汽车理论教案

5 78 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 1 1 汽车动力性的评价指标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 ua1 ua2 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 1 1 2 2 汽车的驱动力与行驶阻力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 本章课堂授 课共 8 学时 4 次课 1 2h 第一 次课开始 幻灯切换 列表对比介绍不 同类型汽车及国 内外军用汽车最 高车速 给学员 以感性认识 列表对比介绍起 步加速时间 列表对比介绍最 大爬坡度 6 78 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 Tt r Ttqigi0 t r 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 a k n a k 1 n a k 2 n a 0 即 T 0 for i k downto 0 do T T n a i 传动系的机械效率 t t 100 100 1 100 P输出 P输入 Pe Pt Pe Pt Pe Pt为传动系损失功率 包括 机械损失 磨擦 Ttq 7 78 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 S 2 N r 0 0254 B 1 d 2 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 1 0 16 4 汽车的驱动力图 用 Ft ua 图全面表示汽车的驱动力 Ft Ttqigi0 t r ua 0 377 rn igi0 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 1 2h 第一 次课结束 3 4h 8 78 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 Ff 1 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 FZ1 a 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 Fx1 r Tf1 Fx1 Tf1 r FZ1 a r 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 W1 f 驱动轮 Fx2 r Tt FZ2 a Fx2 Tt r FZ2 Ft Ff2 a r 总的滚动阻力 Ff Ff1 Ff2 W1f W2f G f 在坡度为 的路面上 Ff Gcos f 2 f 的影响因素 路面种类 9 78 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 1 2 Fw CDAua2 21 15 3 影响因素 10 78 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 G sin 坡度 i tg h s i 较小时 sin tg i 则 Fi G i 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 du dt 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 du dt 11 78 车轮 Twj Iw d w dt Iw r du dt 飞轮 Tfj If If d e dt d wigi0 dt Ifigi0 r du dt 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 1 m Iw r2 1 m Ifig2i02 t r2 经验公式 1 1 22 其中 1 2 0 03 0 05 则汽车加速时的惯性力为 Fj m du dt 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 du dt Fx1 r Tf1 Iw1 Ff1 Tf1 r d dt 故 Fx1 Ff1 Iw1 r2 du dt 从动轴作用于从动轮的水平力为 Fp1 Ff1 m1 1 Iw1 r2 du dt 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 12 78 Fx2 Fp2 m2 du dt Fx2r Iw1 Tf2 Tt Ff2 Tf2 r Ft Tt r d dt Ft 为加速过程中驱动轮上的驱动力 Ft Ft 其大小为 Ft Fp2 Ff2 m2 2 Iw2 r2 du dt 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 igi0 t Ttq If igi0 t d e dt Ft Tt r Ttq 3 Ifigi0 r du dt igi0 t r 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 du dt 其中 mB为除从动轮和驱动轮外的汽车质量 m m1 m2 mB 4 