汽車動(dòng)力學(xué) 第一章汽車動(dòng)力性 汽車的動(dòng)力性 汽車在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的 所能達(dá)到的平均行駛速度 基本概念 動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)汽車的驅(qū)動(dòng)力與各種行駛阻力汽車行駛的驅(qū)動(dòng) 附著條件重點(diǎn)內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)力 行駛阻力平衡圖分析汽車動(dòng)力性的方法動(dòng)力特性圖 圖解法 功率平衡圖 第1節(jié)汽車動(dòng)力性指標(biāo) 從獲取盡可能高的平均速度考慮 動(dòng)力性指標(biāo)有 最高車速加速時(shí)間最大爬坡度1 最高車速uamax在水平良好的路面上汽車能達(dá)到的最高行駛速度 km h 2 加速時(shí)間t表示汽車的加速能力 常用 原地起步加速時(shí)間 汽車以1檔或2檔起步 并以最大加速?gòu)?qiáng)度換至最高檔后達(dá)到某一距離 0402 5m或0400m 或車速 096 6km h或0100km h 所需要的時(shí)間 s 超車加速時(shí)間 用最高檔或次高檔由某一較低車速 30km h或40km h 全力加速至某一高速所需時(shí)間 s 如 部分轎車的原地起步加速過(guò)程曲線 3 最大爬坡度imax汽車的上坡能力 以1檔滿載時(shí)汽車在良好路面上的最大爬坡度表示 是極限爬坡能力 轎車 一般不強(qiáng)調(diào)貨車 imax 30 約16 5 越野汽車 imax 60 有時(shí)也以汽車在一定坡道上必須達(dá)到的車速來(lái)表示爬坡能力 如 美國(guó)對(duì)轎車爬坡要求 能以104km h車速通過(guò)6 的坡道 第2節(jié)汽車的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力 根據(jù)沿行駛方向作用于汽車的各種外力 可以計(jì)算汽車的最高車速 加速度 最大爬坡度 由力平衡關(guān)系得 Ft FFt 驅(qū)動(dòng)力 F 行駛阻力之和汽車行駛方程 一 驅(qū)動(dòng)力 1 定義發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 經(jīng)傳動(dòng)系至驅(qū)動(dòng)輪 轉(zhuǎn)矩Tt對(duì)地面產(chǎn)生圓周力Fo 地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的反作用力Ft即為驅(qū)動(dòng)力 2 表達(dá)式Ft Tt rr 車輪半徑驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩Tt與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Ttq的關(guān)系為 故 3 表達(dá)式涉及的幾項(xiàng)具體內(nèi)容1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性發(fā)動(dòng)機(jī)的功率Pe 轉(zhuǎn)矩Tqt及燃油消耗率b與曲軸轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關(guān)系 用試驗(yàn)曲線或擬合多項(xiàng)式表達(dá) 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門置于全開(kāi)位置發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性曲線 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門置于部分開(kāi)啟位置臺(tái)架試驗(yàn)特性曲線 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)所獲得的曲線 使用外特性曲線 帶上全部附件時(shí)的外特性 與臺(tái)架試驗(yàn)特性相差5 15 2 傳動(dòng)系機(jī)械效率傳動(dòng)系各部件 變速器 萬(wàn)向節(jié) 主減速器 的摩擦導(dǎo)致的功率損失 由試驗(yàn)測(cè)得 汽車各部件的傳動(dòng)效率機(jī)械變速器的轎車 T 0 9 0 92貨車 客車 T 0 82 0 85 3 車輪半徑三個(gè)半徑自由半徑車輪處于無(wú)載荷時(shí)的半徑 