《汽车动力性》PPT课件.ppt

第一章 汽车动力性 VehicleTractivePerformace 第一章汽车动力性 1 0引言1 1汽车动力性评价指标1 2汽车驱动力和行驶阻力1 3汽车驱动力 行驶阻力平衡图1 4汽车行驶驱动力 附着条件以及汽车附着力1 5汽车功率平衡及影响动力性的因素 汽车动力性定义在良好 平直的路面上行驶时所能达到的平均行驶速度 引言 关于定义的讨论 道路 良好路面 水平或坡路运动 直线行驶外力 纵向外力决定的运动能力 所能达到的有效性 运输效率 最基本 最重要的性能 主要研究内容 分析受力 建立行驶方程式 以图 表 或编程 的形式 按汽车动力性评价指标 确定汽车的动力性 引言 将介绍汽车动力性的评价指标 汽车的驱动力 行驶阻力 动力因数 附着力等 介绍动力性指标的确定方法 功率平衡等 1 1汽车动力性评价指标 最大车速umax加速时间t最大爬坡度imax EvaluationCriteriaofVehiclePerformance MaximumSpeedAccelerationTimeMaximumGradability 最高车速 最高车速 是指汽车在平直的 良好道路 混凝土或柏油 上所能达到的平均最高行驶车速 Max Speed 实现的条件 水平 良好路面 汽车满载 用高速档 发动机节气门全开 国内以1 6公里长的试验路段的最后500米作为最高车速的测试区 共往返四次 取平均值 第一节汽车的动力性指标 1 最高车速uamax 重型货车 总质量 14t 90km h 中型货车 总质量6 14t 100km h 微型和轻型货车 总质量 6t 80 130km h 城市铰接客车60 90km h 客车125km h 商用车的速度相对较低 其主要技术参数是载质量或载客量 微型 经济型 轿车 发动排量 L 1 0 奥拓0 8120km h吉利1 0120km h夏利1 0137km h奇瑞QQ0 8130km h 普及 紧凑 型轿车 1 0 发动排量 L 1 6 吉利1 3155km h夏利1 3165km h羚羊1 3168km h西耶那1 5168km h赛欧1 6165km h波罗1 4172km h富康1 6180km h捷达1 6170km h飞度1 3手动165km h飞度1 3CVT160km h飞度1 5手动180km h飞度1 5CVT175km h 从这组数据能获取什么信息 第一节汽车的动力性指标 中高级轿车2 5 发动机排量 L 4 0凯迪拉克赛威2 8201km h奥迪A6L2 8235km h宝马530i250km h奔驰E280250km h 第一节汽车的动力性指标 中级轿车 1 6 发动机排量 L 2 5 普桑1 8150km h桑塔纳30001 8185km h宝来1 8手动206km h宝来1 8T手动221km h宝马318i214km h蒙迪欧2 0205km h本田雅阁2 0197km h本田雅阁2 4219km h奥迪A41 8T220km h奥迪A42 0230km h 第一节汽车的动力性指标 跑车的最高车速 第一节汽车的动力性指标 跑车的最高车速 第一节汽车的动力性指标 跑车的最高车速 思考 汽车的最高车速这么高 在高速公路上可以得到充分发挥吗 中国高速公路允许的最高车速120km h德国高速公路不限速 第一节汽车的动力性指标 SUV的最高车速宝马X5 4 4L 230km h陆虎览胜 4 0L 210km h宝马X5 3 0L 202km h大众途锐 3 0L 197km h捍马H2 6 0L 180km h帕杰罗速跑 3 0L 175km h 对最高车速的总结 通过以上数据的对比分析 能得到一些什么结论 思考 查阅资料 F1方程式赛车的最高车速可以达到多少 发动机排量越大 汽车最高车速越高 配置相同发动机的前提下 手动挡比自动挡车速更高 发动机排量相同的前提下 车身越小 最高车速越高 SUV配备的发动机排量普遍较大 但与配备相同发动机排量的轿车相比 最高车速要低 第一节汽车的动力性指标 现今内燃机汽车的最高车速记录为660km h 由塞默兄弟在1965年11月创造 世界上车速的最高记录是英国飞行员安迪 格林 AndyGreen 在美国内华达州西北的盐湖上 于1997年10月驾驶一辆喷气式发动机驱动的 冲刺 号汽车创造的 车速第一次超过了声速 达到1227 73km h 第一节汽车的动力性指标 加速时间评价方法 超车加速时间以最高档或次高档 以amax加速至某一高速所用的时间 原地起步加速时间由I或II档起步 以amax 并考虑换档时间 一般用0 400m或者0 100km h的时间表示原地起步的加速时间 Accelerationtime 汽车加速过程曲线 飞度1 5L12 0s红旗CA746010 5s捍马H210 0s宝马523Li9 6s奥迪A87 0s宝马7506 6s奔驰S6006 5s 宝来1 8M 手动挡 A 自动挡 11 1s 12 7s宝来1 8TM 手动挡 A 自动挡 9 0s 10 5s手动挡汽车的加速时间更短 法拉利575MMaranello4 2s宝时捷9113 9s兰博基尼Gallardo4 2s 1 原地起步加速时间 1 0 100km h的加速时间 2 静止到400m或静止到1km的冲刺时间 60 100km h 4挡 5挡 10 8s 13 7s80 120km h 4挡 5挡 10 6s 14 1s 思考 从这组数据可得到什么信息 第一节汽车的动力性指标 奥迪A61 8T静止到400m冲刺时间7 9s静止到1km冲刺时间33 4s在一般的技术参数中往往不给此项数据 2 超车加速时间 宝马520i 低挡的超车加速能力更强 爬坡能力的评价 以满载 良好路面上的imax来表示 商用车30 或16 5 越野汽车60 或31 轿车经常在较好的路面上行驶 一般不强调它的爬坡能力 但轿车最高车速较大 档加速能力强 它的爬坡能力也强 MaximumGradability 坡度的概念 货车满载imax 30 越野车imax 60 一些SUV车型的最大爬坡度 第一节汽车的动力性指标 3 最大爬坡度imax 第一节汽车的动力性指标 美国对轿车的爬坡能力有如下规定 能以104km h 65mile h 通过6 的坡道 满载时不低于80km h 在6 的坡道上 0 96km h 60mile h 的加速时间不应大于20s 有的国家要求汽车在常遇坡道上汽车必须保持的速度表明其加速能力 也有以一定坡道上汽车的加速时间来表明汽车加速性能的 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 