第一章汽车使用性能1(动力性、经济性)

第一章汽车使用性能,学习目标：熟悉汽车主要使用性能及其评价指标掌握汽车主要使用性能的影响因素了解汽车主要使用性能的检测或试验方法学会分析、评价汽车主要使用性能知道如何提高汽车使用性能，合理使用汽车,1-1汽车动力性,汽车的动力性评价指标汽车行驶原理汽车动力性分析影响汽车动力性的主要因素,汽车动力性,汽车的动力性,良好的路面,直线行驶,平均行驶速度,运输效率等,最基本的性能,纵向受力,行驶方程式,动力性评价指标,汽车动力性：是指汽车以最大可能的平均行驶速度运送货物或乘客的能力。,一、汽车动力性评价指标,汽车动力性指标的要素,汽车的最大坡度,汽车的最高车速,汽车的加速时间,驱动轮输出功率,汽车最高车速,汽车最高车速Vmax：是指汽车在水平的良好路面（混凝土和沥青）上满载行驶所能达到的最高行驶速度。随着汽车工业的快速发展，汽车的最高车速有提高的趋势。轿车常行驶于良好的路面，追求高的动力性，因此轿车的最高车速Vmax较高，其范围在140300kmh，我国中级轿车的最高车速约为170230kmh。下表列出了几种轿车的最高车速。,最高车速,汽车加速时间,加速时间：通常用满载时的原地起步加速时间和超车加速时间来表示汽车的加速能力，单位为s。原地起步加速时间是指汽车由档或档起步，并以最大的加速强度，选择恰当的换档时机逐步换至最高档后到某一预定距离或车速所需的时间。一般常用0100kmh的秒数来表明汽车的原地起步加速能力。其加速时间越短，则表示加速性能越好。轿车对原地起步加速时间特别重视，其加速时间短。超车加速时间是指用最高档或次高档由30km/h或40km/h全力加速行驶至某一高速所需的时间。这个时间越短，则表示加速性能越好，超车能力越强，超车时两车并行的行程较短，行驶安全性较高。,加速时间,汽车最大爬坡度imax,最大爬坡度：是指汽车在良好的路面上满载等速行驶所能通过的最大坡度，显然它就是汽车最低档时的最大爬坡度。汽车的上坡能力用汽车的最大爬坡度imax来表示。由于货车在各种路面上行驶，故要求具有较高的爬坡能力，一般货车的imax在30%左右。越野车由于在差路或无路条件下行驶，故应有更高的爬坡能力，通常越野车的最大爬坡度在60%左右。轿车通常在较好路面行驶，一般不强调其爬坡能力，但由于轿车档的加速能力大，故轿车的爬坡能力也强。,驱动轮输出功率,驱动轮输出功率是汽车发动机和传动系工作过程的输出参数，它完全取决于发动机发出的功率和传动系的机械效率。常用发动机在额定转矩和额定功率时的驱动轮输出功率来评价在用汽车的动力性。,二、汽车行驶原理,汽车动力传动过程,发动机,变速器减速器等,驱动轮,驱动力,1.汽车的驱动力,汽车驱动力,汽车的驱动力,输入功率机械效率输出功率,汽车驱动力影响因素,Te-发动机外特性的转矩,发动机的外特性曲线,发动机的使用外特性曲线,发动机的部分特性曲线,发动机的外特性曲线,发动机部分特性曲线,发动机使用外特性曲线,汽车驱动力影响因素,传动系传动效率,等速行驶工况,功率输入Pin,功率输出,传动系,变速器、减速器等,汽车驱动力影响因素,车轮半径,自由半径,静力半径,动力半径,滚动半径,车轮旋转与平移运动折算半径,rr,汽车驱动力影响因素,滚动半径的计算即：滚动半径=滚动圆周/2动力半径的计算，m式中：d轮辋直径，in；b轮胎宽度，in；径向变形系数：0.10.16。一般近似,汽车驱动力图,汽车的驱动力图,发动机外特性曲线Pe，Ten,传动系的传动ig，i0,传动效率T,车轮半径r,汽车行驶速度V,发动机转速n,(km/h),货车的驱动力图,货车的驱动力图,2.