3EDD汽车理论串讲

1、汽 车 理 论Theory of automobile（串讲）武汉理工大学汽车工程学院2006年10月乔维高绪 论汽车主要使用性能动力性 power performance燃油经济性 operating fuel economy制动性 braking characteristics操纵稳定性 handling and stability行驶平顺性 ride performance行驶通过性 off-road performance第一章 汽车动力性汽车的动力性： 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，所能达到的平均行驶速度。基本概念： 动力性的评价指标 汽车的驱动力与各种行驶阻

2、力 汽车行驶的驱动附着条件重点内容： 驱动力-行驶阻力平衡图 分析汽车动力性的方法 动力特性图 （图解法） 功率平衡图第1节 汽车动力性指标1.最高车速uamax 在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度（km/h）。2.加速时间t 表示汽车的加速能力。常用：原地起步加速时间超车加速时间3.最大爬坡度imax 汽车的上坡能力。以1档满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示。是极限爬坡能力。第2节 汽车的驱动力与行驶阻力 根据沿行驶方向作用于汽车的各种外力，可以计算汽车的最高车速、加速度、最大爬坡度。由力平衡关系得： Ft=F Ft驱动力； F行驶阻力之和 汽车行驶方程 一、驱动力 1.定义 发

3、动机产生的转矩，经传动系至驱动轮，转矩Tt对地面产生圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。 2.表达式 Ft =Tt /r r车轮半径 驱动轮转矩Tt与发动机转矩Ttq的关系为： 故： 3、汽车的驱动力图 发动机外特性确定的是发动机输出转矩和转速关系。经传动系到达车轮后，可表示为驱动力与车速间的关系。二、汽车的行驶阻力汽车行驶时的各种阻力：滚动阻力以符号Ff表示；空气阻力以符号Fw表示；坡度阻力以符号Fi表示；加速阻力以符号Fj表示； 因此汽车行驶的总阻力为： F=Ff+Fw+Fi+Fj （一）滚动阻力 可见滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，即单位汽车重

4、力所需之推力，Ff=Wf Tf /r。驱动轮： FX2 = FtFf 可见滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，即单位汽车重力所需之推力，Ff=Wf Tf /r。驱动轮：由驱动轮的力矩平衡得 FX2r = TtTf 故 FX2 = FtFf 滚动阻力系数由试验确定。滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关 。（二）空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力分为压力阻力（一般轿车占91）与摩擦阻力（9）两部分。压力阻力又分为四部分：形状阻力（58）、干扰阻力（14）、内循环阻力（12）和诱导阻力（7）。 空气

5、阻力: （三）坡度阻力 当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力Fi，Fi=Gsin 其中，G作用于汽车上的重力（N），G=mg，m为汽车质量（kg），g为重力加速度。 一般路面上坡度较小，此时 Fi=Gsin Gtg =Gi 由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力，且均与汽车重力成正比，故可把这两种阻力合在一起称作道路阻力，以F表示，即F= Ff+Fi= fGcos+Gsin，当不大时，cos1，sini，F=Gf+Gi=G(f+i)，令f+i=，称为道路阻力系数F=G。 (四) 加速阻力 汽车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部分。把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量

6、的惯性力，并以系数作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量换算系数， 因而汽车加速时的阻力: 汽车旋转质量换算系数，（1）； m 汽车质量，单位为kg； 行驶加速度。第3节 汽车驱动力行驶阻力平衡图与动力特性图一、汽车行驶方程式 根据上面逐项分析的汽车行驶阻力，可以得到汽车的行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj或： 为清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系，一般是将汽车行驶方程式用图解法来进行分析。即在汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也算出并画上，作出汽车驱动力-行驶阻力平衡图，并以此来确定汽车的动力性。 汽车驱动力-行驶阻力平衡图 表征不同车速时驱动力和行

7、驶阻力之间的关系。特征点：最高车速，仅有滚动阻力和空气阻力。 小于最高车速时，汽车可用剩余驱动力加速或爬坡。 需等速行驶时，发动机可工作在部分负荷特性。 1. 汽车加速能力的评价在水平良好路面上行驶时能产生的加速度：不易测量。加速时间：用直接档行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或80% umax所需时间。 汽车加速度： 再利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图可计算出各档节气门全开时的加速度曲线。高档位时的加速度要小些。 由加速度图可求得从某一车速u1加速至另一较高车速u2所需的时间。 因：dt=du/a，故 加速时间由积分计算或图解积分求出。 2. 汽车爬坡能力的确定 在良好路面上克服Ff+Fw后

