汽车理论教案.doc

。教 学 内 容备 注第一章 汽车的动力性 动力性汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均技术速度。平均技术速度：是指单位实际行驶时间内的里程。本章思路：从分析汽车行驶时的受力出发，建立行驶方程式，并用图解法求解动力性的评价指标。1-1汽车动力性的评价指标1、 汽车的最高车速：uamax（km/h）（1） 满载、水平、良好路面（混凝土或沥青）；（2） 最高档、全油门。2、 汽车的加速能力：加速时间t（s）（或加速路程）（1）原地起步加速时间：用、档起步，并以最大的加速强度连续换档，换至最高档后至某一预定车速或路程所需的时间。（0 ua ）（2）超车加速时间：用最高、次高档由某一较低车速全力加速至某一更高车速所需的时间。（ua1ua2）3、 汽车的最大爬坡度：imax（%）（1） 满载、良好路面；（2）最低档（档）。 针对不同用途的汽车，侧重于不同的指标： 轿车路况好（uamax）； 公共汽车分段（t）； 越野车坏路、无路（imax）。12 汽车的驱动力与行驶阻力 汽车的行驶方程式： Ft=F一、汽车的驱动力：1、产生：发动机的Ttq 传动系车轮Tt 对地面圆周力Fo 地面反作用在轮胎上的Ft 2、 数值大小： Ft = = 3、参数讨论（影响因素）： 发动机转矩：Ttq发动机转速特性：发动机油量调节机构位置一定时，发动机的转矩Ttq、功率Pe以及燃油消耗率b随发动机转速n的变化关系。发动机节流阀全开（或高压油泵在最大供油量位置）的转速转速特性为发动机的外特性；发动机节流阀部分开启（或部分供油）的转速转速特性为发动机的部分转速特性。带上全部附件设备（空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等）时的发动机特性发动机的使用特性。使用外特性功率小于外特性功率。最大功率（汽油机小约15%、货车柴油机小约5%、轿车柴油机小约10%）。为便于计算，常用拟合多项式来描述发动机的转矩外特性： Ttq = a0 + a1n + a2n2 + + aknk k=2,3,4,5 Ttq是变量（随负荷、转速变化） Ft将随Ttq而变化 此多项式的计算机算法： T := (ak.n+ak-1).n+ak-2).n+a0 即： T := 0； for i:=k downto 0 do T:= T.n+ai; 传动系的机械效率：tt = 100% = 100% = （1- ）100% Pt为传动系损失功率，包括： 机械损失：磨擦Ttq 液力损失：搅油n 相同档位、相同转矩：n增加，使t减小（因为n增加，使搅油损失增加） 相同档位、相同转速：Ttq增加，使t增大（因为Ttq增加，虽然机械损失有所增加，但Pe增加更多，使t增大。） 直接档：t最大 实际上：t基本上保持不变，在对汽车进行初步动力性分析时可视为常数。3 车轮半径：r（m）自由半径r0：静力半径rs：滚动半径rr： rr = r = 0.0254+B(1-)对于低压胎（标记B-d或BRd：单位inch）：轮胎径向变形系数（标准胎取0.10.16）4、汽车的驱动力图：用Ftua 图全面表示汽车的驱动力。Ft = ua = 0.377分析： Ft与档位的关系： 不同档位，Ft的变化范围不同，低档的Ft高； ua 与档位的关系： 不同档位，ua 的变化范围不同，高档的ua高二、汽车的行驶阻力：滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻力汽车的总阻力： F = Ff + FI + Fw + Fj（一） 滚动阻力：Ff1、 力的产生（形成原因）： 轮胎（坚硬路面上）、地面（松软路面上）变形过程中，内部分子摩擦而损失的能量。下面分析在硬路面上Ff的产生： 能量观点（解释现象）：功能原理弹性迟滞损失。OCA为加载曲线，ADE为卸载曲线。