靜力半徑rs汽車靜止時(shí) 車輪中心至輪胎與地面接觸面間的距離 用作動(dòng)力學(xué)分析 滾動(dòng)半徑rr通過(guò)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與實(shí)際車輪滾動(dòng)距離之間的關(guān)系換算所得得半徑 用作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 一般可不計(jì)差別 rs rr r 4 汽車的驅(qū)動(dòng)力圖發(fā)動(dòng)機(jī)外特性確定的是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系 經(jīng)傳動(dòng)系到達(dá)車輪后 可表示為驅(qū)動(dòng)力與車速間的關(guān)系 由式 1 得各檔位的Ft值 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與汽車行駛速度ua間的關(guān)系單位ua km hn r minr m 二 汽車的行駛阻力 汽車行駛時(shí)的各種阻力 滾動(dòng)阻力 以符號(hào)Ff表示 空氣阻力 以符號(hào)Fw表示 坡度阻力 以符號(hào)Fi表示 加速阻力 以符號(hào)Fj表示 因此汽車行駛的總阻力為 F Ff Fw Fi Fj 一 滾動(dòng)阻力1 組成輪胎與路面接觸區(qū)域產(chǎn)生的法向 切向相互作用力 輪胎和支承路面的變形輪胎在硬路面上滾動(dòng)時(shí) 主要是輪胎變形 輪胎在硬支承路面上受徑向力時(shí)的加載和減載曲線不重合 其面積之差為能量損失 由輪胎內(nèi)摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失 遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪滾動(dòng)的阻力偶 2 滾動(dòng)阻力偶分析車輪不滾動(dòng) 地面對(duì)車輪的法向反作用力對(duì)稱 車輪滾動(dòng) 處于前部d點(diǎn)的地面法向反力 CF 大于處于恢復(fù)的后部d 點(diǎn)地面反力 DF 合力Fz前移距離a 與法向載荷W不重合 滾動(dòng)阻力偶矩Tf Fza從動(dòng)輪 欲使從動(dòng)輪在硬路面上等速滾動(dòng) 必須在車輪中心加一推力Fp1 根據(jù)力矩平衡 若令f a r 可將Fp1值寫(xiě)作Fp1 Wf或f Fp1 W f稱為滾動(dòng)阻力系數(shù) 可見(jiàn)滾動(dòng)阻力系數(shù)是車輪在一定條件下滾動(dòng)時(shí)所需之推力與車輪負(fù)荷之比 即單位汽車重力所需之推力 Ff Wf Tf r 驅(qū)動(dòng)輪 由驅(qū)動(dòng)輪的力矩平衡得 FX2r Tt Tf故FX2 Ft Ff其中 FX2為驅(qū)動(dòng)力矩所引起得道路對(duì)車輪的切向反作用力 即實(shí)際作用在驅(qū)動(dòng)輪上的切向力為驅(qū)動(dòng)力減滾動(dòng)阻力 滾動(dòng)阻力系數(shù)由試驗(yàn)確定 滾動(dòng)阻力系數(shù)與路面的種類 行駛車速以及輪胎的構(gòu)造 材料 氣壓等有關(guān) 二 空氣阻力汽車直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力 空氣阻力分為壓力阻力 一般轎車占91 與摩擦阻力 9 兩部分 壓力阻力又分為四部分 形狀阻力 58 干擾阻力 14 內(nèi)循環(huán)阻力 12 和誘導(dǎo)阻力 7 空氣阻力 或其中 ua 汽車車速 km h A 迎風(fēng)面積 m CD 空氣阻力系數(shù) 故降低CD值是降低空氣阻力的主要手段 措施有 1 車身前部 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下傾 圓柱狀棱角 減少凸出物 2 整車 車身前傾1 2 前端半圓 后收 鼓腰 3 汽車后部 艙背式或直背式好 加擾流板 如為折背式 用鴨尾式結(jié)構(gòu) 4 車身底部 下平面盡量平整 5 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻進(jìn)風(fēng)系統(tǒng) 仔細(xì)選擇進(jìn)出風(fēng)口位置 三 坡度阻力當(dāng)汽車上坡行駛時(shí) 爬坡演示汽車重力沿坡道的分力表現(xiàn)為汽車坡度阻力Fi Fi Gsin 其中 G 作用于汽車上的重力 N G mg m為汽車質(zhì)量 kg g為重力加速度 一般路面上坡度較小 此時(shí)Fi Gsin Gtg Gi由于坡度阻力與滾動(dòng)阻力均屬于與道路有關(guān)的阻力 且均與汽車重力成正比 故可把這兩種阻力合在一起稱作道路阻力 以F 表示 即F Ff Fi fGcos Gsin 當(dāng) 不大時(shí) cos 1 sin i F Gf Gi G f i 令f i 稱為道路阻力系數(shù)F G 四 加速阻力汽車的質(zhì)量分為平移的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量?jī)刹糠?