汽车理论第三讲教案

山东理工大学教案第3次课教学课型：理论课□实验课□习题课□实践课□技能课□其它□主要教学内容（注明：重点#难点）：一、汽车的行驶阻力：（一）滚动阻力Ff：1、Ff的求解：2、f的求解：3、f的影响因素：（二）Fw：（三）Ｆｉ：（四）Ｆｊ：1-2汽车行驶的驱动附着条件1、汽车行驶的驱动条件2、汽车行驶的附着条件：附着力、附着系数、附着率的概念（#*）教学目的要求：1、f的影响因素。2、Fw、Fj、Fi的计算公式3、ψδ的含义及计算4、行驶的驱动附着条件5、附着力、附着系数、附着率的概念教学方法和教学手段：教师采用多媒体进行课堂讲授讨论、思考题、作业：1、汽车空气阻力由哪几部分组成2、什么是道路阻力系数ψ，3、请写什么是汽车的加速阻力，请写出它的表达式。4、汽车的驱动－附着条件及其表达式参考资料：余志生主编·汽车理论·机械工业出版社；2000M.米奇克·汽车动力学·人民交通出版社；1992格里什凯维奇·曲达柯夫·汽车理论·龙门联合书局；1954电子计算机在汽车设计中的应用·人民交通出版社；1988何光里·汽车运用工程师手册·人民交通出版社；1993高延龄·汽车运用工程·人民交通出版社；2004G.Rill,Fahrzeugdanamik,RegenburgUniversityofAppliedScience,讲稿内容3、Ff的求解：前述已知：2222211111WffZFWffZFff而f1，f2虽然有差别，但不大，近似认为其相等。所以求解滚动阻力Ff时，可按下式求解：水平面上：GffZZFf)(21斜面上：cos)(21GffZZFf4、f的求解：1）实验法：a)测量推力Fp1，再称出W1则：11WFfpb)滑行试验法：在平路上经力表低速、等速牵引汽车，用表上的读数值Ff，除以总重G，即得该车在该路面上的滚动阻力系数f。2）估算法：轿车：avf000142.00116.0或者：)194401(20auff货车：avf000056.00076.05、滚动阻力系数f的影响因素1)路面：见P9表1-22）轮胎：a）形式：同样条件下，子午胎好于普通斜交胎，见P9图1-13；b)结构：帘布层数多，胎体越厚，f越大。c)气压：轮胎充气压力对滚动阻力系数值影响很大。气压降低时f值迅速增加，这是因为气压降低时，滚动的轮胎变形大，迟滞损失增大。货车轮胎气压高，轮胎变形相对较小，滚动阻力系数可取较小值。国产货车在水泥路上的滚动阻力系数可取0.01。轿车轮胎气压低，轮胎变形大，滚动阻力系数取偏高值。例如，轿车在泥路上的滚动阻力系数取0.014。d）使用：使用中轮胎气压过低、前后轴不平行、轮辋偏摇过大、车轮轴承油封过紧、前轮前束及外倾过大、制动蹄与鼓之间的间隙过小等，会使滚动阻力系数加大，油耗增加。试验表明，胎面备注)75()(NgGjFj花纹磨损的旧胎比新胎的滚动阻力系数小；子午线轮胎的滚动阻力系数比普通斜交胎低２０%～３０%；转弯时的侧向力及路面不平时的冲击力，使轮胎变形增加，滚动阻力系数显著增大。滚动阻力系数随驱动力系数（驱动力与径向载荷之比）的增高而加大，这是因为驱动状况下的轮胎，作用有驱动转矩，胎面相对于地面有一定程度的滑动，增加了轮胎滚动时的能量损耗。滚动阻力系数随车速的增高而加大。在车速１００ｋｍ／ｎ以下时，随着车速的增加，它增加缓慢，故货车的f值较稳定，随车速变化不大；而轿车在：140km／h以上时增加较快。当车速达到某种轮胎的临界车速时，它的值增加很快，这时轮胎的变形已来不及恢复，轮胎的周缘呈波浪状，这称为驻波现象。出现驻波后，轮胎温度很快增加到100℃以上，胎面与帘布层脱离，几分钟就会出现爆破现象，所以高速轿车必须采用专用轮胎。（二）、坡度阻力1、含义：当汽车上坡行驶时，如图1-10，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力Fi，即式中G——作用于汽车上的重力，单位为N,G=ｍg，ｍ为汽车质量，ｇ为重力加速度。图1-10汽车的坡度阻力2、坡度：路面的纵向坡度用坡道角α及坡度i表示。坡度i是坡高与相应的水平距离之比，可以用百分率表示。