汽车行驶阻力,汽车的行驶阻力,滚动阻力,滚动阻力产生的原因车轮滚动时的能量损失是产生滚动阻力的根本原因车轮变形；路面变形；汽车振动；悬架减振。摩擦阻力轮胎与地面存在纵向、横向局部滑移；轮胎变形使外胎与内胎，内胎与胎垫之间摩擦；汽车振动时，钢板间及各活动悬架之间摩擦。,滚动阻力,能量损失产生滚动阻力机理,轮胎/路面接触,轮胎变形,载荷,迟滞损失,阻力偶,滚动阻力,滚动阻力系数式中f称为滚动阻力系数。f的物理意义是：单位汽车重力所需之推力。汽车的滚动阻力Ff=Ff1Ff2=Gfcos,等速行驶,滚动阻力,影响滚动阻力系数的主要因素道路影响：见下表，路面塑性变形大，f。轮胎结构：子午胎比普通胎f，刚度好变形小。轮胎气压：气压，变形，f，但坏路f。车重：车重，轮胎变形，f。车速：当V50km/h时，fc；当V100km/h时，V，f；V在150200km/h时，V，振动Hz，轮胎周向、侧向扭曲变形，f，产生驻波现象。前后轴平行性及前轮定位失准，f。,滚动阻力,滚动阻力,推荐使用的滚动阻力系数滚动阻力系数一般通过试验确定，也可通过查表或由经验公式确定。货车滚动阻力系数轿车滚动阻力系数,空气阻力,空气阻力定义：空气作用在汽车行驶方向上的分力。,空气阻力,空气阻力组成,汽车行驶,空气作用,空气阻力,压力阻力（法向力）,摩擦阻力（切向力）,形状阻力,内循环阻力,诱导阻力,干挠阻力,空气阻力,空气阻力计算,空气阻力,在一般动力计算中，认为空气阻力作用在风帆中心,式中：CD空气阻力系数，实验得出；A迎面面积，汽车在行驶方向的投影，m2；V相对速度，km/h。例：A典型轿车1.72.10.30.41货车370.81.0大客车470.50.8,坡度阻力,坡度阻力定义,汽车上坡行驶,汽车重力沿坡道的分力,坡度阻力,坡度阻力,道路阻力,道路阻力,坡度阻力,滚动阻力,道路阻力系数,加速阻力,加速阻力定义：汽车加速时，需要克服其质量加速运动时的惯性力。,汽车加速行驶,克服加速运动的惯性力,加速阻力,汽车质量,平移质量,旋转质量,平移惯性力,惯性力偶矩,汽车加速行驶,汽车旋转质量换算系数,加速阻力,加速阻力计算,为便于计算，把旋转质量惯性力转化为平移质量惯性力，以系数作为计入旋转质量后的汽车旋转质量换算系数。即：其中：汽车旋转质量换算系数（1）；m汽车质量，Kg；行驶加速度，m/s2。的物理意义：将旋转质量的惯性力偶矩等效地叠加到平移质量惯性力上时，平移质量惯性力应扩大的倍数。主要与飞轮的转动惯量If、车轮的转动惯量Iw和传动系传动比有关。,（N）,3.汽车行驶条件,汽车行驶方程式,汽车行驶方程式,汽车行驶方程式有关说明汽车行驶方程式表明了各物理量之间的数量关系，可方便地进行动力分析。汽车行驶方程式中某量并不表示汽车外力，如Ft、Ff、Fj等。汽车行驶方程式中的结论总是正确的。,汽车行驶条件,汽车行驶的驱动条件,0，加速,0，减速或无法行驶,0，匀速,汽车行驶条件,汽车行驶的附着条件,驱动力大,动力性好,驱动力大,足够的附着力（切向力）,动力性好,满足轮胎与地面的附着条件,汽车行驶的附着条件,附着力定义定义:地面对轮胎切向反作用力极限值。,地面对轮胎的作用力,切向的作用力,极限值,附着力,汽车行驶的附着条件,附着力计算在硬路面上：附着条件汽车正常行驶条件,式中：为附着系数。对于后轮驱动的汽车：，由于f较小，汽车行驶附着条件：,三、汽车动力性分析,1.汽车的驱动力平衡汽车驱动力平衡是指汽车行驶时驱动力恒等于行驶阻力。,汽车的驱动力平衡,汽车驱动力行驶阻力平衡图,汽车的驱动力平衡,求解动力性评价指标,行驶方程式,汽车的基本参数,汽车的动力性能,最高车速,加速能力,爬坡能力,汽车的驱动力平衡,确定汽车最高车速驱动力曲线与Ff十Fw曲线的交点所对应的车速即为汽车最高车速。