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小抄汽车理论2汽 车 理 论 汽 车 理 论 第一章 汽车的动力性 第一章 汽车的动力性 汽车的动力性是指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、所能达到的平均行驶速度。 1.1 汽车的动力性指标 汽车动力性主要由汽车的最高车速、加速时间和最大的爬坡度三个指标来评定。 一(最高车速 汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，在水平、良好的路面(混凝土或沥青)上所能达到的最高行驶速度。以符号uamax表示，单位为km/h。 二(汽车的加速时间 汽车的加速时间t反映汽车的加速能力。常用汽车原地起步加速时间与超车加速时间来表明。 原地起步加速时间:在无风的条件下，由停车状态起步后以最大加速强度连续换到最高档后，到某一预定的距离或车速所需的时间。预定距离常用400m 或1000m，预定车速常用100km/h或80km/h。 超车加速时间:在无风的条件下，用最高档或次高档，由一预定车速全力加速到某一高速所需的时间。没有一致的规定，多用由30km/h或40km/h加速到某一高速。 三(最大爬坡度 使用外特性曲线: 汽车的最大爬坡度imax反映汽车的爬坡能力。是指汽车在满载(或某一载质量)无风的条件下，在良好的路面上以最低前进档所能爬在缺少试验数据时，可用近似公式来估算。 的最大坡度。 一般越野车imax可达60%即31?左右。 一些国家还规定汽车在常遇的坡道上能以一定的速度行驶来表明汽车的爬坡能力。如要求单车在3%的坡度上能以60km/h的车速行驶。 汽车的驱动力与行驶阻力 汽车的驱动力与行驶阻力 确定汽车的动力性，首先要分析沿行驶方向作用于汽车的各种外3 3 力，即驱动力与行驶阻力。根据这些力的关系，建立汽车行使方程式(二). 传动系的机械效率 (二). 传动系的机械效率 ，就可以估算汽车的最高车速，加速度和最大爬坡度. 发动机所发出的功率Pe经传动系传至驱动轮的过程中，存在功率汽车的 行驶方程式为: 损失。如以PT表示传动系的功率损失，则传动系的机械效率为 T,(Pe-PT)/ Pe,1- PT/ Pe 传动系功率损失分为机械损失和液力损失。传动系效率是在专门的试验台上测得的。 汽车的驱动力 在进行动力性估算时，把T看作一个常数。采用有级变速器的轿车T 取0.9,0.92;货车、客车T取0.82,0.85;越野车T取0.80,0.85;也可按表1-1对T进行估算。 (三). 车轮的半径 (三). 车轮的半径 车轮的工作半径和轮胎的结构、气压、承受的载荷及转速等因素有关。 车轮充气后，未承受任何载荷时的半径称为自由半径。 如图1,2。作用在驱动轮上的转矩Tt，对地面作用一圆周力F0，即是驱动汽车行驶的外力，定义为此时地面对驱动轮的反作用力Ft，汽车的驱动力。 Ft = Tt / r 驱动力公式 驱动力公式 若以Ttq表示发动机的输出扭矩，ig表示变速器的传动比，i0表示主减速器的传动比，T表示传动系的机械效率，则作用在驱动轮上的转矩Tt为 汽车静止时，轮胎因承受载荷产生径向变形，车轮中心至路面与Tt,Ttqigi0T (Nm) 轮胎接触面间的距离称为静力半径rs。 Ft, Ttqigi0T /r (N) 若除径向载荷外，车轮上还作用有转矩，此时车轮中心至路面与由上式可知，汽车的驱动力Ft与发动机转矩、传动系机械效率和轮胎接触面间的距离称为动力半径rd。 传动比及车轮半径有关。 车轮半径 车轮半径 (一). 发动机的转矩 (一). 发动机的转矩 如以车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系来换算，则可在进行汽车动力估算时，发动机的转矩和功率一般利用在稳定工求得车轮的滚动半径rr。 况下由发动机台架试验测定的使用外特性曲线求得。 由于静力半径、动力半径和滚动半径三者差别很小，在一般工程发动机特性曲线: 计算时，常不计它们的差别，统称为车轮半径r，认为rs?rd?rr?r 发动机外特性曲线:如图1-3 (四). 汽车的驱动力特性图 (四). 汽车的驱动力特性图 汽车的驱动力Ft与车速ua的函数关系曲线称为汽车的驱动力特性图。 驱动力Ft的计算公式: Ft, Ttqigi0t /r (N) 车速ua 的计算公式: 0.377rn/igi0 (km/h) ua,该图能全面地表示出汽车各档驱动力与车速的关系。 二、 汽车的行驶阻力 二、 汽车的行驶阻力 汽车行驶时需要不断地克服所遇到的各种阻力。 当汽车在水平道路上等速行驶时，需克服来自地面的滚动阻力Ff和来自空气的空气阻力Fw; 当汽车在坡道上行驶时，还需克服汽车的重力沿坡道的分力，称为坡度阻力或上坡阻力Fi; 当汽车加速时，还需克服汽车的惯性阻力，称为加速阻力Fj。 因此汽车行驶时所遇到的总阻力为 ?F=Ff，Fw，Fi，Fj (一). 滚动阻力 (一). 滚动阻力 驱动轮在硬路面上等速滚动的受力分析:如图1-12。 Fx2r,Tt,Tf Fx2,Ft,Ff 真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶的力为Fx2。 Ft和Ff在受力图上是画不处来的，只是一种定义。 (二). 空气阻力 (二). 空气阻力 汽车所受空气力分为空气阻力Fx、侧向力Fy、升力Fz三个方向的汽车所受空气力分为空气阻力Fx、侧向力Fy、升力Fz三个方向的空气力，和由空气力引起的三个方向的空气力矩，即侧倾力矩Mx、纵空气力，和由空气力引起的三个方向的空气力矩，即侧倾力矩Mx、纵倾力矩My和横摆力矩Mz。 