8、用来克服坡度阻力时所能爬上的坡度。此时，du/dt=0，即 Fi = Ft - ( Ff + Fw ) 以Gsin作为坡度阻力，代入表达式，得： 二、动力特性图动力因数： 将汽车行驶方程除以汽车重力，定义：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。可以此图分析汽车动力性。 D曲线与f曲线间的距离表示汽车的上坡能力。第4节 汽车行驶的驱动-附着条件与汽车的附着力一、汽车行驶的驱动附着条件 F FtFf+Fw+Fi 三、汽车的附着力与地面反作用力 汽车的附着力决定于附着系数和地面作用于驱动轮的法向反作用力。 1. 附着系数 由路面种类、状况、车速等决定。平均值：良好的混凝土或沥青路面：

9、 干燥时，0.70.8 潮湿时，0.50.6土路：干燥时，0.50.6 潮湿时，0.20.4 2. 驱动轮地面法向反作用力 与汽车的总体布置、车身形状、行驶状况、道路坡度有关。 若不计旋转质量惯性阻力偶矩和滚动阻力偶矩，汽车前、后轮上的地面法向反作用力为：四、附着率 汽车直线行驶状况下，充分发挥驱动力作用时要求的最低附着系数。 第5节 汽车的功率平衡 汽车行驶方程式两边乘以行驶车速ua，经单位换算整理出汽车功率平衡方程式（单位为kw） 汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi 、空气阻力功率Pw、加速阻力功率Pj。 发动机功率Pe、汽车常遇到的阻力功率 与车速的关系曲线汽车功率

10、平衡图对应的部分节气门开度的发动机功率曲线为虚线，而发动机能发出的功率为 ，二者之差可用于加速或爬坡，故称 为汽车的后备功率。后备功率越大，汽车动力性越好后备功率越大，汽车经济性越差（发动机负荷率低，燃油消耗量高）紧凑型轿车各档位的后备功率第二章 汽车的燃油经济性 在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，称作汽车的燃油经济性。基本概念: 汽车燃油经济性的评价指标 汽车燃油经济性的计算重点内容: 等速行驶汽车燃油经济性的计算 影响汽车燃油经济性的因素第1节 汽车燃油经济性的评价指标 汽车的燃油经济性常用一定运动工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来

11、衡量。一、等速行驶百公里燃油消耗量 常用的一种评价指标，指汽车在额定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。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，用来评价汽车的燃油经济性。汽车等速百公里燃油消耗量曲线二、循环行驶工况百公里燃油消耗量欧洲经济委员会及我国法定的测定燃油经济性的循环行驶工况图 循环工况规定了车速时间行驶规范，例如，何时换挡、何时制动以及行车的速度和加速度等数值。因此在路上试验比较困难，一般多规定在室内汽车底盘测功机(转鼓试验台)上进行测试。美国法定的测定燃油经济性的循环行驶工况图

12、三、综合燃油消耗量欧洲经济委员会（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。美国环境保护局(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（单位为每加仑燃油汽车行驶英里数mile/gal），并按下式计算综合燃油经济性：第2节 汽车燃油经济性的计算 1、等速行驶工况燃油消耗量的计算 b燃油消耗率，单位为g/(kWh）燃油的密度（kg/L）g重力加速度（m/s） 整个等速过程行经s的燃油消耗量Q为 （mL） 折算成等速百

13、公里燃油消耗量为 2.等加速行驶工况燃油消耗量的计算 3. 等减速行驶工况燃油消耗量的计算 4. 怠速停车时的燃油消耗量 5. 整个循环工况的百公里燃油消耗量 一、使用方面（一）行驶车速 由发动机外特性曲线可知, 汽车在接近于低速的中等车速时燃油消耗量最低，高速时随车速增加而迅速增加。这是因为在高速行驶时，虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力增加很大而导致百公里油耗增加的缘故。第3节 影响汽车燃油经济性的因素（二）档位选择 在同一道路条件与车速下,虽然发动机发出的功率相同，但档位愈低，后备功率愈大，发动机的负荷率愈低，燃油消耗率愈高，百公里燃油消耗量就愈大，而使用高档时的情况则相反。 （三

