02第二章 汽车纵向动力学

第二章汽车纵向动力学2.1汽车动力性及评价指标一、汽车的动力性：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。基本概念：动力性的评价指标汽车的驱动力与各种行驶阻力汽车行驶的驱动—附着条件重点内容：驱动力-行驶阻力平衡图分析汽车动力性的方法动力特性图（图解法）功率平衡图二、汽车动力性指标从获取尽可能高的平均速度考虑，动力性指标有：最高车速加速时间最大爬坡度1.最高车速uamax在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度（km/h）。2.加速时间t表示汽车的加速能力。常用：原地起步加速时间：汽车以1档或2档起步，并以最大加速强度换至最高档后达到某一距离（0402.5m或0400m）或车速（096.6km/h或0100km/h）所需要的时间（s）。超车加速时间：用最高档或次高档由某一较低车速（30km/h或40km/h）全力加速至某一高速所需时间（s）。如：部分轿车的原地起步加速过程曲线3.最大爬坡度imax汽车的上坡能力。以1档满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示。是极限爬坡能力。轿车：一般不强调货车：imax=30%（约16.5°）越野汽车：imax=60%有时也以汽车在一定坡道上必须达到的车速来表示爬坡能力。如：美国对轿车爬坡要求，能以104km/h车速通过6%的坡道。2.2汽车行驶驱动力与行驶阻力根据沿行驶方向作用于汽车的各种外力，可以计算汽车的最高车速、加速度、最大爬坡度。由力平衡关系得：Ft=ΣFFt—驱动力；ΣF—行驶阻力之和汽车行驶方程2.2.1、汽车的驱动力1.定义发动机产生的转矩，经传动系至驱动轮，转矩Tt对地面产生圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。2.表达式Ft=Tt/rr—车轮半径驱动轮转矩Tt与发动机转矩Ttq的关系为：故：riiTFtogtqt2.2.2发动机的速度特性发动机的功率Pe、转矩Tqt及燃油消耗率b与曲轴转速n之间的函数关系。用试验曲线或拟合多项式表达。功率曲线为：发动机外特性曲线：发动机节气门置于全开位置发动机部分负荷特性曲线：发动机节气门置于部分开启位置台架试验特性曲线：发动机台架试验时所获得的曲线。使用外特性曲线：带上全部附件时的外特性。与台架试验特性相差5~15%。nnnnnPPppBnApee32max汽油机和柴油机的外特性曲线2.2.3传动系机械效率传动系各部件（变速器、万向节、主减速器）的摩擦导致的功率损失。由试验测得。汽车各部件的传动效率机械变速器的轿车：ηT=0.9~0.92货车、客车：ηT=0.82~0.85eTeTeTPPPPP1变速器传动效率与传递转矩、润滑油温度关系2.2.4汽车的驱动力图发动机外特性确定的是发动机输出转矩和转速关系。经传动系到达车轮后，可表示为驱动力与车速间的关系。由式（1）得各档位的Ft值。发动机转速n与汽车行驶速度ua间的关系单位ua:km/hn:r/minr:mogaiirnu377.02.2.5汽车的行驶阻力汽车行驶时的各种阻力：滚动阻力——以符号Ff表示；空气阻力——以符号Fw表示；坡度阻力——以符号Fi表示；加速阻力——以符号Fj表示；因此汽车行驶的总阻力为：∑F=Ff+Fw+Fi+Fj一、坡度阻力当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力Fi，Fi=Gsinα其中，G—作用于汽车上的重力（N），G=mg，m为汽车质量（kg），g为重力加速度。一般路面上坡度较小，此时Fi=Gsinα≈Gtgα=Gi由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力，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Fψ=Ff+Fi=fGcosα+Gsinα，当α不大时，cosα≈1，sinα≈i，Fψ=Gf+Gi=G(f+i)，令f+i=ψ，ψ称为道路阻力系数Fψ=Gψ。