倾力矩My和横摆力矩Mz。 根据空气动力学的理论，在汽车行驶的速度范围内，空气力通常与气流相对速度的动压力成正比。 公式:Fi,0.5CiAur? i=x、y、z 空气阻力Fw :汽车直线行驶时受到的空气力在行驶方向的分力 称为空气阻力。 车轮的轮胎接近绝对弹性体，图1-10为轮胎在硬路面上受径向载空气阻力的组成: 荷时的变形曲线。面积0CADE为加载与卸载过程的能量损失，称为弹形状阻力:是汽车表面压差阻力，占气动阻力的58%左右。 性物质的迟滞损失。 迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。地面法向反作用力摩擦阻力:是空气的粘滞性在车身表面产生的摩擦力，占气动阻的分布，前后不对称。合力Fz相对于法线前移一个距离a。 力的9%左右。 合力Fz与法向载荷W大小相等，方向相反。 诱导阻力:是气动升力产生的纵向水平分力，占气动阻力的7%左右。 干扰阻力:是汽车外部附件阻力，占气动阻力的14%左右。 内部阻力:是汽车内循环阻力，占气动阻力的12%左右。 空气阻力 空气阻力 空气阻力Fw的公式: Fw,0.5CDAua? , CDAua? /21.15 根据公式，空气阻力与空气阻力系数CD及汽车迎风面积A成正比。 空气阻力系数可通过风洞试验求得。 将法向反作用力Fz平移至与通过车轮中心的垂线重合，有滚动阻迎风面积A可直接在投影面上测得，也可估算。 力偶矩Tf,Fza 。 (三). 坡度阻力 (三). 坡度阻力 对从动轮而言，为克服滚动阻力偶矩，使其等速滚动，必须在车 轮中心加一推力Fp1，它与地面切向反作用力构成一力偶矩。由平衡如图1-19，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力Fi，即 条件得: Fi,Gsin ,道路的坡度 Fp1r,Tf Fp1,Tf/r,Fza/r,Wa/r 道路坡度除了以角度表示外，道路工程通常用坡高与底长之比的令f,a/r，f 称为滚动阻力系数。即单位车重所需的推力。车轮滚百分率来表示，即 i,h/s,tg 动时的滚动阻力即等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积。 在坡度较小时: Ff,Wf,Tf/r Fi,G sin?G tg=Gi 分析汽车滚动阻力时，只要知道f 值。F 值由试验方法确定。影在坡度较大时，近似公式误差较大，按等式计算。 响f值的因素:轮胎、道路、行驶速度等;进行动力性分析时，取良好 (三)坡度阻力 (三)坡度阻力 硬路面的f值。 滚动阻力和坡度阻力都与道路有关，而且与汽车重力成正比，故滚动阻力 滚动阻力 二者之和通常用道路阻力F来表示，即 F,Ff，Fi,fGcos，G sin(N) 小于10?,15?时: F,Gf，Gi,G(f+i),G 道路阻力系数。 (四). 加速阻力 (四). 加速阻力 汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力Fj。 汽车质量分为平移质量和旋转质量。汽车加速时，平移质量加速运动产生惯性力，旋转质量产生惯性力矩。为了便于计算，通常把旋转质量的惯性力矩转化为当量的平移质量的惯性力。 : Fj,mdu/dt Fj公式旋转质量换算系数为大于1的数，其值为: 初步计算时，也可利用图1-21确定。 汽车行驶方程式 汽车行驶方程式 根据上面逐项分析的汽车行驶阻力和力的平衡条件，可以得到汽车的行驶方程式为 Ft=Ff，Fw，Fi，Fj 将前述公式代入: Ttqigi0T/r , fGcos +CDAua?/21.15 +G sin+mdu/dt 汽车列车的行驶阻力 汽车列车的行驶阻力 汽车列车的行驶阻力仍然可以用上述公式计算，但汽车的总重力应为汽车列车总重力。汽车列车的空气阻力较单车空气阻力大15%左右。换算系数应考虑汽车列车所有车轮的旋转质量。 汽车列车的行驶方程式: Ttqigi0T/r , fGcos +1.15CDAua?/21.15+Gsin+ G du/gdt G ,汽车列车总重力。 汽车驱动力平衡图与动力特性图 汽车驱动力平衡图与动力特性图 动力特性图 动力特性图 为评定汽车的动力性应拟定与汽车重力和空气阻力无关的评价参数，通常采用汽车动力因数D来表征汽车动力性指标。 D,(Ft,Fw)/G 汽车在各档下的动力因数与车速的关系曲线称为动力特性图。 动力特性图 动力特性图 利用汽车行驶方程进行汽车的动力性能分析的方法: 图解法:利用汽车驱动力平衡图 解析法:利用公式计算 汽车驱动力平衡图:把汽车行驶时的滚动阻力和空气阻力与车 速的关系叠加地画在汽车的驱动力特性图上。 速的关系叠加地画在汽车的驱动力特性图上。 汽车驱动力平衡图 汽车驱动力平衡图 如图1-23 确定最高车速: Fi=Fj=0 即Ft=Ff，Fw 只要D相等，便能克服同样的坡度和加速阻力。 确定加速能力: 利用汽车动力特性图分析汽车的动力性，如图4-2-9: Fi=0 由Ft,ua图画出a,ua图，如图1-24 ，再画出1/a,ua 确定最高车速:D,f 时 图，如图1-25，求出曲线下的面积即为加速过程的加速时间，如图1-26临界车速 :各档的最大动力因数对应的车速。 。 车速大于临界车速，汽车行驶稳定，反之，不稳定。直接档的临 最大的加速强度:如图1-24 。在加速度曲线交点处换档。如果界车速越低越好。 和?档加速度曲线无交点，应在?档加速到发动机最大值时换入?