把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力偶矩轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量的慣性力 并以系數(shù) 作為計(jì)入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車質(zhì)量換算系數(shù) 因而汽車加速時(shí)的阻力 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù) 1 m 汽車質(zhì)量 單位為kg 行駛加速度 主要與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及傳動(dòng)系的傳動(dòng)比有關(guān) 根據(jù)推導(dǎo)若不知道準(zhǔn)確的If Iw值 也可按下述經(jīng)驗(yàn)公式估算 值 1 1 2i2g式中 1 2 0 03 0 05 故 汽車的行駛方程式為 Ft Ff Fw Fi Fj 第3節(jié)汽車驅(qū)動(dòng)力 行駛阻力平衡圖與動(dòng)力特性圖 一 汽車行駛方程式根據(jù)上面逐項(xiàng)分析的汽車行駛阻力 可以得到汽車的行駛方程式為 Ft Ff Fw Fi Fj或 為清晰而形象地表明汽車行駛時(shí)的受力情況及其平衡關(guān)系 一般是將汽車行駛方程式用圖解法來(lái)進(jìn)行分析 即在汽車驅(qū)動(dòng)力圖上把汽車行駛中經(jīng)常遇到的滾動(dòng)阻力和空氣阻力也算出并畫(huà)上 作出汽車驅(qū)動(dòng)力 行駛阻力平衡圖 并以此來(lái)確定汽車的動(dòng)力性 超速演示 汽車驅(qū)動(dòng)力 行駛阻力平衡圖表征不同車速時(shí)驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力之間的關(guān)系 特征點(diǎn) 最高車速 僅有滾動(dòng)阻力和空氣阻力 小于最高車速時(shí) 汽車可用剩余驅(qū)動(dòng)力加速或爬坡 需等速行駛時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)可工作在部分負(fù)荷特性 1 汽車加速能力的評(píng)價(jià)在水平良好路面上行駛時(shí)能產(chǎn)生的加速度 不易測(cè)量 加速時(shí)間 用直接檔行駛時(shí) 由最低穩(wěn)定速度加速到一定距離或80 umax所需時(shí)間 汽車加速度 再利用汽車驅(qū)動(dòng)力 行駛阻力平衡圖可計(jì)算出各檔節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)的加速度曲線 高檔位時(shí)的加速度要小些 由加速度圖可求得從某一車速u1加速至另一較高車速u2所需的時(shí)間 因 dt du a 故加速時(shí)間由積分計(jì)算或圖解積分求出 用圖解積分法時(shí) 將a ua曲線轉(zhuǎn)為1 a ua曲線 曲線下兩個(gè)速度區(qū)間的面積表示通過(guò)此速度區(qū)間的加速時(shí)間 常將速度區(qū)間分為若干間隔 通過(guò)確定面積 1 2 來(lái)計(jì)算總加速時(shí)間 BJ1040輕型載貨汽車加速時(shí)間曲線 2 汽車爬坡能力的確定在良好路面上克服Ff Fw后用來(lái)克服坡度阻力時(shí)所能爬上的坡度 此時(shí) du dt 0 即Fi Ft Ff Fw 以Gsin 作為坡度阻力 代入表達(dá)式 得 利用驅(qū)動(dòng)力 行駛阻力平衡圖 可求出汽車能爬上的坡道角 最大爬坡度imax為1檔時(shí)的最大爬坡度 對(duì)貨車尤其重要 緊湊型轎車的爬坡度曲線 二 動(dòng)力特性圖 動(dòng)力因數(shù)將汽車行駛方程除以汽車重力 定義 汽車在各檔下的動(dòng)力因數(shù)與車速的關(guān)系曲線稱為動(dòng)力特性圖 可以此圖分析汽車動(dòng)力性 如du dt 0 則D f iD曲線與f曲線間的距離表示汽車的上坡能力 