14、）挂车的应用 （四）正确地保养与调整 汽车的调整与保养会影响到发动机的性能与汽车行驶阻力,所以对百公里油耗有相当的影响。二、汽车结构方面汽车结构因素 对提高燃油经济性的作用 1985 1990 减小整车尺寸3530%采用轻材料15 20 %提高发动机效率1515减小空气阻力10% 10%改进传动系统10% 10%减小滚动阻力5%5%其他10% 10% 合计100%100%第三章 汽车动力装置参数的选定 汽车动力装置参数：指发动机的功率、传动系的传动比。它们对汽车的动力性与燃油经济性有很大影响。 基本内容：发动机功率的选择 最小传动比的选择 最大传动比的选择 变速器挡数与各挡传动比的选择 难点：

15、利用燃油经济性加速时间曲线确定动力装置参数第1节 发动机功率的选择 若给出了期望的最高车速，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，即： (1) 在实际工作中，利用汽车比功率是单位汽车总质量具有的发动机功率，比功率的常用单位为kW/t，可由下式求得汽车比功率为 第2节 最小传动比的选择 主减速比的选择1.最高车速uamax i0=4.62时，阻力功率曲线正好与发动机功率曲线2交在其最大功率点上。若相当发动机最大功率时的车速称为up，则有uamax2=up2，此时uamax2=89km/h。 2、在选定最小传动比时，要考虑到最高档行驶时汽车应有足够的动力性能，即应有足

16、够的最高档动力因数D0max。 最小传动比itmin即一般汽车的i0与D0max有如下关系 最小传动比还受到驾驶性能的限制 驾驶性能是包括平稳性在内的加速性，指动力装置的转矩响应、噪声和振动。由驾驶员通过主观评价来确定。第3节 最大传动比的选择 确定最大传动比时，要考虑三方面的问题：最大爬坡度或I档最大动力因数D1max，附着力以及汽车最低稳定车速。 1、就普通汽车而言，传动系最大传动比itmax是变速器头档传动比ig1与主减速器传动比i0的乘积。当i0已知时确定传动系最大传动比也就是确定变速器I档传动比。 ig1 2、传动比后按下式验算附着条件 求附着力F 时，可取附着系数 =0.50.6

17、第4节 传动系挡数与各挡传动比的选择 1. 考虑动力性 档位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速与爬坡能力。 2. 考虑燃油经济性 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。3. 考虑挡与挡之间的传动比比值 比值过大会造成换挡困难。一般认为比值不宜大于1.71.8。因此，如最大传动比与最小传动比之比值越大，挡位数也应越多。 实际上对于档位较少（5档以下）的变速器，各档传动比之间的比值并非正好相等，主要考虑到各档利用率差别很大的缘故。 较高档位相邻两档间的传动比的间隔应小些，特别是最高档和次高档之间更小。即：第4章 汽车的制动性汽车的制动性：

18、是指人为地强制汽车在短距离内减速以至停车且维持行驶方向稳定性、下长坡时能维持一定车速和保证汽车较长时间停放在斜坡上的能力。汽车的制动性是评价汽车安全性能的主要指标。一、制动性能评价指标二、制动时车轮的受力分析三、汽车的制动效能及其恒定性 四、制动时汽车的方向稳定性 五、 前后制动器制动力的比例关系制动性能主要是以下三个方面： 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。 制动效能的恒定性：汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。 抗热衰退性能：制动器温度升高后制动效能保持的程度。 抗水衰退性能：汽车涉水行驶后制动时制动效能保持的程度。 制动时

19、汽车的方向稳定性：制动时汽车按给定路径行驶的能力：跑偏、侧滑、失去转向能力第1节 制动性能的评价指标第2节 制动时车轮受力分析地面制动力Fxb、F、F的关系。纯滚动时：V = S = 0纯拖滑时： = 0 S = 100%边滑边滚： 0 S 斜交线轮胎。（7）气候因素沥青路面：气温越高，附着系数越大；水泥路面：气温越高，附着系数越小。第3节 汽车的制动效能及其恒定性 汽车的制动效能是指汽车迅速降低车速直至停车的能力，评价制动效能的指标有制动减速度制动距离，制动力和制动时间。制动效能制动减速度ab制动距离s附着系数与路面结构，轮胎型式，花纹有关，乘客可以接受的制动减速度不大于1.5-2m/s2，