档 确定加速能力 。 确定爬坡能力 汽车行驶条件与功率平衡图 汽车行驶条件与功率平衡图 一、汽车行驶条件 汽车行驶的第一个条件,驱动条件: Ft ? Ff，Fw，Fi 汽车行驶的第二个条件,附着条件: Fx2 ? Fz2 近似写成:Ft ? Fz2 汽车行驶的必要与充分条件，也称为汽车行驶的驱动,附着条件: Ff，Fw，Fi ? Ft ? Fz2 附着率定义为:C2= Fx2 / Fz2 C2 ? 确定爬坡能力: 汽车行驶条件 汽车行驶条件 Fj=0 Fj=0 在一般动力性分析中只取附着系数的平均值。驱动轮地面法向反作用力主要决定于汽车的结构参数、行驶状态和道路条件等因素。 受力图如图1-29。 见公式1-13。 A. 升/公里; B. 升/百公里; C. 公里/升;D. 英里/加仑; E. 千克/公里;F. 升/百吨公里 or 千克/百吨公里; 二. 汽车耗油量的测定 二. 汽车耗油量的测定 测定汽车的耗油量必须确定是在什么工况下进行的。 1. 等速行驶工况油耗测定 汽车功率平衡图 汽车功率平衡图 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标。 在汽车行驶时，发动机发出的功率始终等于机械传动损失与全部汽车在一定载荷(我国标准规定轿车为半载、货车为满载)下，运动阻力所消耗的功率。 以最高档在良好的水平道路上以某一车速匀速行驶，通过1km路段的耗油量叫做该车速下的等速耗油量。 车速从10km/h开始，每隔10km/h做一次，直到该档最高车速的80%，每种车速试验往返各一次，利用燃油流量计测量耗油量。 利用汽车功率平衡方程式，通过图解法同样可以分析汽车的动力性能。 3-5-1 绘制等速百公里燃油消耗量曲线，如图汽车功率平衡图: 汽车功率平衡图: 汽车动力性能分析如图 1. 确定最高车速2. 确定加速能力3. 确定爬坡能力 2. 循环行驶试验工况油耗测定 2. 循环行驶试验工况油耗测定 汽车的后备功率: 各国都制定一些典型的循环行驶试验工况来模拟实际汽车运行状况。 货车六工况:考虑汽车实际行驶的变速工况，在1075m的行驶过程中有加速、减速和不同车速的匀速行驶，六个行驶工况的具体安排如图3-5-2。 后备功率越大，汽车所加速能力越好，爬坡能力越大，汽车的动力性能越好。 汽车功率平衡图不能直接评定不同汽车的动力性，需用比功率来评价。 汽车满载，用最高档，测量全程的耗油量，往返共进行四次，取 汽车的比功率:发动机发出的最大功率与汽车总重力的比值。 平均值，并折算成百公里燃油消耗量。 影响汽车动力性的主要因数 影响汽车动力性的主要因数 汽车燃油经济性的计算 影响汽车动力性的主要因素有结构因素和使用因素。 汽车燃油经济性的计算 在汽车设计与开发工作中，常常利用发动机的万有特性图与汽车结构因素:发动机特性参数、传动系的设计、汽车的总质量等。 功率平衡图，对汽车燃油经济性进行估算。 使用因素:道路条件、气候和海拔高度等。 计算时假设汽车在水平路面上行驶。 (一)发动机特性参数对动力性的影响 1. 等速行驶工况燃油消耗量的计算 影响参数主要有:发动机最大功率、最大转矩以及发动机外特性 根据车速和阻力功率，求出发动机的功率;Pe=(Pf，PW)/ 曲线的形状。 T 根据Pe 和ua 在万有特性图上，利用插值法，确定燃油消耗率b(二)主减速器传动比对动力性的影响 (二)主减速器传动比对动力性的影响 ， 如图2-3 ; 图3-4-6为直接档行驶时的功率平衡图。 等速行驶工况燃油消耗量的计算 等速行驶工况燃油消耗量的计算 适当的主减速器传动比可使汽车获得较大的最高车速，同时在低求出车速ua下单位时间内的燃油消耗量Qt; 速有一定的后备功率，汽车有较好的动力性和燃料经济性。 Qt,Pb/367.1g (三)变速器的档数和传动比对动力性的影响 求出等速过程的燃油消耗量; (四)汽车总质量对动力性的影响 Q,Pbs/102uag (五)使用因素对动力性的影响 利用公式求出等速百公里燃油消耗量Qs Qs,Pb/1.02uag 汽车的燃油经济性 汽车的燃油经济性 2. 加速行驶工况燃油消耗量的计算 2. 加速行驶工况燃油消耗量的计算 根据行驶阻力求出发动机提供的功率; 在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗量经济行驶的如图2-4，将加速过程按速度增加1km/h等分为若干区间; 能力，称为汽车的燃料经济性。 汽车的燃油经济性主要讨论其评价指标、汽车的燃油经济性的计算方法、燃油经济性测定方法以及提高经济性的途径等。 2.1 汽车燃油经济性的评价指标 2.1 汽车燃油经济性的评价指标 汽车燃油经济性的评价指标用行驶单位里程的燃油消耗量或用单位燃油消耗量的汽车行驶里程数来表示。 一. 燃油经济性指标的表示法 设计中常从保证汽车预期的最高车速来选择发动机应有的功率。 虽然最高车速仅仅是动力性中的一个指标，但现有轿车的统计数 据证实了最高车速与爬坡能力、加速能力的一致性。如图3-1和图3-2。 发动机功率的估算 发动机功率的估算 1、给出期望的最高车速，选择的发动机功率应大体等于，但不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和。 公式为(3-1)CA1Gf3DP,(u，u) eamaxamax,360076140T 2 、实际工作中还利用汽车统计数据估计汽车比功率 来确定发动 求出各点车速对应的单位时间内的燃油消耗量Qt; 机应有功率。 求出汽车行驶速度每增加1km/h所需时间?t; 根据书中图3-1 ，利用车重求出功率。 