坡度阻力与坡度角度的换算二、加速阻力汽车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部分。把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，并以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量换算系数，因而汽车加速时的阻力:δ——汽车旋转质量换算系数，（δ1）；m——汽车质量，单位为kg；——行驶加速度。jduFmdtdtduδ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。根据推导若不知道准确的If、∑Iw值，也可按下述经验公式估算δ值：δ=1+δ1+δ2i2g式中δ1≈δ2=0.03~0.05。故，汽车的行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj22022111riiImrImTgfw＋2.3汽车行驶的驱动-附着条件与汽车的附着力2.3.1汽车行驶的驱动条件一、驱动条件Ft≥Ff+Fw+Fi上式为汽车的驱动条件，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。汽车行驶除受驱动条件制约外，还受轮胎与地面附着条件的限制。二、汽车行驶的附着条件地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力Fφ，在硬路面上与驱动轮法向反作用力FZ成正比，常写成FXmax=Fφ=FZ·φ其中，FZ—作用于所有驱动轮上的地面法向反作用力；φ—附着系数，由路面和轮胎决定。由作用在驱动轮上的转矩产生的地面切向反作用不能大于附着力，否则会发生驱动轮滑转，即：Ft≤FZ·φ对后轮驱动汽车：FX2/FZ2=Cφ2φ，式中，Cφ2——后轮驱动汽车驱动轮的附着率对前轮驱动汽车，前轮驱动的附着率也不能大于地面附着系数。将驱动条件和附着条件连起来，有：Ff+Fw+Fi≤Ft≤FZ·φ此即汽车行驶的必要与充分条件，称为汽车行驶的驱动-附着条件。2.3.2汽车的附着力汽车的附着力决定于附着系数和地面作用于驱动轮的法向反作用力为了便于分析，将右图数据进行简化计算后得：汽车加速上坡受力图FhFwgzdtdumGLLbGsin1FhFwgzdtdumGLLaGsin1式中，第一项为汽车静止时前、后轴上的静载荷，第二项为汽车在行驶过程中产生的动载荷。动载荷的绝对值随道路坡度与汽车行驶加速度的增加而增大。因此，汽车的附着力与各行驶阻力有如下近似关系：FFdtdumGFfwsin故：FFLhLbGFfgz1FFLhLbGFfgz2因此，对于后轮驱动汽车的附着力为：前轮驱动的汽车的附着力为：hhFggLfbG1hhFggLfaG2对全轮驱动的汽车附着力为：GGFFFcos21不同驱动方式汽车的附着利用率曲线部分汽车的质心位置2.3.3影响附着系数的因素一、路面干燥硬实的混凝土或沥青路面的附着系数较大，路面潮湿时，轮胎与路面间的水起到润滑作用，附着系数降低。路面的情节程度对附着系数也有影响。路面被污物盖住时，附着系数会降低，特别是刚下雨时，附着系数会更低，但经过较长时间雨水冲洗后，附着系数会有所回升。轮胎与各种路面间的摩擦系数二、轮胎轮胎的花纹、结构尺寸、橡胶成分和质量及帘线的材料等对附着系数都有影响。花纹细而浅的轮胎在硬路面上具有好的附着性能；花纹宽而深的轮胎在松软的路面上具有好的附着性能；增大轮胎与地面的接触面能提高附着能力；轮胎气压对附着系数影响也很大；轮胎的磨损也会影响它的附着能力；此外，轮胎胎面的橡胶性质也是影响轮胎附着能力的重要因素。三、车速汽车的行驶速度对附着系数有一定的影响。随着行驶速度的提高，多数情况下附着系数是降低的。但是在结冰的路面上，适当的提高行驶速度，附着系数会略有提高。附着系数与轮胎气压关系1-干混凝土路面2-湿混凝土路面3-软路面4-积雪路面附着系数与车速关系1-干燥路面2-湿路面3-结冰路面2.4汽车的动力性分析2.4.1汽车驱动力—行驶阻力平衡图一、汽车行驶方程式根据上面逐项分析的汽车行驶阻力，可以得到汽车的行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj或：为清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系，一般是将汽车行驶方程式用图解法来进行分析。