,驱动力,行驶阻力,汽车的驱动力平衡,确定汽车爬坡能力,驱动力Ft,空气阻力Fw,滚动阻力Ff,爬坡能力,等速,确定汽车爬坡能力,汽车的驱动力平衡,确定汽车加速能力求加速度,确定汽车加速能力,汽车的加速度曲线,V,确定汽车加速能力,求加速时间,1/aV曲线,加速时间,矩形积分,2.汽车的动力特性,动力因数D的物理意义D表示单位车重所具有的剩余驱动力，标志着汽车克服的能力，可用于比较不同质量、不同空气阻力的汽车。,汽车的动力特性,动力特性图,汽车的动力特性,求解动力性评价指标,汽车的动力特性图（DV）,最高车速的确定,最大爬坡度的确定,阻力曲线,加速时间的确定,精确,3.汽车的功率平衡,功率平衡定义汽车的功率平衡是指发动机发出的功率恒等于汽车行驶阻力所消耗的功率与机械传动损失功率之和。,发动机功率,行驶阻力功率,滚动阻力功率Pf,空气阻力功率Pw,坡度阻力功率Pi,加速阻力功率Pj,传动损失功率,汽车的功率平衡,功率平衡式,f的随车速V的增大，Pf的增加更快,Pw是车速V的三次函数,汽车的功率平衡,功率平衡图,汽车的功率平衡,确定最高车速确定后备功率,后备功率,节气门全开,V/（km/h）,后备功率可用来加速或爬坡，后备功率越大，汽车的动力性越好。档位不同，车速不同，其后备功率不同。,汽车的功率平衡,确定负荷率发动机负荷率是指发动机在某一转速下实际发出的功率与所能发出的功率之比值。图中bc与ac的比值即为汽车在V车速下的发动机负荷率。负荷率的高低表明了汽车功率的利用程度，负荷率低，表示汽车功率利用较少，汽车的后备功率较大，此时汽车具有良好的加速能力或爬坡能力；负荷率高，表示汽车此时的功率利用较大，适当提高汽车发动机负荷率，可提高汽车的燃油经济性。,四、影响汽车动力性的主要因素,1.发动机参数汽车比功率发动机最大功率发动机最大转矩外特性曲线形状,2.传动系参数,传动系效率,传动系的功率损失,机械损失,液力损失,摩擦,润滑油,齿轮传动副之间,轴承摩擦,。,润滑油的搅动,润滑油与零件之间的表面摩擦,。,传动系效率,传动系参数,主减速器传动比,从图中可以看出，为了提高汽车动力性，i0应选得适中,传动系参数,变速器档数,传动系的档数,汽车的动力性,燃油经济性,在高功率附近工作的机会,在低燃油消耗率区间工作的机会,操纵性好,档与档之间传动比的比值,1.71.8,传动系参数,变速器档数比较,从图中可以看出，变速器档数增多，发动机在最大功率附近高功率工作的机会增加，发动机的平均功率利用率高，后备功率大。,传动系参数,各类车型的档数轿车传统轿车34个前进档；现代轿车常用5个前进档，含2个超速档。货车中型货车一般采用5个档位；重型货车、矿用重型车档位数多，620个。越野车档位数比同吨位货车多一倍左右。,传动系档数的多少,档与档之间传动比的比值,1.71.8,档位数超过五个，结构复杂。加副变速器,传动系参数,变速器传动比最小传动比,最高档行驶,最小传动比,总传动比,主减速器传动比,变速器传动比,副变速器传动比,传动系参数,最小传动比的选择应满足最高档最大动力因数的要求：中型货车：D0max=0.040.08中级轿车：D0max=0.100.15高级轿车：D0max=0.150.20选定i0后，计算出D0max进行对比，不符合要求时，应重新选定i0。,传动系参数,最大传动比,最大传动比,最大爬坡度,附着条件,最低稳定速度,变速器I档传动比ig1,主减速器传动比i0,传动系档数与各档传动比的选择,各档速比,中间各挡的传动比,渐近式速比分配,等比级数分配,渐近式速比分配能改善汽车在较高档位行驶的动力性，现代汽车普遍采用这种方式,3.