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 Ifigi0 r du dt igi0 t r Ff1 m1 Fw mB Ff2 m2 Iw1 r2 du dt du dt Iw2 r2 du dt 整理得 13 78 Ff Fw 1 m Ttqigi0 t r 1 m Iw r2 1 m Ifig2i02 r2 du dt Ff Fw m du dt 设汽车在坡道上行驶 Ft Ff FW Fi m du dt Gcos f Gsin m Ttqigi0 t r CDAua2 21 15 du dt 1 1 3 3 汽车行驶的驱动与附着条件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 du dt Ft Ff FW Fi 2 附着条件 有劲还得使得上 用用 F F 表示轮胎切向反力的极限 在硬路面上它与驱动轮所 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 受的法向反力成正比 为附着系数 为附着系数 1 1 驱动轮的附着力 驱动轮的附着力 前轮驱动汽车 前轮驱动汽车 F F 1 1 F FZ1Z1 后轮驱动汽车 后轮驱动汽车 F F 2 2 F FZ2Z2 全轮驱动汽车 全轮驱动汽车 F F 1 1 F FZ1Z1 F F 2 2 F FZ2Z2 2 2 汽车的附着力 汽车的附着力 前轮驱动汽车 前轮驱动汽车 F F F FZ1Z1 后轮驱动汽车 后轮驱动汽车 F F F FZ2Z2 全轮驱动汽车 全轮驱动汽车 F F F FZ Z F FZ1 Z1 F FZ1 Z1 14 78 对前驱动轮对前驱动轮 F Fx1 x1 F FZ1 Z1 前驱动轮的附着率 前驱动轮的附着率 C C 1 1 F FX1 1 F FZ Z1 1 则要求则要求 C C 1 1 对后驱动轮对后驱动轮 F Fx2 x2 F FZ2 Z2 后驱动轮的附着率 后驱动轮的附着率 C C 2 2 F FX2 F FZ Z2 2 则要求则要求 C C 2 2 Ft FZ2 f f C 2时 q b L 1 hg C 1 C 2时 q a L hg 分析 与汽车静止时地面法向反力比较 17 78 FZ1 G FZ2 G b L a L 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 FW 0 Fj 0 解 先校核附着条件 Ft F Ft Ttqigi0 t r 150 6 5 0 8 0 4 9000N F Gcos 30000 0 94 0 7 19740N Ft F 满足附着条件 再校核驱动条件 Ft Ff FW FI Ff FW FI Gcos Gsin 30000 0 94 0 02 3000 0 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 27 78 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 6 8 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 U b 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 单车载质量 挂车载质量 单车整备质量 挂车整备质量 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 5 4 3 而挂车载质量 5t 整备质量 2t 则全车质量利用系数为 1 59 5 5 4 3 2 跑空车时将挂车放在单车上 变整备质量为载质量 28 78 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 3 1 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 t Gcos fua 3600 CDAua3 76140 1 比功率 km t 1000Pe m uamax uamax3 g 3 6 f t 1 76 14 CDA m t 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 100 300km 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 TP Ttqmax 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 29 78 力 稳定行驶车速 3 比转速 nP nT nP 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 3 2 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 i01 i02 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 3 3 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 Gcos maxf Gsin max Teqmaxig1i0 t r 30 78 ig1 Gcos maxf Gsin max r Teqi0 t 2 应按下式验算附着条件 Ftmax F Teqmaxig1i0 t