武汉理工大学 车辆工程汽车理论讲稿(第5章)

-1-武汉理工大学车辆工程汽车理论讲稿(第5章)一、1.汽车动力学基础(1)汽车动力学基础是研究汽车运动规律及其影响因素的科学，对于汽车的设计、制造和驾驶具有重要意义。在汽车动力学中，有几个关键参数需要考虑，如质量、速度、加速度和力。以一辆普通家用轿车为例，其质量大约在1200kg至1800kg之间，这样的质量对于汽车的加速性能、制动性能和操控稳定性都有直接影响。在动力学分析中，我们常用牛顿第二定律F=ma来描述汽车在受到外力作用时的运动状态，其中F代表作用力，m代表质量，a代表加速度。例如，当一辆质量为1500kg的汽车以2m/s²的加速度加速时，所需的驱动力为3000N。(2)汽车动力学还包括对汽车行驶过程中受到的各种阻力的研究，如空气阻力、滚动阻力、坡道阻力等。空气阻力与汽车的速度平方成正比，因此在高速行驶时，空气阻力对汽车的影响尤为显著。以空气阻力为例，一辆速度为100km/h的汽车，其空气阻力大约为500N。此外，滚动阻力与汽车轮胎与地面的接触状态有关，通常情况下，滚动阻力约为驱动力或制动力的10%左右。以一辆质量为1500kg的汽车在水平路面上行驶，若滚动阻力为150N，则其所需的驱动力或制动力应为1650N。(3)在汽车动力学中，汽车的操控稳定性也是一个重要的研究课题。操控稳定性指的是汽车在行驶过程中，对驾驶员输入的转向指令的响应能力。例如，当驾驶员突然转动方向盘时，汽车是否能够按照预期方向稳定行驶，而不是出现过度转向或不足转向的现象。影响汽车操控稳定性的因素包括汽车的质心位置、前后轴荷分配、轮胎性能等。以某款SUV车型为例，其质心位置较低，前后轴荷分配较为均匀，这使得车辆在高速行驶时具有良好的操控稳定性。在实际驾驶中，驾驶员可以通过调整油门、刹车和方向盘来控制汽车的行驶轨迹，而汽车动力学则为这种操控提供了理论基础。例如，当驾驶员在弯道中减速时，如果汽车具有良好的操控稳定性，那么车辆将能够平稳地通过弯道，而不会出现失控的情况。二、2.汽车动力系统(1)汽车动力系统是汽车的核心部分，其功能是将燃料的化学能转化为机械能，以驱动汽车行驶。现代汽车动力系统主要包括内燃机和电动机两种类型。内燃机通过燃烧汽油或柴油产生动力，而电动机则通过电能驱动。以内燃机为例，其工作原理是利用燃料与空气混合后在气缸内燃烧产生高温高压气体，推动活塞运动，进而带动曲轴旋转，最终通过传动系统驱动车轮。以一款1.6升四缸汽油发动机为例，其最大功率可达125马力，最大扭矩可达160牛·米，足以满足城市通勤和高速公路行驶的需求。(2)随着环保意识的增强，混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）逐渐成为汽车动力系统的发展趋势。混合动力汽车结合了内燃机和电动机的优点，能够在不同工况下自动切换动力来源，提高燃油效率和降低排放。例如，丰田普锐斯混合动力车型在市区行驶时主要依靠电动机驱动，而在高速行驶时则以内燃机为主。纯电动汽车则完全依靠电动机驱动，其动力输出平顺，且没有尾气排放。以特斯拉ModelS为例，其搭载的电动机最大功率可达680马力，续航里程可达500公里以上。(3)汽车动力系统的性能不仅取决于发动机本身，还与传动系统、电池系统等密切相关。传动系统负责将发动机输出的动力传递到车轮，常见的传动方式有手动变速器、自动变速器、无级变速器等。手动变速器通过驾驶员手动操作离合器和换挡杆来控制车速，而自动变速器则能够自动完成换挡过程。以大众高尔夫7为例，其搭载的7速双离合变速器能够在0.2秒内完成换挡，提高了车辆的加速性能。电池系统是电动汽车的重要组成部分，其性能直接影响车辆的续航里程和充电时间。以比亚迪秦为例，其搭载的磷酸铁锂电池组容量为48.8千瓦时，续航里程可达500公里。三、3.汽车行驶原理与控制(1)汽车行驶原理与控制是确保汽车安全、稳定和舒适行驶的关键。汽车的行驶原理主要涉及动力学、运动学和力学，通过这些原理可以分析汽车在不同工况下的运动状态。例如，在直线行驶中，汽车的加速度由发动机输出的扭矩和传动系统的效率决定。以一辆搭载2.0升涡轮增压发动机的汽车为例，其最大扭矩可达350牛·米，在1000转/分钟时即可达到峰值扭矩，这使得汽车在起步和加速阶段表现出色。在高速行驶时，汽车的空气动力学特性对行驶稳定性起到重要作用，流线型车身设计可以有效降低空气阻力，提高燃油效率。(2)汽车行驶控制主要包括转向控制、制动控制和加速控制。转向控制通过转向系统实现，驾驶员通过转动方向盘来改变汽车行驶方向。以现代汽车的电子助力转向系统为例，其通过电子控制单元（ECU）实时调整助力力度，使驾驶员在低速行驶时获得更大的转向助力，在高速行驶时则减小助力力度，以保持转向的稳定性和精确性。制动控制是确保汽车安全行驶的重要环节，现代汽车普遍采用防抱死制动系统（ABS）和电子稳定程序（ESP）来提高制动性能和稳定性。以奔驰C级轿车为例，其ABS系统可以在紧急制动时防止车轮锁死，ESP系统则通过调整发动机扭矩和制动力的分配，保持车辆的稳定行驶。(3)汽车行驶控制还涉及到车辆的悬挂系统、轮胎和驾驶辅助系统。悬挂系统负责吸收路面不平带来的冲击，保持车轮与地面的良好接触，以提高车辆的行驶平顺性和操控性。以宝马5系为例，其采用自适应空气悬挂系统，可以根据驾驶者的行驶模式和路况自动调整悬挂硬度，提供舒适或运动两种悬挂模式。轮胎是汽车与地面接触的关键部件，其设计直接影响到汽车的抓地力和操控性能。例如，米其林PS4高性能轮胎，其花纹设计可以提供良好的排水性能和抓地力，适用于多种路况