军用车辆的战术技术要求中 不一定包含车辆的最高车速 但常规定在一定坡道上车辆应达到的速度 汽车行驶时受力分析 1 2汽车驱动力和行驶阻力 图1 2汽车驱动力 TractiveForce 汽车动力传递路线 发动机 离合器 变速器 副变速器 分动器 传动轴 主减速器 差速器 半轴 轮边减速器 车轮 汽车驱动力计算公式 外特性曲线 节气门全开 或高压油泵供油齿杆处于最大供油量位置 时 发动机发出的功率 e 转矩Ttq 燃油消耗率b与发动机转速n之间的关系曲线 称为发动机的外特性曲线 发动机的速度特性 图1 3汽油发动机外特性 BrakingTorqueBrakingHorsepower 发动机的外特性曲线 节气门全开发动机部分负荷特性曲线 节气门部分开启 注意区别 注意区别 发动机制造厂提供的发动机特性曲线是在试验台上未带空气滤清器 水泵 风扇 消声器 发电机等条件下测得的 带上全部附件设备时的发动机特性曲线称为使用特性曲线 发动机的外特性曲线 不带任何附件使用外特性曲线 带有全部附件时测出的曲线 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 一般 使用外特性与外特性相比 汽油机的最大功率约小15 货车柴油机的最大功率约小5 轿车与轻型货车柴油机的最大功率约小10 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 外特性及负荷特性多项式拟合 发动机负荷特性经验公式 发动机负荷特性经验公式 式中系数c1 c2的大小 对于汽油机 c1 c2 1 0对于直接喷射式柴油机 c1 0 5 c2 1 5对于预燃室式柴油机 c1 0 6 c2 1 4 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 机械损失 齿轮传动副 轴承 油封等处的摩擦损失 与齿轮啮合的对数 传递转矩的大小等因素有关 液力损失 润滑油的搅动 润滑油与旋转零件之间的表面摩擦损失 它与润滑油品种 温度 转速 油面高度等有关 转速 机械损失 液力损失 转矩 齿轮对数 过低 热容量小 过高 搅油损失大 油面高度 温度 润滑油品质 直接挡 T最高 T高 损失小 齿轮对数少 T高 损失的比重小 损失大 Ttq大 传动系损失的功率PT主要与哪些因素有关 PT 思考 A 挡位 高速档 机械效率较高直接档 机械效率最高同一档位且传递转矩不变时 转速愈高效率愈低 同档位且转速不变时 机械效率随传递转矩的增加而有所提高 B 使用 齿轮 啮合间隙 啮合印迹轴承 调整润滑油 粘度 油面高度 温度 影响因素 传动系效率曲线 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 挡 挡 1 1200r min2 1600r min3 1900r min4 2000r min 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辅助变速器 副变速器或分动器 T 0 958挡以上变速器 T 0 90传动轴的万向节 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 车轮半径r 分类 自由半径r静力半径rs动力半径rd滚动半径rr 弹性轮胎的名义尺寸 b d轮胎宽度 轮辋直径 自由半径r 车轮半径r 静力 动力半径 货车 0 1 0 2轿车 0 12 0 14越野车 0 12 0 18 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 定义 用Ft ua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解计算驱动力 汽车的驱动力图 A 计算驱动力B 计算相应车速C 画汽车驱动力图 驱动力图的绘制步骤 说明 a 每一个排档有一条驱动力曲线 b 档位低 因传动比大 相应的车速低而驱动力大 c 驱动力曲线表示了在该档上 以不同车速等速行驶时 汽车可能产生的驱动力 d 当油门部分开度时 驱动力会有所减少 所以 驱动力曲线之下的广泛范围内的点 都可以是实际工作点 例 已知奥迪A4轿车发动机的数据 如下表所示 ig1 2 13 i0 6 333 r 0 317m T 0 90 由和可以对应计算出1挡的Ft1和ua1 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 滚动阻力Ff 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 二 汽车的行驶阻力 汽车在行驶过程中将会遇到哪些行驶阻力 如何保证汽车可以加速或爬坡 空气阻力Fw 坡度阻力Fi 加速阻力Fj 汽车行驶总阻力 思考 软路面上 硬路面上 产生滚动阻力的主要原因 轮胎变形 轮胎变形和路面变形 轮胎变形为什么会产生滚动阻力 轮胎的迟滞损失 轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸载恢复时不能完全收回 一部分能量消耗在轮胎内部摩擦损失上 产生热量 这种损失称为轮胎的迟滞损失 1 滚动阻力Ff 思考 ua 加载变形区 卸载变形区 思考 由轮胎的迟滞损失图看 在轮胎径向变形相同的情况下 地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 1 从动轮受力分析 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 FZd FZd f 滚动阻力系数 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 令 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 特别强调 定义力的方法 在汽车理论中我们经常采用 它可以在受力分析时 用力来等效力矩 分析问题时只用力来进行比较 可使问题简化 滚动阻力偶矩滚动阻力驱动力矩驱动力 滚动阻力和驱动力无法在真正的受力图上表现出来 它不是一个真实存在的力 即路面作用于驱动轮的切向力FX2比Ft要小 2 驱动轮受力分析 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 图1 12 驱动轮受力图 实验法 a 测量推力Fp1 再称出W1则 b 滑行试验法 