求出各区间的燃油消耗量Qn; 根据图3-2 ，利用预定的最高车速和车重求出功率。 求出整个加速过程的燃油消耗量Qa。 求出整个加速过程的行驶距离。 等减速行驶工况燃油消耗量的计算 等减速行驶工况燃油消耗量的计算 传动比的选择 传动比的选择 汽车减速行驶时，发动机处于强制怠速状态; 汽车的最小传动比 当汽车最小传动比为主减速器传动比i0 的选求出减速时间t; 择。 发动机的怠速燃油消耗率Qi; 主减速器传动比i0 选择到汽车的最高车速相当于发动机最大功减速过程燃油消耗量为: 率时的车速时，最高车速是最大的。如图。 Qd, Qi t 适当减小最小传动比，可以得到较高的燃油经济性。 求出整个减速过程的行驶距离。 考虑驾驶性能: 最小传动比过小，发动机在重负荷下工作，加怠速停车时的燃油消耗量 怠速停车时的燃油消耗量 速性不好，出现噪声与振动;反之，燃油经济性差，发动机高速运转若怠速时间为ts(s)，则燃油消耗量Qid(mL)为: 噪声大。 Qid, Qi ts 5. 整个试验循环工况的百公里燃油消耗量Qs为: 二、最大传动比的选择 二、最大传动比的选择 Qs ,100Q/s 确定最大传动比应考虑汽车的最大爬坡度、汽车的附着力和汽车提高汽车燃油经济性的因素 提高汽车燃油经济性的因素 的最低稳定车速三个因素。 使用方面的措施 根据汽车的最大爬坡度，由行驶方程式确定最大传动比; 1. 管理措施: 验算附着条件，若不满足条件时，调整汽车总布置增强附着力。 优先选用柴油车; 专业运输公司应倾向于重型车辆和列车运输越野汽车的最大传动比应保证汽车能在最低稳定车速下行驶; ; 加强对油料的管理。 轿车的最大传动比常常根据加速能力确定。 2. 行驶车速: 经济车速:在等速百公里油耗曲线上，耗油量最低点对应的车速。 经济车速随道路情况和汽车载质量而变化。 3. 档位的使用 3. 档位的使用 传动系档数与各档传动比的选择 传动系档数与各档传动比的选择 在换档过程中，相邻两档之间有车速的重叠区，尽量使用高档行(一)传动系档数 驶。发动机的负荷率在70%-80%时油耗率最低。 增加档位数会改善汽车的动力性和燃油经济性。 4. 正确的维修: 档位数的多少会影响相邻传动比比值。比值过大会造成换档困难 保证汽车的滑行性能;保持发动机的技术状况;保证轮胎的气压。 等。 在变速器中，档位数过多，会使结构复杂。 5. 提高驾驶技术: (二)各档传动比的选择 (二)各档传动比的选择 加速,滑行技术;缓慢加速;预热保温;保持正常的冷却水温度一般汽车各档传动比大致符合相邻传动比比值相同。 等。 公式为:结构方面的措施 结构方面的措施 1. 减轻车辆的重量; 2. 缩减汽车的总体尺寸，改善其外形; 公比q一般小于1.7,1.8。 3. 发动机的结构具有较高的压缩比等; 相邻档传动比采用等比级数的优点: 4. 传动比的选择应保证汽车在常用工况油耗低; 1. 驾驶员换档时，容易做到使离合器无冲击地接合。如图3-5。 5. 尽量采用子午线轮胎; 6. 采用节油装置等。 汽车动力装置参数的选定 汽车动力装置参数的选定 汽车动力装置参数是指发动机功率、传动系的传动比。 选择原则: 根据汽车行驶时需要的功率来选择发动机的功率; 按照尽量发挥发动机功率的原则确定传动系的参数; 在确定参数时，要考虑参数对燃油经济性的影响; 满足驾驶性的要求。 发动机功率的选择 发动机功率的选择 汽车在制动过程中是人为地使汽车受到一个与汽车行驶方向相反的外力，汽车在这一外力的作用下迅速地降低车速以至停车，这个外力称为汽车的制动力。一般为地面制动力。 制动车轮受力如图4-4-1，公式为: 2. 充分利用发动机的功率，提高汽车的动力性。如图3-6。 3. 便于和副变速器结合构成更多档位的变速器。 T+Tf,Tj,Fxbr,0 近似为 实际上，各档传动比之间的比值并不是按等比级数来分配的。原Fxb, T / r 因有: 地面制动力决定于制动器摩擦力矩，其极限值受轮胎与路面间附 各档利用率差别很大。 传动系中齿轮的齿数必须是整数; 换着力的限制。 档过程中，速度有下降; 在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力。公利用燃油经济性,加速时间曲线确定动力装置参数 利用燃油经济性,加速时间曲线确定动力装置参数 式为: 初步选定参数后，通常利用燃油经济性,加速时间曲线，综合考F, T / r 虑各方面因素，最终确定动力装置的参数。 制动器的制动力决定于制动器的结构参数。如制动器的结构型式燃油经济性,加速时间曲线:曲线大体呈C形，有称之为C曲线的、结构尺寸、摩擦副的摩擦系数和车轮半径等参数。一般情况其数值。 大小与制动踏板力成正比。制动器制动力曲线如图4-4-2。 主减速器传动比的确定 在动力装置的其它参数不变的条件下，i0变化的C 曲线如图3-8制动力的极限值 制动力的极限值 。 由计算公式知:地面制动力和制动器制动力有相同的数值，随着变速器传动比的确定 踏板力的增长而增长。但是，地面制动力受到制动车轮和路面的附着条件的限制。其极限值不能超过附着力，公式为: Fxb ? F=Fz Fxbmax =Fz 地面制动力、制动器制动力及附着力的关系如图4-4-3。 装用不同变速器的C 曲线如图3-10。 发动机、传动比与主减速器传动比的确定 汽车制动时，只要当制动器制动力足够大，同时提高附着力数值汽车的制动性 汽车的制动性 ，才能获得足够的地面制动力。 汽车的制动性:汽车行驶时能在短距离内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。 