汽车的特征参数、性能指标与行驶原理.ppt

第三章汽车总体构造 主要内容 汽车总体构造的组成部分汽车的总体布置形式汽车的特征参数汽车的主要性能指标汽车行驶的基本原理 三 汽车的特征参数 发动机参数排量 压缩比 最大功率 最大扭矩质量参数整备质量 载质量 总质量尺寸参数长 宽 高 轴距 轮距 接近角 离去角 前悬 后悬等 1 汽车发动机参数 1 排量发动机排量是指发动机各汽缸工作容积的总和 其汽缸工作容积是指活塞从上止点到下止点所扫过的容积 轿车常以发动机排量进行分类 高档轿车发动机排量较高 1 汽车发动机参数 2 压缩比压缩比是指汽缸总容积与燃烧室容积的比值 其中汽缸总容积是指活塞在下止点时其顶部以上的容积 而燃烧室容积是指活塞在上止点时其顶部以上的容积 压缩比的大小反映了气体在汽缸内被压缩的程度 压缩比越大 在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高 燃烧速度也愈快 因而发动机发出的功率就愈大 动力性也愈好 另外 压缩比越大 其发动机的热效率就越高 经济性就越好 但压缩比过大时 易产生不正常燃烧现象 使发动机负荷增加 寿命降低 油耗增大 排放污染加剧 目前一般车用汽油机的压缩比约为6 11 柴油机的压缩比约为16 21 1 汽车发动机参数 3 最大功率最大功率是指发动机未带附件 如水泵 发电机等 油门全开时所能发出的极限功率 通常发动机最大功率越大 其汽车的最高车速也越高 因此 最大功率是进行汽车动力性分析的一个重要参数 4 最大转矩最大转矩是指发动机油门全开时曲轴能对外输出的极限转矩 通常在传动系统参数一定时 发动机最大转矩越大 其汽车的爬坡能力 加速能力也越大 因此 最大转矩也是进行汽车动力性分析的一个重要参数 2 质量参数 1 整备质量汽车完全装备好 但不包括货物 驾驶员及乘客 的质量 除了包括发动机 底盘和车身外 还包括燃料 润滑油 冷却水 随车工具和备用轮胎等的质量 2 载质量货车在硬质 良好的路面上行驶时所允许的最大额定装载质量 客车和轿车的载质量一般以乘坐人数表示 其额定载客人数即为车上的额定座位数 3 总质量汽车在满载时的总质量 即汽车装备质量与所载质量之和 3 尺寸参数 汽车的主要尺寸参数有车长 车宽 车高 轴距 轮距 前悬 后悬 接近角 离去角和离地距等 1 车长车长是指汽车长度方向两极端点间的距离 车长是对汽车的用途 功能 使用方便性等影响最大的参数 因此一般以车长来划分车身等级 车身长意味着纵向可利用空间大 但太长的车身会给调头 停车造成不便 一般中小型乘用车长4m左右 接近5m长的可算作大型车了 按我国有关规定 公路车辆的极限总长是 货车 越野车 客车 12m 铰接式客车 18m 汽车带挂车 20m 3 尺寸参数 2 车宽车宽是指汽车宽度方向两极端点间的距离 车宽主要影响乘坐空间和灵活性 对于乘用车 如果要求横向布置的三个座位都有宽阔的乘坐感 主要是足够的肩宽 那么车宽一般都要达到1 8m 近年来 由于对安全性的要求 车门壁的厚度有所增加 因此车宽也普遍增加 日本对车宽的限制比较严 大部分在1 8m以下 欧洲车则倾向增大车宽 但是车身太宽会降低在市区行走 停泊的方便性 因此对于轿车来说车宽2m是一个公认的上限 接近或超过2m的车都会很难驾驶 按我国有关规定 公路车辆的极限总宽 2 5m 3 尺寸参数 3 车高车高是指汽车最高点至地面间的距离 车高直接影响重心 操控性 和空间 大部分轿车高度在1 5m以下 与人体的自然坐姿高度相比低很多 主要是出于降低全车重心的考虑 以确保高速拐弯时不会翻车 MPV 面包车等为了营造宽阔的乘坐 头部空间 和载货空间 车身一般比较高 1 6m以上 但随之使整车重心升高 过弯时车身侧倾角度大 这是高车身的一个重大缺陷 此外在日本 中国香港等国家和地区 大部分的室内停车场都有高度限制 一般为1 6m 这也是确定车高的重要考虑因素 按中国的有关规定 公路车辆的极限总高 4m 3 尺寸参数 4 轴距轴距是指汽车前轴中心至后轴中心的距离 在车长被确定后 轴距是影响乘坐空间最重要的因素 因为绝大多数的两厢和三厢轿车 乘员的座位都是布置在前后轴之间的 长轴距使乘员的纵向空间增大 直接得益的是对乘坐舒适性影响很大的脚部空间 在行驶性能方面 长轴距能提高直路巡航的稳定性 但转向灵活性下降 回旋半径增大 3 尺寸参数 5 轮距轮距是指同一车轴左右轮胎胎面中心线间的距离 轮距直接影响汽车的前后宽度比例 与其他尺寸相比 轮距更受机械布局 尤其是悬挂系统类型 的影响 是造型设计师需要在早期确定的参数 一般轿车的前轮距比后轮略大 相差约10 50mm 即车身前半部比后半部略宽 这与气流动力学有关 但一些特殊布局的汽车 