r 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 nminr uamin 其中 nmin 为发动机最低稳定工作转速 3 4 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 7 1 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 itmax itmin 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 itmax itmin 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 31 78 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 itmax itmin 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 ig1 ig2 ig2 ig3 设为 n 档变速器 in 1 直接档 且 ig1已知 则 qn 1 ig1 ig2 ig2 ig3 ig n 1 ign 即 ig1 qn 1 q n 1 ig1 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 n2r igi0 换档后 ua2 0 377 n1r igi0 由 ua1 ua2 得发动机转速降低到 n1 n2才能使离合 ig2 ig1 器换档无冲击 同理 档 档时 需 n1 n2 ig3 ig2 32 78 q n1 n1 ig2 ig1 ig3 ig2 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 4 1 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 33 78 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 4 2 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 r 2 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 r 2 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 F 2 临界状态 刚刚抱死 FXb F F 3 车轮抱死后 抱死拖滑 FXb F rr0 W 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 r w uW uW 车轮的实际速度 车轮中心的速度 车速 r w 车轮的圆周速度 uW r w 车轮的滑移速度 讨论 1 纯滚动时 uW r W s 0 2 边滚边滑 uW r W 0 s滚动半径 rr0 35 78 制动时 轮胎受拉 如图 2 t s 曲线 s t 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 F 2 Fb2 FY2 等式两边同除以 FZ 得 t 2 b2 有 b t 结论 s 15 20 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 4 3 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 36 78 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 u0 2 m 2 2 期间驶过的距离 S2 制动减速度线性增长 即 k du d 其中 k jmax 2 du k d 又 0 时 u u0 故 u u0 k 2 1 2 37 78 则 2 时 ue u0 k 2 2 求 S3用 1 2 S2 u d u0 2 jmax 2 2 1 6 S2 S2 S2 3 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 u0 2 jmax 2 2 ue2 2jmax u02 2jmax 1 2 1 8 总制动距离 S S2 S3 u0 2 jmax 2 2 2 2 u02 2jmax 1 24 u0 2 2 2 u02 2jmax S 2 ua0 m 1 3 6 2 2 ua02 254 b 3 影响制动距离的因素 附着系数 S 起始车速 ua0 S 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 38 78 4 4 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 ua0 ua1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 39 78 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 ua0 ua1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 4 5 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 F 2大小应合适 若 F 2 后轮 