硬路面上的附着系数 硬路面上的附着系数 4.1 制动性的评价指标 汽车制动过程时，从车轮滚动到抱死拖滑是一个渐变的过程。如主要由制动效能、制动效能的恒定性和制动时汽车的方向稳定性图4-4。经过大量试验，发现在这个过程中附着系数实际上是有很大变三个方面来评价。 化的。随着制动强度的增加，车轮滚动成分越来越小，而滑动成分越制动性的评价指标 来越大，一般用滑动率s来说明滑动成分的多少。 制动性的评价指标 一、制动效能:是指汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力。 它是制动性能最基本的评价指标，它是由一定初速度下的制动距离，制动减速度和来评定，也常用来评价。 二、制动效能的恒定性 主要是指制动抗热衰退性能。它是指汽车 高速制动、短时间多次重复制动或下长坡连续制动时制动效能的热稳定性。 三指制动时汽车的方向稳定性。通常用汽车制动时，维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力来评价。 制动车轮的制动力 制动车轮的制动力 一. 地面制动力: 制动初速度的偏差对测试影响不大; 不能反映各车轮的制动性能，而是整车性能指标; 测试精度较低。 制动力 制动力 一般在制动试验台上测试制动力。特点:可以测出各车轮的制动力;附着系数稳定;测试精度可以提高。 制动距离 制动距离 制动距离是指汽车以一定的初速度紧急制动，从驾驶员踩下制动踏板开始到汽车停住为止所驶过的距离。它是评价汽车制动性能最直观的参数。 制动距离公式如4-6 : 滑动率的定义如公式4-5: 特点: 不能单独反映各车轮的制动状况，它是一个整车制动性能参数; 要严格控制初速度; 采用五轮仪测试，有较高的准确度。 制动效能的恒定性 制动效能的恒定性 不同滑动率时，制动力系数是不同的。如图4-5。峰值附着系数、制动效能的恒定性是指制动器抗热衰退能力。 滑动附着系数。 制动效能指标是指制动器工作温度在100?c以下的冷制动状态下的指标。 当制动器温度常在300?c以上时，制动器的摩擦力矩显著降低，制动效能指标明显下降，这种现象称为制动器的热衰退现象。 标准要求:以一定的车速连续制动15次、每次j=3m/s?、最后的制动效能不低于冷制动状态下的指标60%。 汽车制动的稳定性 汽车制动的稳定性 汽车制动的稳定性是指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。制动跑偏和后轴侧滑或前轮失去转向能力的现象都属于制动稳定性问题。 汽车跑偏是指汽车制动时不能按直线方向减速或停车，汽车自动向左或向右偏驶的现象。 侧滑现象是指汽车制动时出现某一轴的车轮横向滑动或两轴的车轮同时发生横向滑动的现象。如图4-17。 影响附着系数的因素 影响附着系数的因素 汽车的制动跑偏 汽车的制动跑偏 附着系数的数值主要决定于道路的材料、路面的状况与轮胎结构影响制动跑偏的因素很多。有汽车轮胎的机械特性、悬架的结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。 及其刚度，前轮定位、道路状况、制动系统的机械特性、左右车轮制如表4-2表示各种路面上的平均附着系数。 动器制动力、制动初速度和汽车悬架导向杆系与转向杆系的运动干涉等。 通常影响汽车制动跑偏的主要原因是汽车左右车轮、特别是转向轮左右车轮制动器制动力不相等的影响。 受力图如4-4-10。 速度越高，附着系数越低。在潮湿路面上，水起润滑作用，附着系数显著降低。增大轮胎与路面的接触面积会提高附着性能，等等。 汽车的制动跑偏 汽车的制动跑偏 汽车的制动效能及其恒定性 汽车的制动效能及其恒定性 根据受力分析，汽车制动时跑偏的原因有三点: 制动效能是指汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力。评价制动FX1l绕主销的力矩大于FX1r绕主销的力矩，使转向轮产生一个向效能的指标有制动距离，制动减速度、制动时间和制动力。 左转动的角度; 汽车的制动过程如图3-6-3。 FY1对转向前轮产生绕主销向左转的力矩; FY1和FY2使车轮产生侧向偏离现象，加剧了制动跑偏。 驾驶员反应时间 制动系反应时间制动减速度的增长时间持续左右车轮制动器制动力之差用不相等度Fr表示，如图4-20，制动时间 制动跑偏随不相等度的增加而增大，当后轮抱死时，跑偏程度比未抱制动释放时间 死时加大。 制动减速度 制动减速度 用减速度仪测出并画出整个制动过程的减速度曲线。最大减速度汽车制动时车轮的侧滑 汽车制动时车轮的侧滑 公式:jmax,bg 汽车在制动过程中，当车轮未抱死制动时，车轮具有承受一定侧特点: 向力的能力，一般不会发生侧滑现象。当车轮抱死制动时，车轮承受 最大制动减速度由路面的附着系决定。 侧向力的能力几乎全部消失，汽车在横向干扰力的作用下极易发生侧 , F 1 / F ) F 滑。F 1 = F F 2=(1, 汽车侧滑时的运动情况如图: F 2 = (F 1)为一直线，这条直线称为实际前、后制动器制动力分配线，简称 线。如图。 线与I曲线交点处的附着系数为同步附着系数0，所对应的制动减速度为临界减速度。0公式如4-12: 汽车在各种路面上制动过程的分析 汽车在各种路面上制动过程的分析 f线组表示在各种值路面上只有前轮抱死时的前、后轮地面制动力的分配关系。由公式4-13画出f线组。 r线组表示在各种值路面上只有后轮抱死时的前、后轮地面制动力的分配关系。由公式4-14画出r线组。 