在平路上经力表低速 等速牵引汽车 用表上的读数值Ff 除以总重G 即得该车在该路面上的滚动阻力系数f C 转鼓法 利用转鼓实验台测试获得 滚动阻力系数的确定 ua高 f大 货车f 0 0076 0 000056ua 3 影响Ff的因素 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 轿车 1 车速ua 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 轮胎的两个最重要参数 极限速度和承载量 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 临界车速 最高车速 当汽车车速超过临界车速时 轮胎会出现驻波现象 其周缘呈明显的波浪状 且轮胎温度快速增加 后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎 驻波现象 在高速行驶时 轮胎离开地面后因变形所产生的扭曲并不立即恢复 其残余变形形成了一种波 这就是驻波 此时轮胎周缘不再是圆形 而呈明显的波浪形 轮胎刚离开地面时波的振幅最大 它按指数规律沿轮胎圆周衰减 图1 14轮胎的驻波现象 子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20 30 滚动阻力与轮胎的帘线 棉 人造丝 尼龙 钢丝 和橡胶品质有关 2 轮胎结构 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 3 气压 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 气压越高 轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小 滚动阻力也越小 4 驱动力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 为什么驱动力系数很大时 气压越低f越小 Ft 胎面滑移 Ff pa 接地面积 胎面滑移 滑移引起的Ff 思考 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 上高速公路时 轮胎气压应该适当高一些 在松软路面 泥泞路面 雪地行驶时 可适当降低轮胎气压 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 在高速公路上 轮胎变形产生的滚动阻力大还是滑移产生的滚动阻力大 胎压高 轮胎变形小 迟滞损失少 Ff小 胎压低 滑移小 Ff小 上高速公路前要检查胎压 在给定的胎压范围内 胎压适当高一些好还是低一些好 思考 思考 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 由轮胎与土壤之间的粘着性所致 5 路面条件 表1 2滚动阻力系数f的数值 离心力 前 后轮产生侧偏力 侧偏力沿行驶方向产生分力 滚动阻力增加 6 转向 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 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 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 主要由形状 干扰 循环和诱导阻力组成 摩擦阻力 是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 空气阻力 形状阻力 主要与汽车的形状有关 约占58 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 占9 CD 空气阻力系数 A 迎风面积 ur 相对速度 空气密度 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 3 空气阻力FW的计算 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 空气阻力Fw正比于气流相对运动的动压力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 取决于车身主体形状 1 形状阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 后视镜 车身表面的凸起物引起的阻力 2 干扰阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 后视镜 后视镜设计也要注重流线形 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 后视镜 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 后视镜 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 门把手 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 满足冷却 通风等需要 使空气流经车体内部时构成的阻力 4 诱导阻力 空气升力在水平方向的投影 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 3 内循环阻力 由于流经车顶的气流速度大于流经车底的气流速度 使得车底的空气压力大于车顶 从而空气作用在车身上的垂直方向的压力形成压差 这就是空气升力 思考 夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同 打开天窗换气时 天窗上方的压力低于车内的压力 2 摩擦阻力 9 由于空气粘性作用在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力 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 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 发动机盖应向前下倾 4 减小CD值要遵循的要点 1 车身前部 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 面与面交接处的棱角应为圆柱状 