汽车理论重点

汽车理论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;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,就可以估算汽车的最高车速,加速度和最大爬坡度.汽车的行驶方程式为:汽车的驱动力如图1－2;作用在驱动轮上的转矩Tt,对地面作用一圆周力F0,此时地面对驱动轮的反作用力Ft,即是驱动汽车行驶的外力,定义为汽车的驱动力;Ft = Tt / r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,ηT表示传动系的机械效率,则作用在驱动轮上的转矩Tt为Tt＝Ttqigi0ηT NmFt＝Ttqigi0ηT /r N由上式可知,汽车的驱动力Ft与发动机转矩、传动系机械效率和传动比及车轮半径有关;一.发动机的转矩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况下由发动机台架试验测定的使用外特性曲线求得;发动机特性曲线：发动机外特性曲线：如图1-3使用外特性曲线：在缺少试验数据时,可用近似公式来估算;3二.传动系的机械效率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ηT＝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;在进行动力性估算时,把ηT看作一个常数;采用有级变速器的轿车ηT 取～；货车、客车ηT取～；越野车ηT取～；也可按表1-1对ηT进行估算;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;汽车静止时,轮胎因承受载荷产生径向变形,车轮中心至路面与轮胎接触面间的距离称为静力半径rs;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轮胎接触面间的距离称为动力半径rd;车轮半径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,则可求得车轮的滚动半径rr;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＝Ttqigi0ηt /r N车速ua 的计算公式：ua＝igi0 km/h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;地面法向反作用力的分布,前后不对称;合力Fz相对于法线前移一个距离a;合力Fz与法向载荷W大小相等,方向相反;将法向反作用力Fz平移至与通过车轮中心的垂线重合,有滚动阻力偶矩Tf＝Fza ;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;由平衡条件得：Fp1r＝Tf Fp1＝Tf/r＝Fza/r＝Wa/r令f＝a/r,f 称为滚动阻力系数;即单位车重所需的推力;车轮滚动时的滚动阻力即等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积;Ff＝Wf＝Tf/r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,取良好硬路面的f值;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－TfFx2＝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＝ρur²i=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;空气阻力的组成：形状阻力：是汽车表面压差阻力,占气动阻力的58%左右;摩擦阻力：是空气的粘滞性在车身表面产生的摩擦力,占气动阻力的9%左右;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Fw的公式：Fw＝ρua²＝CDAua² /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;迎风面积A可直接在投影面上测得,也可估算;三.坡度阻力如图1-19,汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力Fi,即Fi＝Gsinαα－道路的坡度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百分率来表示,即i＝h/s＝tgα在坡度较小时：Fi＝G sinα≈G tgα=Gi在坡度较大时,近似公式误差较大,按等式计算;三坡度阻力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,故二者之和通常用道路阻力Fψ来表示,即Fψ＝Ff＋Fi＝fGcosα＋G sinαNα小于10°－15°时：Fψ＝Gf＋Gi＝Gf+i＝Gψψ—道路阻力系数;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公式：Fj＝δmdu/dt旋转质量换算系数δ为大于1的数,其值为：初步计算时,也可利用图1-21确定δ;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：Ttqigi0ηT/r ＝fGcosα+CDAua²/ +G sinα+δmdu/dt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δ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：Ttqigi0ηT/r ＝fG'cosα+²/+G'sinα+δG' du/gdtG' －汽车列车总重力;汽车驱动力平衡图与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;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确定加速能力：Fi=0 由Ft－ua图画出a－ua图,如图1-24 ,再画出1/a－ua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;最大的加速强度：如图1-24 ;在加速度曲线交点处换档;如果和Ⅱ档加速度曲线无交点,应在Ⅰ档加速到发动机最大值时换入Ⅱ档;确定爬坡能力：F j=0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;动力特性图只要D相等,便能克服同样的坡度和加速阻力;利用汽车动力特性图分析汽车的动力性,如图4-2-9：确定最高车速：D＝f 时临界车速：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;直接档的临界车速越低越好;确定加速能力确定爬坡能力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 ≤Fz2φ近似写成：Ft ≤Fz2φ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 ≤Fz2φ附着率定义为：Cφ2= Fx2 / Fz2 Cφ2 ≤φ汽车行驶条件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;汽车功率平衡图在汽车行驶时,发动机发出的功率始终等于机械传动损失与全部运动阻力所消耗的功率;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;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. 确定爬坡能力汽车的后备功率：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;汽车的比功率：发动机发出的最大功率与汽车总重力的比值;影响汽车动力性的主要因数影响汽车动力性的主要因素有结构因素和使用因素;结构因素：发动机特性参数、传动系的设计、汽车的总质量等;使用因素：道路条件、气候和海拔高度等;一发动机特性参数对动力性的影响影响参数主要有：发动机最大功率、最大转矩以及发动机外特性曲线的形状;二主减速器传动比对动力性的影响图3-4-6为直接档行驶时的功率平衡图;适当的主减速器传动比可使汽车获得较大的最高车速,同时在低速有一定的后备功率,汽车有较好的动力性和燃料经济性;三变速器的档数和传动比对动力性的影响四汽车总质量对动力性的影响五使用因素对动力性的影响汽车的燃油经济性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;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等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标;汽车在一定载荷我国标准规定轿车为半载、货车为满载下,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;绘制等速百公里燃油消耗量曲线,如图3-5-12.