汽车理论汽车运用工程课件

第三章汽车的使用性能为实现汽车运用的最佳效果，就必须科学合理的运用车辆。而掌握汽车使用性能是汽车合理使用，提高汽车运用效果的关键。第三章汽车的使用性能一、教学目标掌握汽车的使用性能及其评价指标。掌握汽车各种使用性能指标的影响因素。掌握汽车各种使用性能指标的分析方法。掌握汽车各种使用性能指标的试验方法。二、教学指导资料准备：教材、汽车运行视频、教学课件等。仪器工具：五轮仪、非接触式速度测试仪、油耗计、加速度计、制动减速度仪、制动试验台、时间信号发生器、测力转向盘、陀螺仪、人体振级测量仪，及其长度、高度、角度测量器具等。教学活动：课堂讲授，学生分组讨论，汽车使用性能试验等。第三章汽车的使用性能第一节汽车结构参数和质量参数第二节汽车动力装置的特性第三节汽车的动力性第四节汽车的燃油经济性第五节汽车的制动性第六节汽车的操纵稳定性第七节汽车的通过性第八节汽车的行驶平顺性第九节汽车的质量利用和使用方便性3.1汽车结构参数和质量参数主要介绍汽车整车的结构参数和质量参数，这些参数对于汽车的使用性能有很大影响。3.1汽车结构参数和质量参数3.1.1汽车的主要结构参数1．汽车的外廓尺寸汽车的外廓尺寸指车辆的长度、宽度及高度。车辆长度：垂直于车辆的纵向对称平面并分别抵靠在汽车前、后最外端突出部位的两垂直面之间的距离。车辆宽度：平行于车辆纵向对称平面并分别抵靠车辆两侧固定突出部位的两平面之间的距离。车辆高度：在车辆无装载质量时，车辆支承水平地面与车辆最高突出部位相抵靠的水平面之间的距离。3.1汽车结构参数和质量参数我国对汽车的外廓尺寸界限的规定为：①车辆高≤4m；②车辆宽≤2.5m；③车辆长：货车、越野车≤12m，客车≤12m，铰接式客车≤18m，半挂汽车列车≤16.5m，全挂汽车列车≤20m。3.1汽车结构参数和质量参数2．汽车的轴距和轮距轴距：汽车在直线行驶位置时，同侧相邻两轴的车轮落地中心点到车辆纵向对称平面的两条垂线间的距离。轮距：在支承平面上，同轴左右车轮两轨迹中心间的距离。3．汽车的前悬和后悬前悬：通过两前轮中心的垂面与抵靠在车辆最前端并垂直于车辆纵向对称平面的垂面之间的距离。后悬：通过车辆最后端车轮的轴线的垂面与抵靠在车辆最后端并垂直于车辆纵向对称平面的垂面之间的距离。3.1汽车结构参数和质量参数3.1.2车辆的质量和质心位置参数1.汽车的质量参数整车干质量：装备有车身、全部电气设备和车辆正常行驶所需要的辅助设备的完整车辆的质量与选装装置质量之和。整车整备质量：整车干质量、冷却液质量、燃料质量与随车件质量之和。装载质量：货运质量与客运质量之和总质量：整车整备质量与装载质量之和。最大轴载质量：制造厂考虑到材料强度、轮胎的承载能力等因素而核定出的轴载质量；允许最大轴载质量：车辆管理部门根据使用条件而规定的轴载质量。3.1汽车结构参数和质量参数2．质心位置参数（1）质心水平位置参数质心纵向水平位置参数：包括质心距前轴中心线的水平距离L1（m）和质心距后轴中心线的水平距离L2（m）。横向水平位置参数：质心距左侧和右侧车轮连线的距离B1和B2。2121mmLmL2112mmLmLGFBBZr1GFBBZl23.1汽车结构参数和质量参数（2）质心高度质心高度指质心距车辆支承平面的垂直距离（m）。采用侧倾试验台测试汽车质心高度时，用液压举升机构缓慢举升试验台面及被试汽车，使其向右倾斜，直到汽车左侧车轮负荷为零或脱离试验台面时为止。根据举升角度直接计算出质心高度：maxcon2Bhg3.2汽车动力装置的特性动力装置指汽车中实现能量转换与传递功能的部件的集成。对于内燃机动力汽车，通常将发动机与变速器的集成称为汽车动力装置或称汽车动力总成。性能指标用来表征发动机的性能特点，是评价发动机性能优劣的依据。3.2汽车动力装置的特性3.2.1发动机的性能指标发动机性能指标包括：动力性指标、经济性指标和强化指标等。1．动力性指标发动机对外输出的转矩称为有效转矩，Te（N·m）。发动机在单位时间内对外输出的有效功称为有效功率，Pe（kW，发动机曲轴每分钟的回转次数称为发动机转速，n（r/min）表示。