FXb易先达到 F 而先抱死 易侧滑 若 F 2 不能充分利用后轮 F 2 影响制动效能 那么 对于前 后制动器制动力按定比分配的一般汽车来 说 该如何确定此分配比例呢 一 地面对前 后车轮的法向反作用力 FZ1 FZ2 问题引入 制动时 FZ1 FZ2 且 F FZ F 1 F 2 直接影响前 后轮抱死先后顺序 有必要先讨论制动时 FZ1 FZ2将如何变化 假定 i 0 水平路 Ff 0 坚硬路 FW 0 制动初速度不 40 78 高 F 0 忽略减速时旋转质量产生的惯性力偶矩 FZ1L Gb Fjhg FZ2L Ga Fjhg 将 Fj m 忽略旋转质量 1 du dt 代入上式 得 FZ1 b G L hg g du dt FZ2 a G L hg g du dt 若前 后轮都抱死 在 的路面上 j g du dt 则 FZ1 b hg G L FZ2 a hg G L 可见 当制动强度或附着系数变化时 FZ1 FZ2变化很大 重心前移 二 理想的前 后制动器制动力 F 的分配曲线 制动时 前 后轮同时抱死 对制动效能 制动方向稳定 性均有利 此时的 F 2 F 1的关系曲线称为理想的前 后 制动器制动力的分配曲线 如何理想地分配 F 1 F 2 才能使汽车在任何 的路面 上 前 后轮同时抱死 在任何 的路面上 前 后轮同时抱死的条件是 前后 制动器制动力的和等于地面附着力 且 F 1 F 2分别等于各 自的附着力 即 F 1 FZ1 F 2 FZ2 F 1 F 2 G F 1 b hg G L 41 78 F 2 a hg G L 得 F 1 F 2 G 等制动力线组 得 制动力分配线组 F 2 F 1 a hg b hg 上述两线组的对应 值交点连线 理想的前 后制动器 制动力的分配曲线 简称 I 曲线 消去 F 2 2F 1 1 2 G hg b2 4hgL G Fu1 Gb hg 讨论 1 汽车前 后轮制动器制动力 F 1 F 2的分配关系如果 能满足 I 曲线 就能保证在任何 的路面上前 后轮都同时 抱死制动 即 只有当路面的 变化后 F 1 F 2的分配关系也随 I 曲线变化 才能使前 后轮同时抱死 2 由于当前后轮同时抱死或先后都抱死时 F 1 Fxb1 F 1 且 F 2 Fxb2 F 2 因此 I 曲线也是 3 I 曲线只与汽车的结构参数有关 汽车质量 m 质心到 前后轴的距离 a b 质心高度 hg 三 具有固定比值的前 后轮制动器制动力及同步附着系数 1 具有固定比值的前 后轮制动器制动力分配系数 及 线 一般汽车前 后轮制动器制动力之比为一固定值 F 1 F F 2 F 1 1 实际的 F 1 F 2的分配线 线 直线 2 同步附着系数 0 I 曲线与 线的交点处的附着系数 42 78 0的意义 前 后轮制动器制动力为固定比值的汽车 只有在一种附 着系数 即 0 的路面上制动时 才能使前 后车轮同时 抱死 解析法求 0 而 F 2 F 1 1 F 2 F 1 a hg b hg 0 或 L b hg 0hg b L 提问 0值是由路面参数决定的还是由汽车结构参数决定 的 0必是 I 曲线上的点 只与汽车结构参数有关 四 汽车在各种路面上制动过程的分析 一 f 线组与 r 线组 1 f 线组 在各种 值的路面上 只有前轮抱死时的前 后轮地面制动力 FXb1 FXb2的关系曲线 当前轮抱死时 du dt FXb m FXb1 FXb2 m FXb1 FZ1 b G L hg g du dt 代入并整理得 FXb2 FXb1 L hg hg G b hg 以不同的 值代入上式 即得 f 线组 与纵坐标 FXb2截距为 所有线过点 0 G b hg G b hg 2 r 线组 在各种 值的路面上 只有后轮抱死时的前 后轮地面制动力 FXb1 FXb2的关系曲线 当后轮抱死时 43 78 FXb2 FZ2 a G L hg g du dt 代入并整理得 FXb2 FXb1 hg L hg Ga L hg 以不同的 值代入上式 即得 f 线组 与横坐标 FXb1截距为 所有线过点 0 G a hg Ga hg 以不同的 值代入上式 即得 r 线组 3 作 f 线组与 r 线组图 f 线组与 r 线组交点 即前 后轮同时抱死点 f 线组与 r 线组交点连线 即 I 曲线 I 曲线以上 f 线组与 I 曲线以下的 r 线组 前 后轮均己 抱死 FXb G 不再增加 无意义 二 制动过程的分析 设 汽车的 0 0 39 1 在 0的路面上制动 设 0 3 O A A 点 A A A 点 车轮工况均未抱死前轮抱死拖滑都抱死 F 1 F 2 沿 线变化 FXb1 FXb2 沿 线变 化 交于 0 3 的 f 线 沿 0 3 的 f 线变化 交于 0 3 的 r 线 I 曲线 FXb与 F 的关 系 FXb1 F 1 FXb2 F 2 FXb1 0的路面上制动 设 0 7 O B B 点 B B B 点 车轮工况均未抱死后轮抱死拖滑都抱死 44 78 F 1 F 2 沿 线变化 FXb1 FXb2 沿 线变 化 交于 0 7 的 r 线 沿 0 7 的 r 线变化 交于 0 7 的 f 线 I 曲线 FXb与 F 的关 系 FXb1 F 1 FXb2 F 2 FXb1 F 1 FXb2 F 2 j 0 7g 3 在 0的路面上制动 制动开始 FXb1 FXb2 F 1 F 2沿 线上升 线与 r f I 线同时相交 前 后轮同时抱死 结论 线位于 I 线下方 路面 0 总是后轮先抱死 五 制动强度 q 为防止后轴侧滑或前轮失去转向能力 