20、对于可预见的停车，应尽量用滑行而不用制动。这样可以减少汽车行走系零件的损坏和降低耗油量。 制动减速度反映了地面制动力，它与制动器的制动力及附着力有关。1.制动减速度 制动距离是评价汽车制动性能最直观的参数，制动距离是指汽车以一定的初速度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。 2.制动距离(1)制动距离的分析汽车的制动过程制动过程驾驶员行动反应制动器作用制动器持续制动放松制动器驾驶员反应时间0.3 1.0 s制动器作用时间0.2 0.9 s持续制动时间放松制动器时间0.2 1.0 s汽车的制动距离制动器起作用时间液压制动系真空助力制动系气压制动系汽车列车制动系= 0.1s= 0.3

21、 0.9s= 2s= 0.3 0.9s 0 时， 设在 =0.7b.当 0 时， 设在 =0.35、利用附着系数与制动效率最高制动减速度即将出现车轮抱死没有任何车轮抱死制动强度路面附着系数路面附着系数前后轮同时抱死充分的利用了附着条件利用附着系数制动强度z时地面制动力法向反作用力（被）利用附着系数制动强度附着条件发挥充分制动力分配合理利用附着系数总大于或等于制动强度利用附着系数与制动强度的关系曲线制动效率与附着系数曲线 限压阀 比例阀6、目前采用的制动调节装置目前采用的制动调节装置有限压阀，比例阀、ABS。 （1）调节阀感载比例阀制动效率最大制动强度利用附着系数制动效率地面附着条件的利用程度制

22、动力分配的合理性车轮不抱死时摩擦因数ABS的作用缩短制动距离改善制动过程的方向稳定性保持制动过程的操纵稳定性减轻驾驶员的紧张程度延长轮胎的使用寿命(2)ABS：ABS提高操纵稳定性防止侧滑ASR/TCS防滑控制系统滑移率与附着系数的关系第五章 汽车操纵稳定性汽车操纵稳定性汽车的主要性能之一a. 汽车正确遵循驾驶员通过操纵机构所给定的 方向的能力;操纵稳定性b. 汽车抵抗企图改变行驶方向干扰、保持稳定行驶方向的能力。不能过分降低车速或造成驾驶员疲劳。第1节 概述车辆坐标系和汽车主要运动形式轮胎坐标系第2节 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏现象 在侧偏角0称为不足转向。不足转向汽车加速时，和中性转向时比，

23、根据稳态横摆角速度增益较小，即较小。但因R= ，故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大。汽车不足转向特征车速uch称为特征车速 K0时，K0 不足转向0时，KR0 时，K0 不足转向若 R=R0 时，K=0 中性转向若 R R0 时，Ka时，汽车质心在cn前，S.M.0, ,K0当aa时，汽车质心在cn后，S.M.0, ,K0瞬态响应 表征瞬态响应的几个参数小轿车的固有频率f0(=0/2)在0.8-1.2Hz之间。固有频率高些较好。1、波动的固有频率02、阻尼比小了超调量大，故大些较好。3、反应时间反应时间 指r第一次到达稳定值的时间。小些较好。4、达到第一峰值的时间达到第一峰值的时间小些较好

24、。当稳定性因数K0(过多转向)且车速瞬态响应的稳定条件是不稳定的。其它是稳定的。汽车的侧倾1）车厢侧倾轴 车厢相对地面转动的瞬时轴线称为车厢侧倾轴。它与前后轴处的垂直断面的交点称为前、后侧倾中心。它由悬架导向机构决定，可由图解或实验求得。第4节 汽车操纵稳定性和悬架的关系单横臂独立悬架上车厢的侧倾中心双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心2）悬架侧倾角刚度 悬架侧倾角刚度指车厢侧倾时单位转角下悬架系统给车厢的总弹性恢复力矩。式中 T-总弹性恢复力矩 r-车厢侧倾角3）车厢侧倾角 车厢侧倾角指车厢绕侧倾轴的转角，它是影响汽车操纵稳定性的一个重要参数。它也影响乘员感觉，车厢侧倾角过大，乘员会很不舒适。过小

25、则说明侧倾角过大，凸凹不平路面对汽车单边冲击很大，同时会影响驾驶员路感。式中，M r是侧倾力矩，K r是悬架总的侧倾角刚度。侧倾力矩由下列三部分组成：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3)独立悬架非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩车厢侧倾角计算式中，M r是侧倾力矩，K r是悬架总的侧倾角刚度。侧倾转向 车厢侧倾引起的车轮转向称为侧倾转向，或称轴转向。侧倾转向会增加或减少不足转向量。变形转向悬架导向装置变形引起的车轮转向称为变形转向。第六章 汽车平顺性路面汽车人平顺性的评价标准评价标准ISO2631-1:1997(E) 人体承受全身振动评价第一部分：一般要求 GB