前轮先抱死侧滑，惯性力Fj 与侧滑方向相反，能减少或阻止 前轴侧滑，汽车处于一种稳定状态; 后轮先抱死侧滑，惯性力Fj 与侧滑方向相同，惯性力加剧后轴侧滑，汽车处于一种不稳定的、危险的工况。 结论 结论 在制动过程中，若前轮先抱死滑移，汽车能维持直线减速停车，汽车处于稳定状态。但是，当汽车在弯道较多的山区道路上行驶时， 制动过程的分析 制动过程的分析 如果前轮先抱死制动，汽车将丧失转向能力，也是十分危险的。 设汽车的同步附着系数0,0.39。 若后轮先抱死，汽车在侧向干扰力作用下，将发生急剧甩尾或旋当,0时， 线 f线 I曲线 转。制动起始速度越高，这种效应越明显。因此，对于经常在良好道当 0 时， 线 r线 I曲线 路上高速行驶的车辆，后轮先抱死是极易导致汽车丧失制动稳定性的当,0时， 线 I曲线 。 汽车制动力的轴间分配 汽车制动力的轴间分配 当制动器制动力足够时，制动过程中可能出现三种情况: 结论 结论 前轮先抱死拖滑;然后后轮抱死拖滑;后轮先抱死拖滑;然后前1、汽车制动系的实际前、后制动力分配线( 线)应总在理想轮抱死拖滑;前、后轮同时抱死拖滑。 的制动力分配线(I曲线)下方; 若前、后轮同时抱死拖滑，则产生最大地面制动力所需的整个制2、为了减少制动时前轮抱死而失去转向能力的机会，提高附着效动器制动力最小(即最大踏板力最小)。此时制动系的效率最高。 率， 线应越靠近I曲线越好。可利用各种调节阀或液压调节器达到改地面对前后车轮的法向反作用力 地面对前后车轮的法向反作用力 变制动力分配 曲线的目的。 前、后制动器制动力分配的比例将影响到汽车制动时的方向稳定3、只要在,0的路面上，地面的附着条件才得到较好的利用性和制动系的工作效率。忽略汽车的滚动阻力偶矩、空气阻力以及惯。 性力偶矩。受力图如图4-26。 五 同步附着系数的选择 五 同步附着系数的选择 汽车的总重及重心位置给定后，即可作出I曲线。 线则由制动地面的法向反作用力公式如4-7: 器制动力在前、后轴上的分配确定的。设计中可调整值以求得线与I线的恰当配合，保证合适的同步附着系数。 同步附着系数一般是根据车型和使用条件来选择的。 例:某轻型越野车，原设计0 ,0.57，制动时经常发生后轴侧 滑，后改为0 ,0. 7，侧滑现象得到改进。 制动强度z的定义:du/dt=zg 汽车的操纵稳定性 汽车的操纵稳定性 前、后轮都抱死时地面的法向反作用力公式为4-8: 汽车的操纵稳定性包含相互联系的两个部分:操纵性及稳定性。操纵性是指汽车及时而准确地执行驾驶员的转向指令的能力。稳定性是指汽车受到外界扰动后维持或迅速恢复原运动状态的能力。 两者相互影响，很难截然分开。随着车速的显著提高，汽车的操 纵稳定性已成为现代汽车的主要性能之一，被称为“高速车辆的生命线理想的前、后制动器制动力分配曲线 理想的前、后制动器制动力分配曲线 ”。 前、后轮同时抱死时，前后制动器制动力F 1和F 2的关系曲线称? 5-1概述 ? 5-1概述 为理想的前、后制动器制动力分配曲线，简称I曲线。 汽车的操纵稳定性包含的内容: 前、后轮同时抱死的条件: 汽车操纵稳定性涉及到问题较为广泛，需要采用较多的物理参量前、后轮制动器制动力之和等于附着力; 从几个方面来评价。如表5-1。 前、后轮制动器制动力分别等于各自的附着力。 在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一控制系统，求出汽如公式4-9。 车曲线行驶的时域响应与频域响应，用来表征汽车的操纵稳定性能。 汽车曲线行驶的时域响应是指汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。方向盘输入有两种形式:给方向盘作用一个角位移,称为角位移输入,简称角输入;给方向盘一个力矩,称为力矩输入,简称力输入. 转向盘角阶跃输入下进入稳态响应及转向盘角阶跃输入下的瞬态 响应，就是表征汽车操纵稳定性的转向盘角位移输入下的时域响应。 利用作图法直接求出I曲线。 横摆角速度频率响应特性是转向盘转角正弦输入下，频率由0?具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着系数 具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着系数 时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化图形 前制动器制动力与汽车总制动器制动力之比称为制动器制动力分车辆坐标系与方向盘角阶跃输入下的时域响应 车辆坐标系与方向盘角阶跃输入下的时域响应 配系数，用符号表示。 车辆坐标系: 向力消失后不能自动回正，驾驶员操纵频繁，操纵性也不好。 固结于汽车上的oxyz直角动坐标系。X轴平行于地面指向前方，z?5.2 轮胎的侧偏特性 ?5.2 轮胎的侧偏特性 轴通过质心指向上方，y轴指向驾驶员的左侧，原点o与质心重合。 轮胎的侧偏特性:指测偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系 汽车的时域响应分为不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬轮胎坐标系 态响应。 车轮平面垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面; 汽车等速直线行驶时，给方向盘角阶跃输入，一般汽车经过短暂坐标系原点o车轮平面和地平面的交线与车轮旋转轴线在地时间后进入等速圆周行驶，这是一种稳态，称为转向盘角阶跃输入下平面上投影线的交点; 的稳态响应，两稳态运动之间的过渡过程便是一种瞬态，相应的瞬态X轴为车轮平面与地平面的交线，指向前方;z轴与地平面垂直，运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。