汽车在制动过程中 最好既不出现后轴车轮先抱死的危险工况 侧滑 也不出现 前轴车轮先抱死或前后车轮都抱死的危险工况 应以即将出 现车轮抱死 但还没有任何车轮抱死时的制动减速度作为汽车 能产生的最高制动减速度 定义 制动强度 z g du dt 显然 在 0的路面上制动时 z 0 而在其它 值 的路面上制动时 z 0 证明如下 1 在 0路面制动时 前轮刚首先抱死时获得最大制动减 速度 F 1 FZ1 b G L hg g du dt F 1 F FXb du dt G g 前轮刚抱死 有 F 1 F 1 FXb1 可求出 45 78 g g du dt b L hg b b 0 hg z1 b b 0 hg 0 z1 0路面制动时 后轮刚首先抱死时获得最大制动减 速度 F 2 FZ2 a G L hg g du dt F 2 1 F 1 du dt G g 前轮刚抱死 有 F 2 F 2 可求出 g g du dt a L 1 hg a a 0 hg z2 a a 0 hg 0 0 0 z2 六 附着系数利用率 在附着系数为 的路面上制动时 制动强度与附着系数 之比 q 0时 1 0时 2 1 a a 0 hg 46 78 0时 1 1 常用来评价汽车在不同路面上制动时方向稳定性的好 坏 其值的大小在一定程度上反映了前后轮先后抱死 拖滑的时间间隔长短 越小 前后轮先后抱死拖滑的 时间间隔越长 汽车丧失方向稳定性的可能性越大 2 的大小也反映了地面附着条件的利用程度 越接近 1 说明地面附着条件发挥的越充分 也说明汽车制动力 分配的越合理 七 制动效率 汽车制动时 并不是把制动器制动力 F 全部转化为地面制 动力 FXb 故 F 因不能充分发挥作用而存在效率问题 制动效率 b 汽车在一定附着系数的路面上制动时 前后 车轮都抱死所获得的最大地面制动力 FXbmax与此时所需要的制 动器制动力 F max之比 b Fxbmax F max 下面分析 G 53kN 的汽车在不同 值路面上的 b 1 当 0时 设 0 7 FXbmax F G 0 7 53 37 1kN 需要的 F max 为 F max 46 8kN b FXbmax F max 79 2 3 当 0时 FXbmax F max b 100 只有在 0的路面上制动时 制动效率 b最大 其它的路面上 FXbmax F max b 1 证明从略 若把 0由 0 39 0 7 则在较高 的路上制动时 可 47 78 保证有较高的制动效率 b 八 同步附着系数 0的选择 汽车的制动情况取决于 I 曲线与 线的配合 I 曲线是由汽车总质量和汽车质心位置决定的 线是由前 后制动器制动力的分配决定的 因此可通过调整 值 得到 I 曲线与 线的恰当配合 从而改善制动情况 也就是选取合 适的 0 1 调整 值 保证合适的 0 越大 线的斜率小 0越大 图中 1 2 3 F 1 F 改变 F 1 如前轮的制动轮缸活塞直径或制动 气室膜片直径 2 针对不同车型选取 0 轿车 ua高 后轴易侧滑 应高 0应大 货车 ua低 不易出现后轴侧滑 应尽量保证转向能力 即避免 前轮抱死 值应低些 应选较小的 0值 3 针对不同的使用条件 如 多雨的山区 弯道多 强调转向能力 应避免前轮抱死 ua低 不易发生后轴侧滑 选用较小的 0值 十 对前后制动器制动力分配的要求 制动力的调节 1 为了防止后轴抱死出现危险的侧滑 应位于 I 曲线的 下方 2 为了减少制动时前轮抱死而失去转向能力 提高附着效 率 线应尽量靠近 I 线 方法 调节后轮制动油泵油压或气压 使后轮制动力矩减小 1 比例阀 2 感载比例阀 3 感载射线阀 48 78 第六章 汽车的平顺性 6 1 汽车的平顺性及其评价方法 一 平顺性 平顺性 汽车在行驶过程中 保持驾驶员和乘员处于振动环境中 具有一定的舒适度 或保持所载物资完好的能力 汽车行驶时 由于路面不平等原因会激起汽车振动 振动会影响汽 车的平顺性 使乘员感到不舒适和疲乏 或使所运载的物资受损 也会 使通过性 操纵稳定性 经济性变坏 使动力性得不到充分发挥 比如 当车轮上下跳动时 车轮与地面附着性能下降 就会影响汽车的各种使 用性能 二 人体对振动的反应 机械振动对人体的影响 既取决于振动频率 强度 振动作用的方 向和暴露时间 又取决于人的心理 生理状态 因此评价困难 一 ISO2631 国际标准 人承受全身振动的评价指南 用加速度的 均方根值 rms 给出了在 1 80Hz 振动频率范围内人体对振动反应的 三个不同界限 1 暴露极限 人体承受的振动强度低于此值 将能保持健康和安 全 2 疲劳 工效降低界限 振动强度在此界限之内 驾驶员能准确灵 敏地反应 正常地进行驾驶 49 78 3 舒适降低界限 振动强度低于此值 乘员能在车上顺利进行吃 读 写等动作 图中给出了 疲劳 工效降低界限 不同暴露时间下 随频率的变 化趋势 图 a 为垂直方向振动 上下 图 b 为水平方向振动 纵向和横 向 另两个反应界限随频率的变化趋势与之完全相同 只是允许值不同 暴露极限 值为 疲劳 工效降低界限 值的 2 倍 上移 6db 舒适 降低界限 值为 疲劳 工效降低界限 值的 1 3 15 倍 下移 10db 二 影响 疲劳 工效降低界限 的因素 1 振动频率 人体振动系统在垂直振动 4 8Hz 水平振动 1 2Hz 环境中会出现共振 从曲线中可看出 人体对振动最敏 感的频率范围的加速度允许值最小 2 振动作用方向 汽车上 2 8Hz 以下的振动较多 而水平方向 人体最敏感频率在此范围之内 因此应充分重视由汽车俯仰角 