如法拉利的512TR 由于后轴安放了大型的水平对置12缸发动机 使其后轮距远大于前轮距 这就需要以特别的造型设计来配合 在操控性方面 轮距越大 转向极限和稳定性也会越高 很多高性能跑车车身翼子板都向外抛 就是为了尽量扩大轮距 3 尺寸参数 6 前悬与后悬前悬是指汽车最前端至前轴中心的距离 后悬是指汽车最后端至后轴中心的距离 车长一定 轴距越长 前 后悬便越短 除了一些小型车要竭力增加轴距来扩大乘坐空间外 一般轿车的悬长都不能太短 一来轴距太长会影响灵活性 二来要考虑发动机和传动系统的布局 例如 FF轿车 发动机一般会安置在前轴的前方 因此前悬必须有一定的长度 但前悬也不应过长 以确保爬坡通过性 越野车为了保证爬坡 越台的能力 前悬都很短 一些高性能跑车的前 后悬取值主要是出于对前后重量平衡和动态重心转移的考虑 近年为了满足严格的正面撞击测试法规 有加长前悬的趋势 目的是容纳车架的撞击缓冲结构 后悬则可以比前悬稍长一些 3 尺寸参数 7 接近角与离去角接近角是指汽车前端突出点向前轮引切线与地面的夹角 离去角是指汽车后端突出点向后轮引切线与地面的夹角 接近角和离去角越大 表示汽车的通过性越好 3 尺寸参数 8 离地距离地距是指车体最低点与地面的距离 离地距必须确保汽车在行走崎岖道路 上下坡时的通过性 即保证不刮底 但离地距高也意味着重心高 影响操控性 一般轿车的最低离地距为130 200mm 符合正常道路状况的使用要求 越野车离地距普遍大于200mm 赛车由于安装了扰流车身部件 并且要降低重心 离地距可以低至50mm甚至更低 3 尺寸参数 AudiA2A4 AudiA6A8 四 汽车的主要性能指标 汽车性能是指汽车满足使用要求的程度 也是衡量汽车好坏的重要指标 通常用来评定汽车性能的指标有 动力性 燃油经济性 制动性 操纵稳定性 平顺性和通过性等 汽车安全性也是一个非常重要的性能 但国内外还没有统一的评定标准 由于汽车的种类繁多 需要满足的使用要求各不相同 在设计汽车时往往有针对性地满足一两项主要性能而把其他性能放在次要位置 例如 家用经济型轿车需要强调燃油经济性而把动力性放在较次要位置 跑车则强调动力性而把燃油经济性放在次要位置等 因此 评价一辆汽车的优劣 要综合考虑各方面的因素 1 动力性 汽车的动力性用汽车在良好的路面上直线行驶时所能达到的平均行驶速度来表示 汽车是一种高效率的运输工具 运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性 所以 动力性是汽车各种性能中最基本 最重要的性能 从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发 汽车动力性主要用以下三方面的指标来评定 1 汽车的最高车速 最高车速是指在水平良好的路面 混凝土或沥青 上汽车能达到的最高行驶车速 1 动力性 2 汽车的加速时间 加速时间表示汽车的加速能力 它对平均行驶车速有很大影响 特别是轿车 对加速时间更为重视 常用原地起步加速时间和超车加速时间来表明汽车的加速能力 原地起步加速时间是指汽车由1挡或2挡起步 并以最大的加速度 包括选择恰当的换挡时机 逐步换至最高挡后达到某一预定的距离或车速所需的时间 常用0 400m或0 100km h的时间 秒 来表示汽车原地起步加速能力 超车加速时间是指用最高挡或次高挡由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间 因为超车时汽车与被超车并行 容易发生安全事故 所以超车加速能力强 并行距离短 行驶就安全 对超车加速能力还没有统一的规定 采用较多的是用最高挡或次高挡由30km h或40km h全力加速行驶至某一高速如80km h或100km h所需的时间 1 动力性 3 汽车能爬上的最大坡度 汽车的上坡能力用满载 或某一载质量 时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示 显然 最大爬坡度是指1挡最大爬坡度 轿车最高车速大 加速时间短 经常在较好的路面行驶 因此一般不强调它的爬坡能力 不过 由于轿车的1挡加速能力大 因此其爬坡能力也强 货车在各种道路上行驶 所以必须具备足够的爬坡能力 一般在30 即16 7 左右 越野汽车要在坏路或无路条件下行驶 因而爬坡能力是一个很重要的指标 它的最大爬坡度可达60 即31 左右 2 燃油经济性 在保证动力性的条件下 汽车以尽可能少的燃油消耗量经济行驶的能力 称作汽车的燃油经济性 汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量汽车行驶的里程来衡量 在中国及欧洲 