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 面与面交接处的棱角应为圆柱状 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 风窗玻璃应尽可能 躺平 且与车顶圆滑过渡 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 越野车很难做到 风窗玻璃应尽可能 躺平 且与车顶圆滑过渡 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 尽量减少灯 后视镜和门把手等凸出物 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 上掀式前照灯 视频 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 在保险杠下面 应安装合适的扰流板 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 车轮盖应与轮胎相平 思考 F1方程式赛车为什么不用车轮盖 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 整个车身应向前倾1 2 2 整车 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 水平投影应为腰鼓形 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 后端稍稍收缩 前端呈半圆形 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 最好采用舱背式或直背式 3 汽车后部 应安装后扰流板 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 当车速超过120km h 尾翼会自动升高160mm 为车身增加30 的下压力 在车速低于80km h 尾翼又会自动降低 应安装后扰流板 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 应安装后扰流板 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 应安装后扰流板 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 应安装后扰流板 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 若用折背式 则行李箱盖板至地面距离应高些 长度要短些 后面应采用鸭尾式结构 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 后面应采用鸭尾式结构 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 所有零件应在车身下平面内且较平整 最好有平滑的盖板盖住底部 4 车身底部 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 底部比较凌乱 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 底部比较凌乱 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 仔细选择进风口与出风口的位置 精心设计内部风道 5 发动机冷却通风系统 冷却前制动器 冷却前制动器 冷却发动机和制动器 冷却后制动器和润滑系统 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 冷却发动机和前制动器 冷却后制动器 为发动机提供充足的空气 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 什么是超级跑车 限量生产 价格高昂 动力强劲 3 5L以上 8缸以上 起步快 0 100km h时间在5s以内 技术超群 车身自重轻 采用碳纤维或轻质合金材料 外观超前等 形象的描述 外观鲜亮 让人爱得要死 加速时令人皮肤绷紧 汗毛直竖 让人吓得要死 数量奇少 价格奇高 让人想得要死 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 思考 对于轿车和超级跑车 哪种车型的空气阻力系数更大 为什么 三种超级跑车 兰博基尼 法拉利 保时捷 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 答案 由于尾翼的影响 发动机和制动器通风冷却的需要 超级跑车的空气阻力系数一般会大于普通轿车 兰博基尼跑车 在冷却通风口关闭且扰流板摆平时 CD值为0 33 展开时 CD值为0 36 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 思考 对于轿车和超级跑车 哪种车型的空气阻力系数更大 为什么 减小CD值要遵循的要点总结如下 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 未来轿车的外形 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 6 货车和半挂车的空气阻力也很重要 不少货车驾驶室上已装用导流板等装置 以减小空气阻力 节省燃油 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 一些常见车型的空气阻力系数 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 汽车重力沿坡道的分力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 3 坡度阻力Fi 一般道路的坡度均较小 一些常见路面的坡度 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 道路阻力 第二节汽车的驱动力与行驶阻力 滚动阻力和坡度阻力之和 一般道路较小 1 i 令f i 为道路阻力系数 若Ft Ff FW 则具有剩余驱动力 Ft Ff FW 使汽车产生加速度 可以认为 剩余驱动力用来克服加速时的惯性力 称为加速阻力