第4節(jié)汽車行駛的驅(qū)動(dòng) 附著條件與汽車的附著力 一 汽車行駛的驅(qū)動(dòng)條件Ft Ff Fw Fi上式為汽車的驅(qū)動(dòng)條件 可以采用增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 加大傳動(dòng)比等措施來(lái)增大汽車驅(qū)動(dòng)力 汽車行駛除受驅(qū)動(dòng)條件制約外 還受輪胎與地面附著條件的限制 二 汽車行駛的附著條件地面對(duì)輪胎切向反作用力的極限值稱為附著力F 在硬路面上與驅(qū)動(dòng)輪法向反作用力FZ成正比 常寫(xiě)成FXmax F FZ 其中 FZ 作用于所有驅(qū)動(dòng)輪上的地面法向反作用力 附著系數(shù) 由路面和輪胎決定 由作用在驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的地面切向反作用不能大于附著力 否則會(huì)發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn) 即 Ft FZ 對(duì)后輪驅(qū)動(dòng)汽車 FX2 FZ2 C 2 式中 C 2 后輪驅(qū)動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪的附著率對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)汽車 前輪驅(qū)動(dòng)的附著率也不能大于地面附著系數(shù) 將驅(qū)動(dòng)條件和附著條件連起來(lái) 有 Ff Fw Fi Ft FZ 此即汽車行駛的必要與充分條件 稱為汽車行駛的驅(qū)動(dòng) 附著條件 三 汽車的附著力與地面反作用力 汽車的附著力決定于附著系數(shù)和地面作用于驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力 1 附著系數(shù)由路面種類 狀況 車速等決定 平均值 良好的混凝土或?yàn)r青路面 干燥時(shí) 0 7 0 8潮濕時(shí) 0 5 0 6土路 干燥時(shí) 0 5 0 6潮濕時(shí) 0 2 0 42 驅(qū)動(dòng)輪地面法向反作用力與汽車的總體布置 車身形狀 行駛狀況 道路坡度有關(guān) G 汽車重力 Tf1 Tf2 作用在前 后輪上的滾動(dòng)阻力偶矩 Tje 作用于橫置發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上的慣性阻力偶矩 Tjw1 Tjw2 作用于前 后輪上的慣性阻力偶矩 FZw1 FZw2 作用于車身并位于前后輪接地點(diǎn)上方的空氣升力 FZ1 FZ2 作用于前 后輪上的地面法向反作用力 FX1 FX2 作用于前 后輪上的地面切向反作用力 汽車加速上坡時(shí)的受力圖 根據(jù)力矩平衡得作用于前 后輪上的地面法向反作用力FZ1 FZ2 分析 由四個(gè)部分構(gòu)成 1 靜態(tài)軸荷的法向反作用力 汽車重力分配到前后軸的分量產(chǎn)生 2 動(dòng)態(tài)分量 加速過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力 慣性阻力偶矩產(chǎn)生 3 空氣升力 流經(jīng)汽車頂部和底部的空氣流速不同產(chǎn)生 CLf CLr 前 后空氣升力系數(shù) 和 4 滾動(dòng)阻力偶矩產(chǎn)生的分量很小若不計(jì)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性阻力偶矩和滾動(dòng)阻力偶矩 汽車前 后輪上的地面法向反作用力為 三 作用在驅(qū)動(dòng)輪上的地面切向反作用力 Gw1 Gw2 驅(qū)動(dòng)輪 從動(dòng)輪的重力 m1 m2 驅(qū)動(dòng)輪 從動(dòng)輪的質(zhì)量 WB 車身重力 mB 車身質(zhì)量 T t 半軸作用于驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩 Fp1 Fp2 驅(qū)動(dòng) 從動(dòng)軸作用于驅(qū)動(dòng)輪 從動(dòng)輪的平行于路面的力 Tf1 Tf2 作用在前后輪上的滾動(dòng)阻力矩偶 Tjw1 Tjw2 作用在前后輪上的慣性阻力矩偶 FZ1 FZ2 作用在前后輪上的地面法向反作用力 FX1 FX2 作用在前后輪上的地面切向反作用力 由從動(dòng)輪受力圖 由車身受力圖 由驅(qū)動(dòng)輪受力圖 后輪驅(qū)動(dòng)汽車 