有效功率、有效转矩和发动机转速三者间有如下关系：单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力，Pme（MPa）。9549106023nTnTPeee3.2汽车动力装置的特性2．经济性指标发动机的经济性指标包括：有效热效率、有效燃油消耗率等。燃料燃烧所产生的热量Ql（kW）转化为有效功We（kW）的百分数称为有效热效率：发动机每输出1kW·h的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，ge（g/kW·h)。QT-发动机在单位时间内的耗油量，kg/h；Pe-发动机的有效功率，kW。e%100leeQWeTePQg10003.2汽车动力装置的特性3．强化指标强化指标指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标。标定工况下，单位排量输出的有效功率称为升功率，PL。比质量kp（kg/kW）指发动机的干质量m（kg）与标定功率Pe（kW）之比，即：发动机平均有效压力Pme（MPa）与活塞平均速度vm（m/s）的乘积称为强化系数b。即：vm（m/s）与发动机标定转速n（r/min）和活塞行程S（mm）间的关系为：epPmkmmevpb31030nSvm3.2汽车动力装置的特性3.2.2汽车发动机特性1．发动机的速度特性速度特性曲线：发动机输出功率Pe（kW）、有效转矩Te（N•m）和有效燃油消耗率ge（g/kW•h）随曲轴转速n（r/min）的关系曲线。外特性曲线：节气门全开时的速度特性曲线。使用外特性曲线：带有全部附件时，所测得的发动机特性曲线。部分负荷特性曲线：节气门部分开启时的速度特性曲线。3.2汽车动力装置的特性2．发动机的负荷特性（1）发动机负荷发动机负荷用节气门开度表示，还常用负荷率表示。负荷率指发动机在一定转速下实际输出的功率与节气门全开时所能发出的最大功率之比的百分数。即：式中：—节气门部分打开时发出的功率，kW；—节气门全开时发出的功率，kW。%100''sPPU'P'sP3.2汽车动力装置的特性负荷特性指发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系。表明了在发动机某一转速ne时，不同有效输出功率Pe或负荷率U下的有效燃油消耗率ge。3.2汽车动力装置的特性3．发动机的万有特性为了全面地展示发动机的性能，常应用多参数的特性曲线，即万有特性曲线。应用最广的万有特性曲线为：在以转速、转矩为横、纵坐标的坐标系中画出的等油耗曲线和等功率曲线。在万有特性图中，最内层的等燃油消耗率曲线是最经济的区域，燃油消耗率最低。3.2汽车动力装置的特性3.2.3机械式变速器的输出特性1．变速器的基本作用理想的等功率特性曲线：即使在低转速下，输出功率也不变。其对应的转矩特性是双曲线转矩特性。内燃机在低转速时所能发出的功率很小。内燃机作为汽车的动力源时，需要配置机械式或液力式无级变速系统，改变发动机转速和转矩，使驱动轮的功率和扭矩特性接近理想特性。3.2汽车动力装置的特性2．机械式变速器输出特性如果变速器只有一个传动比且速比为1，则驱动轮的转矩特性与理想的双曲线转矩特性相差甚大。显然，增加变速器挡数或合理地选择各挡传动比，使变速器扭矩输出特性与理想转矩特性曲线越接近，二者间空隙越小，则功率利用的可能性越大。3.3汽车的动力性汽车运输是汽车的最基本的功能，其运输效率由在各种使用条件下的平均速度来体现，主要取决于汽车的动力性。因此，在汽车各种使用性能中，动力性是最重要、最基本的性能。3.3汽车的动力性3.3.1汽车动力性的评价指标若使汽车具有尽可能高的平均行驶速度，就必须提高汽车的最高车速、加速能力和爬坡能力。汽车的动力性指标包括：-汽车的最高车速，km/h-汽车的加速时间，s-汽车的最大爬坡度，%。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，表示汽车以最大可能平均行驶速度运送货物或乘客的能力。maxaVjtmaxi3.3汽车的动力性汽车的最高车速指汽车在水平良好的路面（混凝土或沥青路）上所能达到的最高行驶速度。