26、/T4970-1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法所考虑的振动ISO2631-1规定，舒适性评价时，考虑座椅支承处的3个线振动和3个角振动，靠背和脚支承处各3个线振动，共12个轴向振动。健康影响评价时，仅考虑座椅支承处的3个线振动xs、ys、zs。第一节 人体对振动的反应和平顺性的评价第六章 汽车平顺性第二节 路面不平度的统计特征路面不平度的功率谱密度1. x(t)功率谱密度Gx(f)的意义 Gx(f) 表示x(t)的平均功率Ex2(t)在频率域的分布。2.路面不平度q(I)的功率谱密度Gq(n)的意义 Gq(n) 表示.路面不平度q2(I)的平均值Eq2(I)的空间频率分布。3.路面不平度

27、的功率谱密度式中 n空间频率，m-1 n00.1 m-1 Gq(n0)路面不平度系数(m2/m-1) w频率指数，一般取为2第三节 汽车振动系统的简化、单质量系统振动汽车振动模型1）总质量保持不变 m2f+m2r+m2c=m22）质心位置不变 m2fa-m2r b=03）转动惯量不变得到：从而得汽车单质量振动系统模型：当悬挂质量分配系数：有m2c=0汽车单自由度振动方程（1）令 2n=C/m2，20=K/ m2，齐次方程变为0称为系统固有圆频率，定义阻尼比方程的解为单自由度自由振动衰减曲线汽车单质量系统频响函数令代入上式，得汽车单质量系统幅频特性上式模（幅频特性）为 （1）在00.75的低频段

28、， 既不减振也不增振。阻尼比影响不大。（2）在0.75= 的高频段，= 时 =1。 时， 1。减振。阻尼比较小时衰减更多。 双轴汽车平顺性模型平顺性分析的振动响应量有3种：1、车身振动加速度2、悬架动挠度（涉及限位行程、悬架击穿）3、车轮与路面间的动载荷平顺性分析的振动响应量车身加速度功率谱密度函数车身加速度功率谱密度函数用于：a.了解振动加速度功率频谱的分布。b.求加速度均方根值或加权均方根值评价汽车平顺性。当=1时，前式变为 （共振峰值） 显然固有频率越低，峰值越低。此外，低频段阻尼比越大 ， 越小。高频段阻尼比越大， 越大。二者效果相反，须折衷。车轮与路面间相对动载荷幅频特性 对单质量系

29、统它与簧载荷重量G的比值称为相对动载荷这和车身振动加速度基本一样，只差一常数g。故可用同样公式求均方根值（标准差），求离地概率。悬架弹簧动挠度的幅频特性 悬架弹簧动挠度复振幅为 ，故频响函数 把频响函数 代入上式，得 幅频特性为 1、固有频率越低，车身振动加速度均方根值越低，平顺性越好。但固有频率太低，会导致汽车载荷变化时车身高度变化过大、悬架“击穿”和乘员晕车；2、汽车悬架阻尼比不能过大或过小，有一最佳值，在0.2和0.4之间。平顺性和固有频率、阻尼比的关系第四节 车身与车轮双质量系统的振动第五节 双轴汽车的振动第六节 “人体-座椅”系统的振动 汽车的通过性（越野性）：是指汽车在一定装载质量

30、下能以足够高的平均速度通过各种坏路、无路地带（松软的土壤、沙漠、雪地、沼泽等），坎坷不平地段和克服各种障碍（陡坡、侧坡、台阶、壕沟等）的能力。第七章 汽车的通过性汽车的通过性支承通过性几何通过性支承通过性：以足够高的车速通过坏路和无路地带的能力几何通过性：以足够高的车速通过各种障碍的能力 第一节 汽车通过性的评价指标一、汽车支承通过性评价指标1、挂钩牵引力Fd 挂钩牵引力Fd等于驱动力Ft取与滚动阻力的合力Ff之差： Fd=Ft Ff挂钩牵引力Fd用来评价汽车加速，上坡及牵引拖车的能力。 2、牵引系数TC 牵引系数TC等于挂钩牵引力Fd对汽车总重力G之比，即：牵引系数是用来评价不同总重力的越野汽车的牵引性能。 在一定的土壤条件下，若Tc0汽车能通过。 3、牵引效率TE 牵引效率TE等于车轮上输出功率与输入功率之比值： TE值是反映车轮轮胎性能的无周次量，TE值越大，