即：曲线OCADEO所围的面积为弹性迟滞损失变形内部分子摩擦生热热量散发 力学方法（简化问题）： 从动轮：地面法向反力在d点在d点地面法向反力的分布前后不对称合力FZ1前移一段距离a为便于受力分析和计算，将FZ1力线后移到与W1重合，则出现滚动阻力偶矩Tf1= FZ1a 欲作等速流动，必须由加于车轮中心的推力Fp1与地面切向反力Fx1构成一力偶矩，来克服滚动阻力偶矩，即Fx1r=Tf1Fx1 = Tf1/r = FZ1令f=a/r，f称为滚动阻力系数，考虑FZ1与W1大小相等从动轮上的滚动阻力大小为：Ff1 = W1f 驱动轮：Fx2r = Tt - FZ2aFx2 = Tt/r - FZ2 = Ft - Ff2总的滚动阻力：Ff = Ff1+Ff2 = W1f + W2f = Gf在坡度为 的路面上：Ff = Gcosf2、 f的影响因素： 路面种类： 路面越松软，f越大（路面变形损失能量大） ua ： ua ，f ua 200km/h，f，发生驻波现象（ua ，单位时间变形次数，局部产生共振，加载变形轮胎来不及卸载回收能量，温度迅速增高，帘布层与胎面脱落，很快爆胎。） 轮胎结构：帘布层数越多，内部摩擦损失越大，f越大。 轮胎气压：在硬路面上，气压，变形，弹性迟滞损失（软路面上，变化趋势可能相反）3、 f的经验公式： 轿车：f = 0.014(1+ua2/19440) 货车：f = 0.0076+0.000056ua （二） 空气阻力：Ft空气对汽车的作用力在行驶方向上的分力1、 产生： 宏观上，前压力；后真空吸力；侧摩擦。 细分： 摩擦阻力(9%) 压力阻力形状阻力（58%）、干扰阻力(14%)、内循环阻力(12)、诱导阻力(7%)2、 计算： Fw = （ur2 ）CDA 括号中为动压力 Fw = 3、 影响因素： ua： ua ，FW A： A，FW（受乘坐使用空间限制不可能减小）估算方法：小客车： A=0.94BH载货汽车： A=1.05BH公共汽车： A=1.20BH CD：（取决于车身主体的流线型） 45倾角档风玻璃与完全园形车头相比，CD基本相同； K形车与短流线型相比，K形车的CD小； 楔形和负升力翼减少升力； 导流板、连接软膜货车、半挂车等。（三） 坡度阻力：Fi汽车重力沿坡道的分力。 大小： Fi=Gsin 坡度： i= =tg i较小时，sin tg = i， 则Fi=Gi道路阻力：F = Ff + Fi = G（f+i）=G 其中，道路阻力系数。（四） 加速阻力：Fj加速时，需克服其质量加速运动时的惯性力。 计算： 平移质量 惯性力：m ；旋转质量 惯性力偶矩（飞轮、车轮等）。已知汽车加速度为，则飞轮和车轮的惯性阻力偶矩为：车轮：Twj = Iw = 飞轮：Tfj = If = If = 为便于计算，一般把旋转质量的惯性阻力偶矩转化成平移质量的惯性阻力，并以作为质量换算系数（1）。 = 1 + + 经验公式： = 1 +1 + 22其中，1 2 = 0.030.05则汽车加速时的惯性力为：Fj=m三、汽车的行驶方程式： 进行受力分析：1、 从动轮和驱动轮在加速过程中的受力分析：（）从动轮：Fp1 = m1+ Fx1 Fx1r = Tf1 + Iw1 ，Ff1 = Tf1/r故Fx1 = Ff1 + 从动轴作用于从动轮的水平力为： Fp1 = Ff1 + (m1 + )(1)即推动从动轮前进的力要克服从动轮的滚动阻力和加速阻力。（）驱动轮：Fx2 = Fp2 + m2 Fx2r + Iw1+Tf2 = Tt ，Ff2 = Tf2/r, Ft=Tt/r Ft为加速过程中驱动轮上的驱动力（FtFt）,其大小为：Ft = Fp2 + Ff2 + (m2 + ).(2)2、 加速时半轴施加于驱动轮的驱动转矩、实际驱动力及飞轮的加速阻力：加速时半轴施加于驱动轮的驱动转矩为： t = (Ttq-Tfj)igi0t = (Ttq- If )igi0t Ft = Tt/r =(Ttq- )(3)3、 车身（除从动轮、驱动轮外的汽车其余部分）的受力分析：Fp2 = Fp1 + Fw + mB .