振动在水平方向的引起的水平振动 3 暴露时间 同一频率下 随着暴露时间的增长 加速度允许 值减小 实际上 人体产生 疲劳 不舒适 感觉是振动强度 和暴露时间综合作用的结果 三 ISO 推荐的两种平顺性的评价方法 把传到人体的加速度进行频谱分析 得到 1 3 倍频带的加速度均方 根值谱 1 3 倍频带上 下限频率比值 fu fl 1 26 3 2 中心频率 fc fufl 带宽 f fu fl fu 1 12fc fl 0 89fc 各个 1 3 倍频带加速度均方根值的分量 i 可由传到人体的加速 p 度 f t 的功率谱密度 G f 积分得到 p p i p 1 12fci 0 89fci G p f df 一 1 3 倍频带的加权加速度均方根值分量 分别评价方法 当同时有许多个 1 3 倍频带都有振动能量作用于人体时 各频带振 动的作用无明显联系 对人体产生影响的 主要是由人体感觉的振动强 度最大的一个 1 3 倍频带所造成的 可以用加权加速度均方根值分量 wi来评价人体对振动强度的 p 感觉 评价指标为加权加速度均方根值分量 wi中的最大值 p 50 78 二 1 3 倍频带的加权加速度均方根值 总加权值评价方法 用 1 80Hz 范围内的 20 个 1 3 倍频带的加权加速度均方根值分量 wi的方和根值 即总加权值 w来评价 p p w p 6 2 汽车振动系统及其模型 一 汽车振动系统 一般来说 只要物质系统具有惯性 如质量 转动惯量 和恢复力 如弹性力 就可能产生振动 这样的系统称为振动系统 由于任何 机器 机构及其零部件都具有质量或弹性 因而它们都是振动系统 汽车是由许多零部件组成的复杂机械 各部件 总成本身具有质量 和弹性 它们之间又多用弹性件相联接 考虑到车架 车身等部件具有 连续分布质量的特点 因此汽车是一个具有无限多自由度的复杂的振动 系统 又由于各零部件之间存在干摩擦 库仑阻尼 内摩擦 结构阻 尼 因此汽车又是一个非线性系统 自由度是确定系统任意瞬时的几何位置所需的独立坐标的个数 独 立坐标也称广义坐标 例如 空间一质点具有 3 个自由度 放在弹簧上 的刚体具有 1 个自由度 单自由度系统 双自由度系统 多自由度系统 以上三种统称为有限自由度系统 它们都是集中参数系统 无限自由度 系统 需要无限多个独立坐标才能确定系统的位置 二 模型 在实际研究时 应按研究的目的 范围等对汽车系统进行简化 也 即 在不影响所研究的问题的基础上对系统作一些假设 然后建立模型 在研究汽车的行驶平顺性时 基本假设有 1 悬挂质量 车身质量 和非悬挂质量 车轮车车桥质量 分别假 想为一个无弹性变形的理想刚体 其质量分别集中于各自的质心 51 78 上 2 忽略各总成和部件的局部振动 把多数总成之间的弹性联接简化 为刚性联接 而且仅计及悬架系统 轮胎或座椅弹簧等有限几个 弹性元件的弹性 3 弹性恢复力与振动位移成正比 惯性力与振动加速度成正比 阻 尼力与振动速度成正比 进一步 以双轴汽车为例 可简化成如下一些振动模型 1 7 自由度立体模型 1 汽车悬挂质量 车身 车架及其上的总成等 视为刚体 质量为 m2 2 该质量绕横轴 y 的转动惯量为 Iy 3 非悬挂质量 车轮 车轴 桥等 视为刚体 质量 m1 4 悬挂质量通过悬架弹簧和减振器与非悬挂质量相连 5 非悬挂质量通过轮胎的弹性和阻尼支承于不平地面上 6 左侧路面不平度为 q1 I 右侧路面不平度为 q2 I 此时有 车身的垂直方向运动 俯仰 侧倾 3 个自由度和四个车轮 各自的垂直运动 共 7 个自由度 2 4 自由度平面模型 1 在 7 自由度模型基础上 假设汽车左右完全对称 2 左右路面不平度函数相同 此时有 车身的垂直运动 俯仰 2 个自由度和两个车轮各自的垂直 方向运动 共 4 个自由度 工程中常把质量为 m2 转动惯量为 Iy的车身质量按动力学等效的条 件分解为三个集中质量 前轴上方质量 m2f 后轴上方质量 m2r 质心 质量 m2c 并假定三质量由无质量的刚性杆连接 则 a 总质量保持不变 m2 m2f m2r m2c b 质心位置不变 m2f a m2r b c 车身绕 y 轴的转动惯量 Iy的值不变 Iy m2 y2 m2f a m2r b 由此可求出三个集中质量的值 m2f m2 y2 aL m2 b L m2r m2 y2 bL m2 a L m2c m2 1 y2 ab m2 1 令 y2 ab 称作悬挂质量分配系数 汽车一般为 0 8 1 2 52 78 3 单质量 2 自由度模型 在 4 自由度模型基础上 忽略非悬挂质量 即只有车身的垂直运动 和俯仰 2 个自由度 4 双质量 2 自由度模型 由于多数汽车 1 故可认为 m2c 0 前后轴上方质量 m2f m2r 的垂直方向运动是相互独立的 即 m2f的运动与 m2r的运动无关 因此 可分别讨论 m2f和 m2r的运动 成为只有车身质量垂直运动和车轮质量 垂直运动的 2 自由度模型 5 单质量单自由度模型 在双质量 2 自由度模型基础上 忽略非悬挂质量 则成为单质量单 自由度模型 这是最简单的模型 也是研究其它模型的基础 6 人体 车身 车轮 三质量 3 自由度模型 只考虑人体 车身和车轮三质量的垂直运动 三 振动问题 振动系统并不是孤立存在的 激励 输入 作用在系统上的随时间变化的外力 矩 也称干 扰力 矩 路面不平度 车速 路面的不平度用路面的不平度函数 q I 来表示 是路面相对于基准 平面的高度 q 沿道路走向长度 I 的变化 由于 q 是随机的 故常用路面 的功率谱密度 Gq n 来