空气阻力系数,空气阻力系数对汽车的动力性的影响汽车在高速行驶时，空气阻力很大。为提高汽车的动力性，应减少空气阻力。而减少空气阻力的主要手段是降低空气阻力系数CD,减少空气阻力系数CD的措施,车身前部：,发动机盖应向前下倾；面与面交接处的棱角应为圆柱状；挡风玻璃应尽可能“躺平”且与车顶圆滑过渡；前支柱应圆滑，侧窗应与车身相平；尽量减少灯、后视镜等凸出物，凸出物形状应接近流线型。,若用折背式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些，后面应有鸭尾式结构。,减少空气阻力系数CD的措施,汽车后部：,最好采用舱背式,或直背式；,舱背式车身,舱背式车身:后窗玻璃与水平线呈2550角的车身，称为舱背式车身。大于50角的车身，称为方背式车身。,舱背式,直背式车身,直背式车身：后窗玻璃与水平线夹角25的车身，称为直背式车身或快背式车身。,直背式,流线形较好的汽车后部,克莱斯勒交叉火力,雷克萨斯,兰博基尼,减少空气阻力系数CD的措施,所有零部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。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。整车：整个车身应向前12，如下图；水平投影应为“腰鼓”形，后端稍稍收缩，前端呈半圆形。,车身底部：,玛莎拉蒂,减少空气阻力系数CD的措施,发动机冷却进风系统：仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱，精心设计的内部风道。目前，有的车身CD值已达0.2，如克莱斯勒公司产的下列轿车。其车身的前发动机罩、后行李箱盖与车厢平顺圆滑地相连，总体造型浑然一体。,CD=0.2,4.汽车质量,汽车质量对汽车动力性影响很大。除空气阻力外，其他行驶阻力都与汽车质量成正比。而动力因数则与汽车质量成反比。因此，随着汽车质量的增大，其行驶阻力增加，动力因数降低，汽车的动力性下降。不能通过减少装载质量来提高汽车的动力性，而最有效的方法就是减轻汽车的整备质量来提高汽车动力性。,5汽车驱动形式,单轴驱动汽车，一般以后轴作为驱动轴，有利于提高汽车的动力性。当汽车上坡、加速、高速行驶需要加大驱动力时，地面作用于驱动轮的法向反作用力增大，附着力也随之增大，汽车容易获得足够的附着力而保证所需的驱动力。采用全轮驱动的汽车比单轴驱动汽车具有更好的动力性，因为它能够利用的附着力是最大的，同时当某一驱动轴失去驱动能力时，则另外的驱动轴仍可继续驱动。,6汽车轮胎,汽车行驶时轮胎的滚动阻力和附着性能对汽车动力性产生较大的影响。为了提高汽车动力性，应尽量减少汽车轮胎的滚动阻力，同时增加道路与轮胎间的附着力。根据这一原则，在硬路面上行驶的汽车，应采用子午线轮胎，细而浅的花纹，较高的轮胎气压；在松软路面上行驶的汽车，应采用粗而深的轮胎花纹，较低的轮胎气压。采用宽系列轮胎，可增加轮胎与路面间的附着系数，改善其附着性能，提高汽车的动力性。,7使用因素,发动机技术状况发动机是汽车动力的来源，因此，发动机技术状况是保证汽车动力性的关键。底盘技术状况汽车底盘技术状况从多方面影响汽车动力性。驾驶技术驾驶技术永远影响着汽车动力性。汽车行驶条件行驶条件中的气候和路面对汽车动力性的影响较大。,1-2汽车燃油经济性,汽车燃油经济性评价指标汽车燃油经济特性影响汽车燃油经济性的主要因素,汽车燃油经济性,燃油经济性,尽量少的燃油消耗,一定的动力性条件下,燃油经济性好,降低汽车的使用费用,减少进口的石油量,节约资源,降低CO等的排放,汽车燃油经济性是指汽车以最少的燃油消耗完成单位运输工作量的能力,检测,燃油消耗,评价,一、汽车燃油经济性评价指标,1单位行程的燃油消耗量单位行程的燃油消耗量常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗升数（L/100km）来表示。