燃油经济性指标单位为L 100km 即行驶100km所消耗的燃油体积数 该数值越大 汽车燃油经济性越差 美国为MPG mile gal 这个数值越大 汽车燃油经济性越好 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标 指汽车在一定载荷 中国标准规定轿车为半载 货车为满载 下 以最高挡在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量 常测出每隔10km h或20km h速度间隔的等速百公里燃油消耗量 然后在图上连成曲线 称为等速百公里燃油消耗量曲线 2 燃油经济性 等速行驶工况并没有全面反映汽车的实际运行情况 特别是在市区行驶中频繁出现的加速 减速 怠速以及停车等行驶工况 因此 在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基础上 各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况来模拟实际汽车运行状况 并以百公里燃油消耗量 或MPG 来评定相应行驶工况的燃油经济性 欧洲经济委员会 ECE 规定 要测量车速为90km h和120km h的等速百公里燃油消耗量和按ECE R 15循环工况的百公里燃油消耗量 并各取1 3相加作为混合百公里燃油消耗量来评定汽车燃油经济性 美国环保局 EPA 规定 要测量城市循环工况 UDDS 及公路循环工况 HWFET 的燃油经济性 并计算综合燃油经济性 单位 mile gal 3 制动性 汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向的稳定性 在下长坡时能维持一定车速的能力 以及在一定坡道上能长时间停车不动的驻车性能 称为汽车的制动性 汽车的制动性主要由下列三方面来评价 1 制动效能 指在良好路面上 汽车以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度 它是制动性能最基本的评价指标 2 制动效能的恒定性 即抗热衰退性能 指汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度 3 制动时的方向稳定性 即制动时汽车不发生跑偏 侧滑以及失去转向能力的性能 常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价 3 制动性 世界各国对汽车的制动性能的要求有所不同 中国对轿车的制动性能要求是 在干燥的水泥路面上 汽车满载以80km h的初速制动 制动距离 50 7m 而制动时的稳定性要求是不允许偏出3 7m通道 美国的要求是 汽车以96 5km h的初速制动时 制动距离 65 8m 制动的稳定性要求是车轮不抱死偏出量小于3 66m 4 操纵稳定性 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张 疲劳的条件下 汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶 且当遭遇外界干扰 比如侧向力 转弯时的向心力等 时 汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力 随着道路的不断改善 特别是现代高速公路的发展 汽车以l00km h或更高车速行驶的情况是常见的 现代轿车设计的最高车速一般常超过200km h 有的运动型轿车甚至超过300km h 汽车的操控稳定性不仅影响到汽车驾驶的操控方便程度 而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能 所以人们称之为 高速车辆的生命线 4 操纵稳定性 汽车操纵稳定性涉及的问题较为广泛 需要采用较多的物理参量从多方面来进行评价 一般常用汽车的稳定转向特性来评价 转向特性包括不足转向 过度转向以及中性转向三种状况 不足转向特性的汽车 在固定方向盘转角的情况下绕圆周加速行驶时 转弯半径会增大 过度转向特性的汽车在这种条件下转弯半径则会逐渐减小 中性转向特性的汽车则转弯半径不变 由于过度转向特性的汽车在转弯时容易发生剧烈的回转 从而导致翻车事故的发生 因此在汽车设计中要尽量杜绝汽车具有过度转向特性 汽车的转向特性与汽车的前后桥轴荷分配 轮胎和悬架种类以及转向结构形式等有关 易操控的汽车应当有适当的不足转向特性 以防止汽车出现突然甩尾现象 5 行驶平顺性 汽车行驶时 由路面不平以及发动机 传动系和车轮等旋转部件激发汽车的振动 通常 路面不平是汽车振动的基本输入 