如图5-3。 指向上方;y轴在地平面上，指向左侧; 回正力矩Tz地面反作用力绕z轴的力矩; 汽车的等速圆周行驶也称为汽车的稳态转向特性。 侧偏角轮胎接地印迹中心位移方向与x轴的夹角; 稳态转向特性分为三种类型:不足转向、中性转向和过多转向。 外倾角垂直平面(xoz)与车轮平面的夹角。 不足转向方向盘转角不变，v?，R? 中性转向方向盘转角不变，v?，R不变 过度转向方向盘转角不变，v?，R? 转向特性 转向特性 假设轮胎是刚性的、没有侧向变形。R0为转向半径，O点为转向中心。 轮胎是弹性，汽车转弯行驶时，汽车的离心力对车轮施加侧向力，使前、后轮胎产生侧向变形。设前轮的侧偏角为1，后轮的侧偏角为2，实际转向半径变为R。若2 1，即1, 2R，即R/R0 2，即1, 20，如图3-7-7，R01 ，汽车具有这种转向特性叫做不足转向。 若1, 2，即1, 2,0 ，转向半径与没有侧偏角的刚性轮胎的转向半径相同，即R/R0,1 。这种转向特性叫做中性转向。前、 后轮侧偏角绝对值之差1, 2和转向半径的比R/R0都是表征稳态响轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线 应的参数。 1、当车轮中心沿Y轴方向作用有侧向力F时，就会在地面上产生y转向特性对操纵性的影响 转向特性对操纵性的影响 地面侧向反作用力，即侧偏力F; Y过多转向汽车， 2 1，在侧向风的影响下，汽车偏离了直行刚性轮胎在侧向力作用时的滚动如图5-6 方向。如图3-7-8，离心力Fj的侧向分力F jy与侧向风Fy同方向，使车轮受到的侧向力加强，并不断加剧，易造成翻车事故。因此过多转向特性汽车在高速时不稳定，应极力避免。 由于车轮的侧向弹性，只要侧偏力出现，不管它是否达到附着极 不足转向汽车在受到侧向风作用下的受力如图3-7-9。 限车轮行驶方向都会偏离车轮平面，出现侧偏,这就是侧偏现象。 由于1 2，转向中心O在汽车的另一边，离心力Fj的侧向分力F a图是车轮在侧向力Fy的作用下，轮胎静止时发生的侧向变形。bjy与侧向风Fy方向相反，总侧向力减小。当Fy消失后，离心力Fj使汽图中，轮胎胎面接地印迹的中心线aa与车轮平面cc的夹角称为侧偏车自动回正。 角。产生侧偏角时的地面侧向反作用力，称为侧偏力FY。. 因此不足转向汽车的操纵性好，是一种稳定的转向。 、侧偏力侧偏角(F)曲线(图5-8) Y影响侧偏特性的因素 采用扁平率小的宽轮胎可提高侧偏刚度;(图5-9) 中性转向汽车在受到侧向力作用时，没有阻止侧偏的作用，在侧3、轮胎的侧偏刚度(图5-20c) 垂直载荷增大，侧偏刚度先增大后减小;(图5-11) 气压增加，侧偏刚度先增大后减小;(图5-12) 侧偏角一定时，纵向力增加，侧偏刚度有所下降，超过一定值后则显著下降;(图5-13附着椭圆) ;侧偏角为零时的地面侧在各种外倾角下，轮胎的侧偏刚度均为k路面的粗糙程度、干湿状况也会影响侧偏特性。 向力就是外倾侧向力F;地面侧向力为零时的侧偏角就是由外倾角产Y生的侧偏角;地面侧向力为F时的侧偏角，等于外倾角为零时YF产生的侧偏角与由此外倾角产生的侧偏角之和; 侧偏角为Y0时的地面侧向反作用力，等于外倾角为零时的侧偏力于外倾侧向力之和。 4、正侧偏角对应于负的侧偏力与正的回正力矩;正外倾角对应于负的外倾侧向力与负的外倾回正力矩。(图5-22) 回正力矩的产生 轮胎发生侧偏时，会产生使转向车轮回复到直线行驶位置的回正力矩; 地面微元侧向反力的合力F与侧向力F产相等，但作用点在接地Yy 印迹几何中心的后方; ?5-3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 ?5-3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 Tz = F e，其中e为轮胎拖距; Y 00图5-17:回正力矩逐渐增大，当侧偏角为4,5时达最大值，之后一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程 00回正力矩下降，当10,16时回正力矩为零; 直接以前轮转角为输入，且认为汽车在平行于地面的平面运动。图5-18:随驱动力的增加，回正力矩达最大值后再下降。在制动故只有沿y轴的侧向运动和绕z轴的横摆运动。同时将汽车简化成两轮力作用下，回正力矩不断减小，达到零后，便变为负值。 摩托车后再作分析。 有外倾角时轮胎的滚动 有外倾角时轮胎的滚动 1、有外倾角的存在，轮胎会各自向左、右侧滚开，又由于前束 二、前轮角输入下的稳态响应等速圆周行驶 的存在，使得车轮中心作用一侧向力F，将车轮约束着向前滚动y(一)稳态响应 。于是在接地面中产生与F方向相反的外倾侧向力F; yY1、稳态横摆角速度增益(转向灵敏度)指稳态时的横摆角速度与2、F = k，其中k为外倾刚度，负值;Y前轮转角之比。 2、稳态横摆角速度增益的表达式 其中K为稳定性因数。 1、车厢侧倾轴线:车厢相对地面转动时的瞬时轴线，该轴线通过车厢在前、后轴处横断面上的瞬时转动中心，称为侧倾中心。 2、可用图解法或实验法求得侧倾中心，决定于悬架的导向机构1)单横臂独立悬架上车厢的侧倾中心车厢不动，地面按顺时针方向相对于车厢转动。 2)双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心 三心定理:四连杆机构中，三根杆件的三个相对运动瞬时中心位于同一直线上。 