(4)其中，mB为除从动轮和驱动轮外的汽车质量：m=m1+m2+mB4、 整部汽车的行驶方程式：将(1)Fp1式代入(4)式，再将(3)式Ft和(4)式Fp2代入(2)式：(Ttq- ) = Ff1 + (m1 + )+ Fw + mB + Ff2 + (m2 + )整理得： = Ff + Fw + (1+ + )m = Ff + Fw + m 设汽车在坡道上行驶： Ft = Ff + FW + Fi +m= Gcosf + + Gsin +m13 汽车行驶的驱动与附着条件一、 汽车行驶的驱动与附着条件：1、 驱动条件首先得有劲m= Ft (Ff + FW + Fi) 0 FtFf+FW+Fi2、 附着条件有劲还得使得上用F表示轮胎切向反力的极限，在硬路面上它与驱动轮所受的法向反力成正比：（为附着系数） （1）驱动轮的附着力： 前轮驱动汽车： F1 = FZ1 后轮驱动汽车： F2 = FZ2 全轮驱动汽车： F1 = FZ1 F2 = FZ2（2）汽车的附着力： 前轮驱动汽车： F = FZ1 后轮驱动汽车： F = FZ2 全轮驱动汽车： F = FZ = FZ1+FZ1 对前驱动轮 Fx1 FZ1前驱动轮的附着率： C1 = 则要求 C1 对后驱动轮 Fx2 FZ2后驱动轮的附着率： C2 = 则要求 C2 FtFZ2（f+）f C2时： q = C1 C2时： q = 分析： 与汽车静止时地面法向反力比较： FZ1 = G FZ2 = G 上式中第一项为汽车静止不动时前后轴上的静载荷；第二项为行驶中产生的动载荷。动载荷的绝对值随坡度、加速度以及速度的增加而增大。 汽车行驶时：Z1，Z2，即：重量再分配现象。 汽车多后轮驱动。 例题： 一全轮驶动的汽车，总重G=30000N，在=0.7，f=0.02，=20的坡度上行驶，该车可否爬上此坡？（Me=150Nm，r=0.4m，ig1=6，i0=5，t=0.8，sin=0.34，cos=0.94，FW0，Fj0）解：先校核附着条件：FtF Ft = =150650.8/0.4 =9000N F=Gcos =300000.940.7 =19740N FtF，满足附着条件； 再校核驱动条件： FtFf+FW+FI Ff+FW+FI= Gcos+Gsin =300000.940.02+30000.34 =10764N Ft2.5时，降低CD是节省燃油的主要途径2、轮胎帘布层数： 帘布层数少，燃油经济性越好。（f） 子午线轮胎最好，与普通斜交胎比可节油68%。二、使用因素对燃油经济性的影响：（一）行驶车速： 从燃油经济特性图可知，中速最省油。 原因分析： 根据燃油消耗方程式低速时，尽管行驶阻力F小，但发动机的负荷率U太低，燃油消耗率b太高，Q大；高速时，尽管发动机负荷率U大，但汽车的行驶阻力F（特别是空气阻力Fw ）增加太快，且U达到90%-95%时，省油器工作燃油消耗率b随之增大，Q大。（二）档位的选择： 高档行驶可能性未用尽之前，不应换入低档。 原因分析： 同样的车速，当档位低时，后备功率大U小b高Q大 ua =30km/h，档:Q=9l/100km, 档:Q=13.8 l/100km（三）挂车的应用： 拖带挂车可省油，原因： 1、虽然行驶阻力F增大，但发动机负荷率Ub；2、 拖带挂车增加了汽车的质量利用系数单位运输工作量的油耗。 质量利用系数 = 如：CA141 单车载质量5t，整备质量4.3t， 则单车质量利用系数为=1.16 ； 而挂车载质量5t，整备质量2t， 则全车质量利用系数为=1.59 跑空车时将挂车放在单车上，变整备质量为载质量。（四）加速-滑行的运用： 加速时，发动机负荷率高Q； 滑行时，将加速时积蓄的动能加以利用。（五）正确调整与保养： 前轮定位、制动间隙、轮胎气压、化油器等第三章 汽车动力装置参数的确定 汽车动力装置参数指发动机的功率、传动系的传动比。