因此 平顺性主要是指路面不平引起的汽车振动 其频率范围约为0 5 25Hz 汽车的平顺性要求汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内 因此 平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价 对于载货汽车还包括保持货物完好的性能 由于平顺性主要是根据乘坐的舒适度来评价的 所以它又称为乘坐舒适性 6 通过性 汽车的通过性是指汽车能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 凹凸不平地面等 及各种障碍 如陡坡 侧坡 壕沟 台阶 灌木丛 水障等 的能力 汽车的通过性主要取决于地面的物理性质及汽车的结构参数和几何参数 同时 它还与汽车的其他性能 如动力性 平顺性 机动性 稳定性 视野性等密切相关 由于汽车与越野地面间的间隙不足而被地面托住 无法通过的情况 称为间隙失效 当汽车中间底部的零部件碰到地面而被顶住时 称为顶起失效 当汽车前端或尾部触及地面而不能通过时 则分别称为触头失效或托起失效 与间隙失效有关的汽车整车几何参数 称为汽车的通过性几何参数 例如 最小离地间隙 纵向通过半径 横向通过半径 接近角 离去角等 五汽车行驶的基本原理 要使汽车行驶 必须具备两个基本的行驶条件 驱动条件和附着条件 一 驱动条件汽车必须具有足够的驱动力 以克服各种行驶阻力 才能得以正常行驶 这些阻力包括 滚动阻力 空气阻力 坡度阻力和加速阻力 1 牵引力的产生 当汽车行驶时 发动机的输出扭矩通过传动系传给驱动车轮 使驱动车轮得到一个扭矩Mt 由于汽车轮胎与地面接触 在扭矩的作用下 接触面上轮胎边缘对地面产生一个圆周力F0 它的方向与汽车行驶方向相反 根据作用力与反作用力的关系 路面对轮胎边缘施加一个反作用力Ft 其大小与F0相等方向相反 则Ft为外界对汽车施加的推动力 即牵引力 2 汽车行驶的阻力 汽车行驶总阻力 F包括滚动阻力Ff 空气阻力Fw 上坡阻力Fi和加速阻力Fj F Ff Fw Fi Fj 2 汽车行驶的阻力 滚动阻力滚动阻力是由于车轮滚动时轮胎与路面两者在其接触区域发生变形而产生的 车轮在硬路面上滚动时 驱动汽车的一部分动力消耗在轮胎变形的内摩擦上 而路面变形很小 车轮在软路面 松软的土路 沙地 雪地等 上滚动时 路面变形较大 所产生的阻力就成为滚动阻力的主要部分 滚动阻力以Ff表示 其数值与汽车的总质量 轮胎的结构与气压以及路面的性质有关 空气阻力汽车在空气中向前行驶时 前部承受气流的压力而后部抽空 产生压力差 此外 空气与车身表面以及各层空气之间存在着摩擦 再加上引入车内冷却发动机和室内通风以及外伸零件引起气流的干扰 就形成空气阻力 空气阻力以Fw表示 它与汽车的形状 汽车的正面投影面积 汽车与空气相对速度的平方成正比 可见 汽车速度很高时 空气阻力相当可观 并将成为总阻力的主要部分 2 汽车行驶的阻力 2 汽车行驶的阻力 坡度阻力汽车在坡道上行驶时 其总重力沿坡道方向的分力称为坡度阻力 以Fi表示 汽车只有在上坡时才存在坡度阻力 但汽车上坡所作的功并没有白白耗费 而是转化为重力势能 当汽车下坡时 重力势能促使汽车下坡并转化为动能 2 汽车行驶的阻力 加速阻力 汽车加速行驶时 需要克服其自身质量加速运动的惯性力 即加速阻力 以Fj表示 3 驱动力与总阻力的关系 汽车的驱动力Ft与上述各项阻力之和 总阻力 存在如下关系 上式可改为汽车行驶的过程 是驱动力是否能克服各种阻力的交替变化过程 当Fj 0时 汽车匀速行驶 当干Fj 0时 汽车速度增加 同时空气阻力亦随车速的增加而急剧增大 在某个较高速度处达到新的平衡然后匀速行驶 当Fj 0时 汽车减速乃至停驶 这时 如果要维持较高的车速 就需要加大发动机的输出功率或将变速器换入较低的档位以维持较大的驱动力 当汽车在平直的路面上以最高车速行驶时 只需克服滚动阻力和空气阻力 二 附着条件 汽车能否充分发挥其驱动力 还受到车轮与路面之间附着作用的限制 在平控的干硬路面上 汽车附着性能的好坏决定于轮胎与路面间摩擦力的大小 这个摩擦力阻碍车轮的滑动 使车轮能够正常地向前滚动并承受路面的驱动力 如果驱动力大于轮胎与路面间的最大静摩擦力时 车轮与路面之间就会发生滑转 在松软的路面上 除了轮胎与路面间的摩擦阻碍车轮滑转外 嵌入轮胎花纹凹处的软路面凸起部还起一定的抗滑作用 通常把车轮与路面之间的相互摩擦以及轮胎花纹与路面凸起部的相互作用综合在一起 称为附着作用 由附着作用所决定的阻碍车轮滑转的最大力称为附着力 与车轮所承受垂直于路面的法向力G 称为附着重力 成正比 汽车行驶的附着条件 二 附着条件 驱动力的