汽车加速时间分为原地起步加速时间和超车加速时间。原地起步加速时间：汽车由第Ⅰ档或第Ⅱ挡起步，并以最大的加速强度（包括选择恰当的换档时机）逐步换至最高档后，行驶到某一预定的距离或达到某一车速所需要的时间。其预定距离通常为400m，预定车速通常为100km/h。超车加速时间：用最高挡或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。采用较多的是低速为30km/h或40km/h，而高速为80%最高车速或某一高速。最大爬坡度：满载时以Ⅰ档在良好路面上所能通过的最大坡度。道路和载荷情况对汽车动力性指标的试验值有重要影响。进行汽车动力性试验时道路条件应为干燥、清洁、平直的水泥或沥青路面；各国对载荷条件的规定不同，我国规定为满载，装载均匀；上述指标均应在无风或微风条件下测定。3.3汽车的动力性汽车动力性决定于汽车的驱动力和行驶阻力的相互作用。汽车的行驶阻力分为稳定行驶阻力和动态行驶阻力。在水平道路上等速直线稳定行驶时:滚动阻力空气阻力；当汽车在坡道上稳定行驶时:坡度阻力汽车加速行驶时:加速阻力。3.3汽车的动力性3.3.2汽车的行驶阻力1．滚动阻力（1）滚动阻力的产生车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及二者的相应变形。其相对刚度决定了轮胎和支承面变形的特点和相对大小。当弹性轮胎在硬路面上滚动时（动力性分析时的道路条件），轮胎的变形是主要的；而当弹性轮胎在软路面上滚动时（通过性分析时的道路条件），支撑路面的沉陷变形是主要的。这些变形都将伴随着能量损失，是滚动阻力产生的根本原因。3.3汽车的动力性3.3汽车的动力性用弹簧轮模型说明弹性轮胎变形导致滚动阻力产生的机理假设弹簧轮周围分布着一个个小弹簧和减振器。车轮滚动过程中，各个弹簧反复交替经历压缩过程和伸展过程，在压缩过程和伸展过程中，需克服减振器阻尼的作用而消耗阻尼功，该克服阻尼做功的过程表现为车轮的滚动阻力。从弹性轮胎受力变形的角度分析，可知这种能量消耗是滚动阻力产生的原因。加载变形曲线与卸载变形恢复曲线的差异，导致了轮胎接地面上压力分布的变化，进而导致阻碍车轮滚动的阻力偶和阻力的产生。3.3汽车的动力性由于弹性车轮滚动时产生了阻力偶，因此若使从动车轮在硬路面上等速滚动，必须相应在车轮中心施加推力，使之与相应的地面切向反作用力构成力偶矩克服。即：因此：f称为滚动阻力系数指车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比。滚动阻力为推动车轮滚动前进的推力所引起的地面切向反作用力。二者大小相等方向相反。在分析行驶阻力时，只要知道滚动阻力系数即可求出滚动阻力。1pFfTfTfpTrF1fFraFrTFzztp1zpFFraf1fFFFzpf13.3汽车的动力性驱动轮在硬路面等速滚动时。由于弹性迟滞现象而使驱动轮的法向反作用力的作用点前移了距离，在驱动轮上也产生了滚动阻力偶。由此可见，由于弹性迟滞现象产生的滚动阻力偶，也使驱动轮受到滚动阻力的作用。因此，由驱动力矩产生的驱动力在克服了后，才能转化为作用在驱动车轮上驱动汽车前进的地面切向反作用力。fTftxTTrF2ftftxFFrTrTF2tFfF2xF3.3汽车的动力性（2）滚动阻力系数滚动阻力系数的大小与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。行驶车速对滚动阻力系数有很大影响。轮胎的结构、帘线和橡胶的品种不同，轮胎承载后滚动变形量也不同，而且变形后胎面、轮胎内部材料之间的摩擦有很大差异车速和轮胎类型对滚动阻力系数的影响气压对滚动阻力系数的影响3.3汽车的动力性路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面0.010～0.018一般沥青或混凝土路面0.010～0.018碎石路面0.020～0.025良好的卵石路面0.025～0.030坑洼的卵石路面0.030～0.050干燥压紧土路0.025～0.0