31 发动机功率的选择常由汽车的最高车速uamax 来选择发动机的功率。发动机的功率应不小于（稍大于）汽车以最高车速行驶时的阻力功率。即： Pe + 1、 比功率： ，（km/t） = uamax + uamax3 载货汽车uamax（100km/h左右）相差不多，但总质量变化范围很大，可参照同样总质量与同样类型车辆的比功率统计数据初步选择发动机的功率。 轿车uamax（100300km/h）相差可以很大，可由总质量与最高车速，大体确定应有的发动机功率。2、转矩适应性系数：Ttqmax/TPTtqmax/TP越大，动力性越好因为： 后备功率大，动力性好（图中虚线）； 汽车偶遇外力，n，Teq 有利于克服外界阻力，稳定行驶车速。3、比转速：nP/nTnP/nT越大，偶遇外力时，转速允许降低值大（油门不动），飞轮放出的惯性力矩大，有利于克服外界阻力，稳定行驶车速。32 最小传动比的选择 传动系的总传动比为：it = ig ic i0 一般汽车没有副变速器和分动器，ic=1；且直接档一般是高档，ig=1；传动系的最小传动比就是主减速器传动比i0 。 设i01i02 uamax1 且uamax2 uamax3 2）当i0 = i03(偏大)时，后备功率最大，即： ad bd cd 动力性好，但高速行驶时发动机经常工作在高速区，既影响发动机的寿命，又使燃油经济性变差。 3）当i0 = i01(偏小)时，后备功率最小，最高车速最小，动力性最差。但燃油经济性好。 总之，选取i0 时一般应使up 等于或稍小于uamax 。33 最大传动比的选择确定最大传动比itmax，应考虑三个方面： 最大爬坡度或I档最大动力因数D1max； 附着力； 最低稳定车速 1) 当 i0 确定后，确定传动系的最大传动比就是确定变速器I档传动比ig1: Ftmax = Ff + Fimax 即 = Gcosmaxf + Gsinmax ig1 2) 应按下式验算附着条件： Ftmax = F 3) 对于越野汽车，传动系最大传动比应保证汽车在极低车速下能稳定行驶，设最低稳定车速为uamin ，则： itmax = 0.377 其中， nmin 为发动机最低稳定工作转速34 传动系档数的选择与各档传动比的分配一、 档数：1、 档位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了加速能力和爬坡能力，动力性好；2、 档位数多，增加了发动机在低燃油消耗率区工作的可能性，降低了油耗，燃油经济性好。3、 由于相邻档的传动比比值太大时会造成换档困难，一般应1.71.8，因此，最大传动比与最小传动比的比值越大，档位数也应越多：1） 轿车： 行驶车速高，比功率大，最高档后备功率也大，即最高档的动力因数D0max也大，D1max 与D0max间范围小，即小。因此，可用三档变速器。但为了节省燃油，现在已多采用五档变速器。2） 轻型和中型载货汽车：比功率小，一般用五档变速器。3） 重型载货汽车：比功率更小，使用条件也更复杂，有时还需拖带挂车，要求有很大的驱动力，一般用六档十几档的变速器。4） 越野汽车：使用条件最复杂，经常需牵引火炮或挂车，很大，档位数也比同吨位载货汽车多一倍左右。二、 中间各档传动比的分配： 变速器各档传动比大致是按等比级数分配的： = = q ,q为公比 设为n档变速器，in = 1（直接档），且ig1已知，则： . .= qn-1 即 ig1 = qn-1 q = n-1 ig2 = qn-2, ig3 = qn-3,igm = qn-m,ign = qn-n=1 传动比按等比级数分配的好处：1） 换档过程中，发动机总在同一转速范围内工作，驾驶员容易把握换档时机。证明： 档档：换档前，ua1 = 0.377 换档后，ua2 = 0.377 由ua1 = ua2 得发动机转速降低到 n1 = n2才能使离合器换档无冲击。 