循环行驶试验工况油耗测定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;汽车满载,用最高档,测量全程的耗油量,往返共进行四次,取平均值,并折算成百公里燃油消耗量;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功率平衡图,对汽车燃油经济性进行估算;计算时假设汽车在水平路面上行驶;1. 等速行驶工况燃油消耗量的计算根据车速和阻力功率,求出发动机的功率；Pe=Pf＋PW/ηT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, 如图2-3 ；等速行驶工况燃油消耗量的计算求出车速ua下单位时间内的燃油消耗量Qt；Qt＝Pb/ρg求出等速过程的燃油消耗量；Q＝Pbs/102uaρg利用公式求出等速百公里燃油消耗量QsQs＝Pb/ρg2.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；如图2-4,将加速过程按速度增加1km/h等分为若干区间；求出各点车速对应的单位时间内的燃油消耗量Qt；求出汽车行驶速度每增加1km/h所需时间△t；求出各区间的燃油消耗量Qn;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汽车减速行驶时,发动机处于强制怠速状态；求出减速时间t；发动机的怠速燃油消耗率Qi；减速过程燃油消耗量为：Qd＝Qi×t求出整个减速过程的行驶距离;怠速停车时的燃油消耗量若怠速时间为tss,则燃油消耗量QidmL为:Qid＝Qi ts5. 整个试验循环工况的百公里燃油消耗量Qs为：Qs ＝100ΣQ/s提高汽车燃油经济性的因素使用方面的措施1. 管理措施：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；加强对油料的管理;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,尽量使用高档行驶;发动机的负荷率在70%-80%时油耗率最低;4. 正确的维修：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;5. 提高驾驶技术：加速－滑行技术；缓慢加速；预热保温；保持正常的冷却水温度等; 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；3. 发动机的结构具有较高的压缩比等；4. 传动比的选择应保证汽车在常用工况油耗低；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)761403600(13max max a D a T e u A C u Gf P +=η2 、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 机应有功率; 根据书中图3-1 ,利用车重求出功率;根据图3-2 ,利用预定的最高车速和车重求出功率;传动比的选择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 的选择;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率时的车速时,最高车速是最大的;如图;适当减小最小传动比,可以得到较高的燃油经济性;考虑驾驶性能：最小传动比过小,发动机在重负荷下工作,加速性不好,出现噪声与振动；反之,燃油经济性差,发动机高速运转噪声大;二、最大传动比的选择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的最低稳定车速三个因素;根据汽车的最大爬坡度,由行驶方程式确定最大传动比；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;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；轿车的最大传动比常常根据加速能力确定;传动系档数与各档传动比的选择一传动系档数增加档位数会改善汽车的动力性和燃油经济性;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;在变速器中,档位数过多,会使结构复杂;二各档传动比的选择一般汽车各档传动比大致符合相邻传动比比值相同;公式为：公比q一般小于～;相邻档传动比采用等比级数的优点：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;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;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;原因有：各档利用率差别很大; 传动系中齿轮的齿数必须是整数；换档过程中,速度有下降；利用燃油经济性－加速时间曲线确定动力装置参数初步选定参数后,通常利用燃油经济性－加速时间曲线,综合考虑各方面因素,最终确定动力装置的参数;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;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;变速器传动比的确定装用不同变速器的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的制动性汽车的制动性：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;制动性的评价指标主要由制动效能、制动效能的恒定性和制动时汽车的方向稳定性三个方面来评价;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;制动车轮的制动力一. 地面制动力：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：Tμ+Tf－Tj－Fxbr＝0 近似为Fxb＝Tμ/ r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着力的限制;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;公式为：Fμ＝Tμ/ r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、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;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 ≤Fφ=FzφFxbmax =Fzφ地面制动力、制动器制动力及附着力的关系如图4-4-3;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,才能获得足够的地面制动力;硬路面上的附着系数汽车制动过程时,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,而滑动成分越来越大,一般用滑动率s来说明滑动成分的多少;滑动率的定义如公式4-5：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、滑动附着系数;影响附着系数的因素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、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素;如表4-2表示各种路面上的平均附着系数;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;汽车的制动效能及其恒定性制动效能是指汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力;评价制动效能的指标有制动距离,制动减速度、制动时间和制动力;汽车的制动过程如图3-6-3;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制动时间制动释放时间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;最大减速度公式：jmax＝Φbg 特点：最大制动减速度由路面的附着系决定;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 ：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是指制动器抗热衰退能力;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/s²、最后的制动效能不低于冷制动。