坡度为0.05或5%，表示该坡道每100ｍ的水平距离上升的高度为5m。坡道角与坡度的换算关系为：用上式可作出图1-11所示的坡度与角度的换算图图1-11坡度与角度的换算图sinGFi根据我国的公路路线设计规范，高速公路平原微置区最大纵坡为3％，山岭重丘区为5％；一级汽车专用公路平原微丘区最大坡度为4％，山岭重丘区为6％；—般四级公路平原微丘区为5％，山岭重丘区为9％。所以，—般道路的坡度均较小，此时有：3、道路阻力：由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力，而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Fψ表示，即常将滚动阻力与上坡阻力之和称为道路阻力Fψ式中令ψ=fcosα+sinα称为道路阻力系数，它表示单位车重的道路阻力。当α＜100～150时，cosα≈1,sinα≈tanα≈i,此时Ψ=f+i。(三)、空气阻力1、含义：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与摩擦阻力两部分。1、分类：作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力，称为压力阻力(图1—12)；压力阻力又分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力。1）形状阻力：形状阻力占压力阻力的大部分，与车身主体形状有很大关系，由于车身形状造成前后涡流，前后有压差；它占空气阻力一半以上，大约在55%-60%2）干扰阻力：是车身表面突起物(如后视镜、门把、引水槽、悬架导向杆、驱动轴等)引起的阻力；所占比例大约在12%-18%。3）内循环阻力：发动机冷却系、车身通风等所需空气流经午体内部时构成的阻力，即为内循环阻力；所占比例大约在10%-15%。4）诱导阻力：诱导阻力是空气升力（上、下压差的合力）在水平方向的投影；所占比例大约在5%-8%。摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。它的所占比例大约在8%-10%。书上还给出，—般轿车中，这几部分阻力的大致比例为：形状阻力占58％，干扰阻力占14％，内循环阻力占12％，诱导阻力占7％，摩擦阻力占9％。这也可作为参考，但由于车型形状的不同，其实不同阻力所占比例也不同。shitanGfGF)sincos(图1-13车身表面上的空气法向压力分布3、计算：空气阻力FW的计算，涉及到空气动力学的复杂知识，我们在此不作详细的推导分析，只给出下列计算公式。在此，空气阻力作用的中心，我们称之为风帆中心，它一般不与汽车重心重合，在这儿，近似地认为其力的作用线通过质心。所以，即有：式中：va——空气相对于汽车的速度，当风速为零时为车速（ｋm／h）A——迎面面积（ｍ2）；CD一空气阻力系数。空气阻力与车速的平方成正比。车速增加一倍，空气阻力是原值的四倍；空气阻力所消耗的功率是原值的八倍。高速行驶时，空气阻力消耗了发动机的大部分功率。车速小于３０ｋｍ／ｈ，空气阻力可以忽略不计。”空气阻力与迎面面积成正比。迎面面积是汽车的正投影面积，从图纸上可以计算出来。不能期望过多的减少迎面面积来减少空气阻力，为了保证必须的乘坐空间，Ａ值不能过小。降低空气阻力系数CD是减少空气阻力的主要手段，这要求汽车外形的流线型的CD值在不断地降低，1910年生产的轿车（厢式）CD=0.9-1.0，1970年以后生产的轿车CD=0.30-0.45，在Va值相同的情况下，这使空气阻力减少1/2～2/3，从而大大地减少了燃油消耗。商用汽车中，CD值低的成功设计有：CitroenDS-19，CD=0.311；Audi100-Ⅲ,CD=0.3；富康，CD＝0.31等。汽车拖带全挂车的空气阻力可按主车空气阻力的1.2倍计算；带半挂车按1.15倍计算。（四）、加速阻力1、含义：汽车在滚动阻力系数为f的水平路面上行驶，瞬时速度为va，若FtFf+FW，则具有剩余驱动力[Ft-(Ff+FW)]使汽车产生jm/s2的加速度。