即在汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也算出并画上，作出汽车驱动力-行驶阻力平衡图，并以此来确定汽车的动力性。dtdumGiuACGfriiTaDTgtq2015.21汽车驱动力-行驶阻力平衡图表征不同车速时驱动力和行驶阻力之间的关系。特征点：最高车速，仅有滚动阻力和空气阻力。小于最高车速时，汽车可用剩余驱动力加速或爬坡。需等速行驶时，发动机可工作在部分负荷特性。1.汽车加速能力的评价在水平良好路面上行驶时能产生的加速度：不易测量。加速时间：用直接档行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或80%umax所需时间。汽车加速度：再利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图可计算出各档节气门全开时的加速度曲线。高档位时的加速度要小些。由加速度图可求得从某一车速u1加速至另一较高车速u2所需的时间。)]([1wftFFFmdtdu因：dt=du/a，故加速时间由积分计算或图解积分求出。用图解积分法时，将a-ua曲线转为1/a-ua曲线，曲线下两个速度区间的面积表示通过此速度区间的加速时间；常将速度区间分为若干间隔，通过确定面积△1、△2…来计算总加速时间。Aduadttuut21102.汽车爬坡能力的确定在良好路面上克服Ff+Fw后用来克服坡度阻力时所能爬上的坡度。此时，du/dt=0，即Fi=Ft-(Ff+Fw)以Gsinα作为坡度阻力，代入表达式，得：利用驱动力-行驶阻力平衡图，可求出汽车能爬上的坡道角。最大爬坡度imax为1档时的最大爬坡度，对货车尤其重要。GFFFwft)(arcsin紧凑型轿车的爬坡度曲线2.4.2、汽车的动力特性动力因数将汽车行驶方程除以汽车重力，定义：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。可以此图分析汽车动力性。如du/dt=0，则D=ψ=f+iD曲线与f曲线间的距离表示汽车的上坡能力。gdtduGfDGFFwtsincos根据最高车速的定义，可知0i0dtdu所以fD显然，f曲线与直接档的uaD~曲线的交点所对应的车速为最高车速评价汽车的加速能力是指汽车在水平良好路面上进行加速行驶，此时，得0dtdugfD则fDgdtdu上式表明，在动力特性图上某车速时，动力因数曲线和滚动阻力系数曲线间距离的倍，就是该车速时所能达到的加速度。fDg2.4.3汽车的功率平衡汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力互相平衡，发动机功率和汽车行驶的阻力功率也总是平衡的。即在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。将汽车行驶方程式两边乘以行驶车速ua，经单位换算整理出汽车功率平衡方程式（单位为kw）汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi、空气阻力功率Pw、加速阻力功率Pj。发动机功率Pe、汽车常遇到的阻力功率与车速的关系曲线——汽车功率平衡图dtdumuAuCGiuGfuPaaDaaTe3600761403600360013wfTPP1阻力功率在低速时为斜直线，高速时斜率变大。5档时发动机功率曲线与阻力功率曲线的交点对应在良好路面上的最高车速。汽车在良好路面上以u等速行驶时，阻力功率为，对应的部分节气门开度的发动机功率曲线为虚线，而发动机能发出的功率为，二者之差可用于加速或爬坡，故称为汽车的后备功率。acbcabbcacPPPwfTe1一般情况下，汽车维持等速行驶所需要的发动机功率不大。当需要爬坡或加速时，加大节气门开度，使汽车发出全部或部分功率。后备功率越大，汽车动力性越好后备功率越大，汽车经济性越差（发动机负荷率低，燃油消耗量高）紧凑型轿车各档位的后备功率2.4.4使用液力变矩器汽车的动力性计算使用自动变速器的汽车，因在发动机后是液力变矩器和动力换档变速器，因此，汽车的动力性计算时，只需将发