它可用来评价相同容载量汽车的燃油经济性，也可用于分析不同部件(如发动机、传动系等)装在同一种汽车上对汽车燃油经济性的影响，其数值越小，则汽车的燃油经济性就越好。我国及欧洲一般采用L/100km数作为汽车燃油经济性的评价指标。在美国、英国等一些国家则用汽车消耗的单位燃油量所经过的行程作为汽车燃油经济性的评价指标，单位是MPG或mile/USgal，即每消耗1加仑的燃油汽车行驶的英里数。相同容量的汽车，MPG数值越大，其燃油经济性越好。这种评价指标其实质与上述的单位行程的燃油消耗量评价指标是一样的。,汽车燃油经济性评价指标,等速行驶百公里油耗等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量，一般是汽车等速行驶一定的里程折算成100km的燃油消耗升数（L/100km）。在汽车使用说明书上也用等速百公里油耗来评价汽车的燃油经济性，下表为几种车型的等速百公里油耗。,几种车型的90km/h等速百公里油耗,汽车燃油经济性评价指标,循环工况百公里油耗循环工况百公里油耗是按规定的循环行驶试验工况来模拟汽车的实际运行工况，折算成100km的燃油消耗量。所模拟的运行工况主要有换档、怠速、加速、减速、等速、离合器脱开等的车速时间规范。我国乘用车采用十五工况循环，城市客车和双层客车（包括城市铰接式客车）采用四工况循环，货车采用六工况循环等。循环工况百公里油耗是一项综合性评价指标，能实际反映汽车的运行工况，可全面评价汽车的燃油经济性。,汽车燃料经济性评价指标,2单位运输工作的燃料消耗量单位运输工作量的燃油消耗量是指汽车完成每百吨公里或千人公里运输工作量时的燃油消耗升数，单位为L/（htkm）或L/（kpkm）。它可用于评价不同容载量汽车的燃油经济性，是运输效率的指标之一，其数值越小，则汽车的燃油经济性就越好。汽车运输企业常用单位运输工作量的燃油消耗量来评价企业运输车辆的燃油经济性。,二、汽车燃油经济特性,1汽车燃油消耗方程式汽车燃油消耗方程式方程式是对汽车燃油经济性的全面表述，对研究汽车单位行程燃油消耗具有指导意义。但在具体运用时，由于ge及T随发动机负荷呈复杂形式的变化，而且汽车的燃油经济性还与交通情况（人、车流密度）、周围环境（如气候等）有关，故用燃油消耗方程式确定油消常感不便。所以汽车的燃油消耗量多用试验方法测定。,2.汽车燃油经济特性,一般规律,汽车在一定道路条件下行驶时，有一经济车速,汽车燃油经济特性,汽车在不同路面行驶的燃油经济特性,道路阻力系数越大，汽车消耗在滚动阻力和坡度阻力上的能量就越大，汽车的百公里油耗就越大。,等速百公里油耗特性,汽车以不同档位行驶的燃油经济特性,汽车在良好的水平路面以不同档位行驶时，在相同的车速下，档位越高，汽车的百公里油耗就越小，汽车的燃油经济性就越好。因此，在良好的路面上应尽量使用高档位行车。,三、影响汽车燃油经济性的主要因素,1.汽车结构方面发动机发动机类型柴油机的有效耗油率比汽油机低20%左右，故柴油汽车的燃油经济性比较好。发动机结构在发动机的种类确定后，发动机的结构就决定了发动机的油耗。发动机功率发动机功率越大，汽车的动力性通常越好，但汽车的燃油经济性往往会越差。,汽车结构方面,传动系传动系效率传动系效率越高，则损失于传动系统的能量越少，燃油经济性越好。机械式变速器的传动效率比液力自动变速器的效率高，因此具有自动变速器的汽车其油耗相对较高。超速档变速器设置超速档的主