同理，档档时，需n1 = n2 = = q n1 = n1 即， 如果每次发动机都提高到转速n2 换档，只要待转速降低到n1 ，离合器就能无冲击地接合。2） 能使发动机经常在接近外特性最大功率Pemax 处的大功率范围运转，增加了汽车的后备功率，提高了动力性。 （见图）3） 主变速器按等比级数分配传动比，便于与副变速器结合，构成更多档位的变速器。例：设五档变速器公比为q2，传动比序列为1，q2，q4，q6，q8结合一副变速器，其传动比为1，q则得到10档变速器： 1，q，q2，q3，q4，q5，q6，q7，q8，q9 但实际设计时，高档公比略小于低档公比。 （高档经常使用，利用率高）第四章 汽车的制动性1）汽车在行驶中能强制地降低行驶车速以至停车的能力；2）在下长坡时维持一定车速的能力；3）制动时保持行驶方向稳定性的能力。意义：1）直接关系到交通安全，是汽车安全行驶的重要保证； 2）可靠的制动性是汽车动力性充分发挥的前提。 41 汽车制动性的评价指标1、 制动效能：迅速地降低行驶车速以至停车的能力包括：制动距离、制动减速度2、 制动时汽车的方向稳定性： 在制动过程中，维持直线行驶能力，或按预定的弯道行驶的能力。即：制动时不发生跑偏、侧滑、失去转向能力的性能。3、 制动效能的恒定性：（即抗衰退性能）包括：连续制动抗热衰退、涉水后抗水衰退。 例：我国GB7258-87机动车运用安全技术条件规定：“在平、干水泥路或沥清路面（=0.7）上试验，总质量6.4m/s2，不许偏出3.7m的通道。”42 制动时车轮受力一、 地面制动力：FXb 汽车制动时，地面对车轮提供一个与行驶方向相反的外力，使其减速停车。1、 大小： FXb = T/r2、 取决于： 摩擦片与制动鼓或制动盘之间的摩擦力； 轮胎与地面间的附着力。二、 制动器制动力：F 在轮胎周缘上克服制动器摩擦力矩T所需的力。1、 大小： F= T/r2、 取决于：制动器结构参数、制动踏板力（成正比）。三、 地面制动力FXb、制动器制动力F及附着力F之间关系1、 车轮抱死前纯滚动：FXb = F F2、 临界状态刚刚抱死：FXb = F = F3、 车轮抱死后抱死拖滑：FXb = F rr0W 3、 车轮抱住印痕粗黑： （没有转动成份）W=0 （二） 滑移率（s）：制动过程中滑移成份的多少。 s = 100% uW车轮的实际速度（车轮中心的速度、车速） rw 车轮的圆周速度 uW-rw车轮的滑移速度讨论：1、 纯滚动时： uW = rW ， s=02、 边滚边滑： uW rW , 0s滚动半径rr0。（制动时，轮胎受拉，如图）2、 ts曲线： st；且s=100%时，t=0，受侧向力干扰时，极易侧滑，甚至调头。摩擦圆： 路面对轮胎的切向反作用力是各向同性的（近似）， 即：在任何方向上都有F= FZ F2 = Fb2 + FY2 等式两边同除以FZ ，得t= 有：bt 结论： s = 1520%时，b最大，t也较大，即能快速制动，又能防止侧滑，ABS防抱死系统（四） 附着系数的影响因素：1、 道路的材料、结构、状况： 材料： 结构-为增加排水能力： 宏观上，中间高、两边低； 微观上，粗糙且有尖锐棱角。 状况：干、湿、冰、雪、清洁度等2、 轮胎的结构、花纹、材料： 低气压、宽断面、深花纹、子午线轮胎的。3、 车速：Va Va（也说明：高速制动困难）。43 汽车的制动效能及其恒定性 汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力。其评价指标：制动距离，s（m）； 制动减速度，j（m/s2）。一、 制动时整车的受力分析：沿行驶方向：Fj = FXb + F FXb i=0（水平路），Ff=0（坚硬路），FW=0（制动初速度不高）。 其中Fj = mj为减速惯性力二、 制动减速度：j j = FXb / m 汽车在不同的路面上能达到的最大制动减速度为： jmax= FXbmax/m = bG/m =b g 允许前后轮都抱死： jmax = s g 装有ABS的汽车： jmax = p g三、 制动距离：s 指汽车车速为ua0 (空档)时，从驾驶员踩着制动踏板开始到汽车停住为止，所驶过的距离。