按动静法，可以认为，剩余驱动力用来克服加速时的惯性力，汽车加速时的惯性力称为加速阻力。汽车加速阻力分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅平移质量产生惯性力，旋转质量（主要是曲轴、飞轮、离合器总成和所有车轮)也要产生惯性力偶矩。2、计算：为了便于计算，—般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，对于固定传15.212aDwAvCF动比的汽车，常以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数，因而汽车加速时的阻力(N)可写作Fj作用在质心上，其方向与加速度的方向相反。3、汽车旋转质量换算系数δ的计算：δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。式中，Iw为车轮的转动惯量(kg·m2)；If为飞轮的转动惯量(kg·m2)δ也可用以下经验公式计算这里的δ1是考虑曲轴、飞轮、离合器总成旋转质量影响的系数，轿车δ1=0.05～0.07，货车δ1=0.04～0.05，载质量大的汽车取小值。δ2是考虑全部车轮旋转质量影响的系数，若空车重为G0，总重为G，对轿车δ2=０.０５G0／G；货车δ2=０.０７G0/G。汽车列车的总重ＧL大于标准车型的总重G,由于列车化后，平移质量的增加较旋转质量的增加大，故各档旋转质量计算系数均减小，其值用下式不同工况下要求的最低附着系数是不一样的。书上分析了几种情况。可自己看看1.2汽车行驶应满足的条件一、汽车行驶应满足的条件：1、驱动条件：由上节汽车行驶方程式可得：)(jiftjFFFFF22211giLgGGi)(1221要使汽车行驶，则必须0j，即驱动力必须大于滚动阻力、坡度阻力和空气阻力后才能加速行驶。若驱动力小于这三个阻力之和，则汽车无法开动，正在行驶中的汽车将减速直至停车。所以上式为汽车行驶的第一个条件为称为汽车的驱动条件，但还不是汽车行驶的充分条件。2、附着条件：汽车使用中，可以采用增加发动机转矩、加大传动比等措施来增大汽车驱动力。但是这些措施只有在驱动轮与路面不发生滑转现象时才有效，如果驱动轮在路面滑转，则增大驱动力只会使驱动轮加速旋转，地面切向反作用力并不会增加。这种现象表明，汽车行驶除受驱动条件的限制，还要受附着条件的限制。换句话说，地面所给车轮的切向力，不会无限增大，在路面一定车辆一定的条件下，它存在一个最大极限值。地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力，在硬路面上它与驱动轮法向反作用力Fz成正比，常写成应当明确，附着力并不是汽车受到的一个力，只是路面给车轮切向力的极限值。当驱动轮滑转时，汽车不能行驶。式中φ称为附着系数，它是由路面与轮胎决定的。所以地面切向反作用力不能大于附着力，否则将发生驱动轮滑转现象，因此，汽车行驶应满足的第二个条件即附着条件为：FFFfit忽略较小的fiF有：这个条件在即为附着条件。3、驱动附着条件：将上两式连起来写，则有这才是汽车行驶的必要与充分条件，称为汽车行驶的驱动一附着条件。新版书上取消了驱动条件的说法，对于后驱动车直接定义下式为附着条件：并由此推得：iiwftFFFFmjiwftFFFFzxFFFmaxFFtFFFFFtiwf且定义后轮驱动汽车驱动轮的附着率：222ZXFFC所以附着条件变为：对于前轮驱动汽车，其前驱动轮的附着率亦不能大广地面附着系数。可以由发动机、传动系的参数及汽车的行驶工况确定汽车驱动轮的附着率，显然，驱动轮的附着率是表明汽车附着性能的一个重要指标，是汽车驱动轮在不滑转工况下充分发挥驱动力作用所要求的最低地面附着系数。二、汽车的附着力与地面法向反作用力：汽车的附着力决定于附着系数以及地面作用于驱动轮的法向反作用力。1、附着系数：附着系数主要取决于路面性质、状况、轮胎气压和花纹，见表１-４。不同性质的路有不同的附着系数。普通轮胎在水泥路面上φ=0.7～0.8，在结冰路面上φ=0.