可用等效单横臂悬架代替双横臂独立悬架。 3)纵置半椭圆板簧上车厢的侧倾中心 车厢相对于车轴的侧倾有两种极限状态:铰链作用发生在车厢与板簧的连接处 铰链作用发生在车轴与板簧的连接处(不大可能) 一般认为侧倾中心位于主片板簧的中心线两点的连线上，轿车侧(二)稳态响应的三种类型 倾中心在车轮中心。 0 中性转向 K, K,0 不足转向。特征车速u ch K,0 过多转向。临界车速u cr悬架的侧倾角刚度 1、u时，其横摆角速度增益为与轴距相等地中性转向汽车的一ch指侧倾时(车轮不离开地面)，单位车厢转角下，悬架系统给车半; u降低，不足转向量增加; ch厢总的弹性恢复力偶矩。可用悬架的线刚度来计算侧倾角刚度。 2、u时，横摆角速度增益趋于无穷大。u越低，过多转向量越大crcr悬架的线刚度:指车轮保持在地面上车厢作垂直运动时，单位车 厢位移下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力。 3、汽车应具有适度的不足转向。 非独立悬架的汽车，悬架的线刚度等于两个弹簧线刚度之和; (三)几个表征稳态响应的参数 独立悬架的汽车，计算较复杂，见公式5-41。 用前、后轮侧偏角绝对值之差(a,a)表示 12转向半径的比值R/R 0静态储备系数S.M. 中性转向点使汽车前、后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点; 悬架的侧倾角刚度 S.M.中性转向点至前轴距离和质心至前轴距离之差与轴距地比利用等效弹簧概念来计算，见公式5-42。 值。 K,0 a,aR/R,1 S.M.,0(中性转向点与质心重合) 中12 0性转向 K,0 a,a,0 R/R,1 S.M.,0(质心在中性转向点之前) 不120(三)车厢的侧倾角 足转向 指车厢在侧向力作用下绕侧倾轴线的转角。过大，乘客感到不舒K,0 a,a,0 R/R,1 S.M.,0(质心在中性转向点之后) 过120服，过小，车厢内冲击大。 多转向 1、 车厢侧倾角决定于侧倾力矩、悬架总的角刚度，公式5-43; 2、侧倾力矩由三部分组成 1)悬挂质量离心力引起的侧倾力矩 2)侧倾后，悬挂质量重力引起的侧倾力矩，由于悬挂质量的质心偏移所致。 3)独立悬架中，非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩 二、侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮上的重新分配及其对稳定性?4 汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系 ?4 汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系 的影响 汽车的侧倾 结论:侧倾时，左、右轮上载荷发生变化。外侧车轮载荷增加，内侧车轮载荷减小，且变化量W相同; 侧倾后，侧偏角增大;W越大，侧偏角越大; 良好的操纵稳定性要求:前轮的侧偏角后轮的侧偏角。可通过提高前轴悬架的侧倾角刚度达到要求。而前轴和后轴的左、右轮载荷的变化量决定于前、后悬架的侧倾角刚度; 提高前轴侧倾角刚度的结构措施 1)增加一横向稳定杆来提高前轴侧倾角刚度; 2)减小后钢板弹簧片数，减小后轴侧倾角刚度。 三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化 1、车厢侧倾时，车轮外倾角有三种变化:保持不变、沿地面侧向力作用方向倾斜、沿地面侧向力作用方向的相反方向倾斜。 2、 分析图5-59 车厢侧倾轴线 1)非独立悬架，车轮保持垂直状态; 2)上横臂短，下横臂长的双横臂独立悬架，大体上可保持外侧车轮垂直于地面; 3)上、下横臂长度相等且平行的双横臂、单纵臂、烛式独立悬架，车轮倾斜方向与地面侧向力的方向相反，有增大侧偏角的效果。即增大不足转向效果，可放在前边; 4)单横臂烛式独立悬架在小侧向加速度时，车轮倾斜方向与地面侧向力的方向相同，有减小侧偏角的效果。这种悬架系统适合放在后边。 四、侧倾转向(又称轴转向、运动学侧偏) 1?定义 指在侧向力作用下车厢发生侧倾，有车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动，后轮绕垂直于地面轴线的转动，即车轮转向角的变动 空间频率谱密度化为时间频率谱密度 空间频率谱密度化为时间频率谱密度 。 后轴的车轮转向角由悬架导向杆的运动学关系产生前轴的则由悬架a.空间频率 导向杆系与转向杆系的干涉所致(侧倾干涉转向) 单位长度上某一谐量出现的次数 c/m=1/L 即空间频率为波长2、轴转向:发生侧倾转向时，车轴也发生绕垂直轴线的转动。 的倒数 3、后轴的轴转向对转向特性的影响(图5-63) b. 时间频率f 单位时间内谐量出现的次数 c/s 五、变形转向悬架导向装置变形引起的车轮转向角 C.空间频率与时间频率的关系。f=u量纲 c/s=m/s*c/m 六、变形外倾悬架导向装置变形引起的外倾角的变化 2.路面空间谱 七、转向系统与汽车横摆角速度稳态响应的关系 汽车的平顺性 汽车的平顺性 汽车的行驶平顺性是指汽车在一般车速范围内行驶时，保持乘员 不致因振动而感到疲劳和不舒适以及保持所运货物完好无损的能力。 3.空间谱Gq( )与时间谱Gq( f )之间关系 研究平顺性的目的就是控制振动的传递。 ?6-1 汽车平顺性的评价 ?6-1 汽车平顺性的评价 平顺性的评价 汽车平顺性主要考虑垂直方向的振动，特