地面作用于驅(qū)動(dòng)輪的切向反作用力則是將上式中的FX1改為FX2 Ff1改為Ff2 四 附著率 汽車直線行駛狀況下 充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)力作用時(shí)要求的最低附著系數(shù) 1 加速 上坡行駛時(shí)的附著率加速 上坡時(shí)驅(qū)動(dòng)輪發(fā)出的驅(qū)動(dòng)力大 要求的附著系數(shù)大 前輪驅(qū)動(dòng)汽車 驅(qū)動(dòng)輪的附著率為 式中 q 包含加速阻力在內(nèi)的等效坡度后輪驅(qū)動(dòng)汽車 驅(qū)動(dòng)輪的附著率和q為 全輪驅(qū)動(dòng)汽車前 后驅(qū)動(dòng)力分配根據(jù)軸間差速器的結(jié)構(gòu)確定 后軸轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)對(duì)附著率有影響 質(zhì)心位置也有影響 前 后驅(qū)動(dòng)輪的附著率一般不等 附著率大的驅(qū)動(dòng)輪要求更大的地面附著系數(shù) 前輪驅(qū)動(dòng) 后輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)汽車的等效坡度與地面附著系數(shù)的關(guān)系曲線 可看出 后輪驅(qū)動(dòng)汽車略超過(guò)前輪驅(qū)動(dòng) 四輪驅(qū)動(dòng)超過(guò)單軸驅(qū)動(dòng) 附著率曲線 達(dá)到相應(yīng)加速度和爬坡度所要求的地面附著系數(shù) 緊湊型轎車以1 2檔全力加速時(shí)的附著率 緊湊型轎車以1 2檔全力爬坡時(shí)的附著率 2 高速行駛時(shí)的附著率在良好道路上高速行駛的汽車 坡度和加速度均較小 隨車速增加 后輪的法向反作用力下降 切向反作用力與車速成平方關(guān)系增大 C 2隨車速提高急劇增大 一般車速下 C 2值較小 車速達(dá)250km h 較高升力系數(shù)時(shí) C 2 0 57 接近瀝青路面附著系數(shù) 當(dāng)車速達(dá)300km h 中等升力系數(shù)時(shí) C 2 0 74 路面不能滿足附著性能要求 后輪驅(qū)動(dòng)轎車驅(qū)動(dòng)輪地面切向反作用力 法向反作用力 附著率與車速的關(guān)系曲線 第5節(jié)汽車的功率平衡 汽車行駛時(shí) 不僅驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力互相平衡 發(fā)動(dòng)機(jī)功率和汽車行駛的阻力功率也總是平衡的 即在汽車行駛的每一瞬間 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失功率與全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率 將汽車行駛方程式兩邊乘以行駛車速ua 經(jīng)單位換算整理出汽車功率平衡方程式 單位為kw 汽車運(yùn)動(dòng)所消耗的功率有滾動(dòng)阻力功率Pf 坡度阻力功率Pi 空氣阻力功率Pw 加速阻力功率Pj 發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe 汽車常遇到的阻力功率與車速的關(guān)系曲線 汽車功率平衡圖 阻力功率在低速時(shí)為斜直線 高速時(shí)斜率變大 5檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線與阻力功率曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)在良好路面上的最高車速 汽車在良好路面上以u(píng)等速行駛時(shí) 阻力功率為 對(duì)應(yīng)的部分節(jié)氣門開(kāi)度的發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線為虛線 而發(fā)動(dòng)機(jī)能發(fā)出的功率為 二者之差可用于加速或爬坡 故稱為汽車的后備功率 一般情況下 汽車維持等速行駛所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)功率不大 當(dāng)需要爬坡或加速時(shí) 加大節(jié)氣門開(kāi)度 使汽車發(fā)出全部或部分功率 后備功率越大 汽車動(dòng)力性越好后備功率越大 汽車經(jīng)濟(jì)性越差 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率低 燃油消耗量高 緊湊型轎車各檔位的后備功率