘的操纵 如此不断地反复循环 操纵汽车行驶前进 主观评价法 凭借主观感觉的评价转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应 3 评价方法客观评价法 用测试仪器测物理参数 侧偏特性 侧偏力 回正力与侧偏角的关系 1轮胎坐标系 13 2轮胎的侧偏特性 概念 最大侧偏力的影响因素 附着条件 及垂直载荷FZ轮胎胎面花纹 材料 结构 充气压力路面材料 结构 潮湿程度车轮外倾角 3 轮胎结构 工作条件与侧偏特性 尺寸 的轮胎 k 子午线轮胎接地面宽 k大 钢丝比尼龙轮胎k大 扁平率 轮胎断面高度与断面宽度之比H B k 在一定范围内 载荷 FZ k 但载荷 太大时 k 轮胎充气压力 k 行驶车速对k影响较小 潮湿特别在积水时 k 很大 附着椭圆 一定侧偏角下 驱动力或制动力增加时 侧偏力逐渐有所减小 这是由于轮胎侧线弹性有所改变的关系 当纵向力相当大时 侧偏力显著下降 接近附着极限时 切向力已耗去大部分附着力 而侧向力能利用的附着力很小 4回正力矩 5轮胎外倾角对侧偏力的作用 忽略转向系的影响 以前轮转角作为输入 汽车只进行平行于地面的平面运动 而忽略悬架的作用 汽车前进 纵轴 速度不变 只有沿y轴的侧向速度和绕z轴的横摆运动 ay 0 4g 驱动力不大 对侧偏特性无影响 忽略空气阻力 忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化 忽略回正力矩的变化 5 3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 1 线性二自由度汽车模型的运动微分方程 电子稳定控制 Y向力平衡 对质心取矩 2前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应 等速圆周运动 2 1稳态响应的评价指标 稳态横摆角速度增益或转向灵敏度 2稳态响应的三种类型 过度转向Over Steering 不足转向Under Steering 中性转向Neutral Steering 当汽车以很低的速度和 或很大转向半径行驶时 侧偏角很小 即 则有 特征车速 临界车速 过度转向汽车车速达到临界车速时将失去稳定性 因为只要一个很小的转角 横摆角速度增益 r 就趋于无穷大 因为假设纵向速度为优先值 根据纵向速度与角速度的关系可知 汽车的转向半径极小 这样汽车必定发生激转而发生侧滑或侧翻 过度转向特性的问题 3 几个表征稳态响应的参数 Ackmann角 转向半径比值 静态裕度 静态储备系数 二自由度模型忽略了前 后轴及左 右轮载荷变化 车轮外倾角 悬架导向杆系及变形对轮胎侧偏角的影响 因此 轮胎弹性侧偏角绝对值的大小取决于整车质心位置和轮胎无外倾角也无载荷变化下的侧偏刚度 13 4汽车操纵稳定性与悬架 转向系 1 车身侧倾轴线 车厢相对地面转动时瞬时轴线 侧倾中心 侧倾轴线通过车厢在前后轴处横断面的瞬时转动中心 侧倾中心的位置由悬架的导向机构所决定 可用解析和图解两种方法获得侧倾中心 图解方法是利用可逆原理 即假设车厢不动而地面相对车厢发生转动 求出地面相对车厢的瞬时转动中心 它也是车厢的侧倾中心 汽车的外倾 无侧向力 有侧向力 商用车 轿车 悬架的侧倾角刚度 t tires spring 车身质量 非悬挂质量 车厢的侧倾角 车厢在侧向力的作用下绕侧倾轴线的转角 车厢侧倾角是操纵稳定性和汽车平顺性的重要参数 侧倾角 r影响汽车 r动态和稳态响应 是操纵稳定性的重要评价指标 r过大 会使驾驶员感觉不稳定 不安全 不舒服 r过小 在不平路面车厢冲击大 汽车稳态圆周运动时 车厢的侧倾角为 2 车厢的侧倾角 悬挂质量离心力引起的侧倾力矩 侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩 独立悬架中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩 汽车作稳态圆周运动时其侧倾力矩 侧倾时前后左右车轮垂直载荷的变化 悬架作用于车身的恢复力矩 注意 力是标量还是矢量 左右车轮载荷重新分配后的轮胎侧倾刚度 在侧倾力矩的作用下 汽车左右车轮的垂直载荷发生变化 这将导致轮胎的侧偏特性变化而使汽车稳态转向特性发生变化 左右车轮垂直载荷差别越大 侧偏刚度越小 若前轴左右车轮的垂直载荷变化大 则趋于不足转向 后轴左右车轮的垂直载荷变化大 则为趋于过多转向 车轮左右载荷的变动取决于 侧倾角刚度 悬挂质量 非悬挂质量 质心位置 前后悬挂侧倾中心位置等 注意 车厢侧倾时 车轮外倾角的三种变化形式 保持不变 沿着地面侧向力方向倾斜 沿着地面侧向力作用方向相反的方向倾斜 3 车厢侧倾时车轮外倾角的变化 当车轮的外倾倾斜方向与地面的侧向反作用力相一致时 侧偏角绝对值减小 反之 则增大 车轮外倾角的增加使车轮的侧向附着性能降低 汽车的极限侧向加速度减小 车厢侧倾时 车轮相对地面的侧倾角由车轮相对车厢的外倾角和车厢相对地面的侧倾角组成 车轮相对地面的外倾角求法 假想让车厢不动 令地面相对车厢转动一个角度 r 这样