1、 制动过程： 驾驶员的反应时间：1=1 +1” （驾驶员精神反应+生理反应） 制动器的作用时间：2=2 +2” （制动器滞后时间+制动力增长时间） 持续时间：3 （j基本不变） 消除制动时间：4 （4过长，影响随后起步或加速行驶）2、 制动距离的大小估算：制动距离应是2 、2”和3期间驶过的距离。1） 2 期间驶过的距离： S2= u02 ,m2） 2 期间驶过的距离：S2制动减速度线性增长，即：= k 其中 k = - du = k d又=0 时 u = u0 故 u = u0 + k2 则 =2时 ue = u0 + k22 (求S3用) S2 = u d = = u02 - jmax22 S2 = S2 + S23） 3 期间驶过的距离：S3作匀减速运动，且知初速为ue ,末速为0，则： S3 = = - u02 + jmax22 总制动距离： S = S2 + S3 = u0(2+ ) + - jmax22 u0(2+ ) + S = (2+)ua0 + ，m3、 影响制动距离的因素： 附着系数：S 起始车速：ua0S 制动器作用时间：2主要原因（与3比）四、 制动效能的恒定性：取决于摩擦副的材料、制动器的结构。1、 抗热衰退性：2、 抗水衰退性：44 制动时汽车的方向稳定性 汽车在制动过程中，维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力能力。 跑偏制动时，汽车自动向左或向右偏驶。 侧滑制动时，汽车的某一轴或两轴车轮横向滑移。前轮失去转向能力指弯道制动时，汽车不再按原来弯道行驶而沿弯道切线方向驶出或直线制动时转动方向盘汽车仍按直线方向行驶的现象。一、 汽车的制动跑偏：1、 汽车的左右车轮特别是转向轮左右车轮制动器制动力F不相等；由制造、调整的误差造成的，有向左或向右。2、 制动时悬架导向杆系与转向杆系在运动学上的不协调。由设计原因造成的，总向左（或向右）跑偏。 例：一试制中的货车，制动总向右跑偏，分析原因：转向节上节臂处球头销离前轴中心线太高，且悬架钢板弹簧刚度太小（软）。二、 制动时后轴的侧滑：试验分析：1、 前轮无制动力、后轮有足够的制动力： 会侧滑；2、 后轮无制动力、前轮有足够的制动力： 不会侧滑，但前轮失去转向能力；3、 前、后轮都有足够的制动力，但它们抱死拖滑的次序和时间间隔不同：（ua0 = 64.4km/h ） 前轮比后轮先抱死，或后轮比前轮先抱死的时间间隔0.5s 严重侧滑；4、 起始车速ua0和附着系数的影响： ua0： 只有ua0ua1时，后轴侧滑才成为一种危险的侧滑。 ： 侧滑程度 原因：制动时间侧滑程度 试验结论：1、 制动过程中，若只有前轮抱死、或前轮先抱死，汽车不侧滑（稳定状态），但丧失转向能力；2、 若后轮比前轮提前一定时间先抱死，且ua0ua1时，汽车在轻微侧向力作用下就会侧滑。路面愈滑、制动距离和制动时间愈长，后轴侧滑愈剧烈。（一） 受力分析：1、 前轮抱死、后轮滚动： 在侧向力作用下，前轴侧滑使汽车转向，离心力Fj与侧滑方向相反，Fj减小或抑制侧滑稳定工况2、 后轮抱死、前轮滚动： 在侧向力作用下，后轴侧滑使汽车转向，离心力Fj与侧滑方向相同，Fj加剧后轴侧滑非稳定工况（危险） （二）结论： 为保证制动方向稳定性， 首先，不能出现：只有后轮抱死、或后轮比前轮先抱死的情况，以防止危险的后轴侧滑； 其次，尽量少出现：只有前轮抱死、或前后轮都抱死的情况，以维持汽车的转向能力； 最理想的情况：防止任何车轮抱死。（三）出现后轴侧滑时的解决办法： 松制动，并向侧滑方向打方向。45 前、后制动器制动力的比例关系 问题引入： 为保证有良好的制动性，即良好的制动效能和制动方向稳定性，后轮的制动器制动力F2大小应合适。 若F2后轮FXb易先达到F而先抱死易侧滑 若F