汽车理论课件

汽车理论Theoryofautomobile邓亚东武汉理工大学汽车学院AutomotiveSchoolofWUT2010.03绪论本课程是一门应用性理论课，以工程力学为基础，要求学生具有一定的汽车构造和机械基础理论知识。注重理论联系实际，突出基本概念、基本理论，在详细分析各主要使用性能的评价指标、评价方法及其影响因素的同时，还讨论了这些使用性能的试验方法和国家最新制定的试验标准及有关法规。行驶通过性行驶平顺性操纵稳定性制动性燃油经济性动力性汽车使用性能汽车的发展1886,Daimler&Benz,前者发明了化油器，后者发明了二冲程三轮车。1910--FORD的汽车流水作业。第一、二次世界大战，以动力性，可驾驶性为主要目标。60-70年代，石油危机，看重经济性。80-90年代，计算机技术发展，操纵稳定性，平顺性发展。节能、排放、安全是汽车技术永恒的发展主题学习要求联系实际理解基本概念（结构与性能实验）树立“对立统一”思维，分析和处理各项性能矛盾培养计算能力，建立量的概念(作业)参考书：汽车动力学，TheoryofGroundVehicles.黄祖永;FoundamentaleofVehicleDynamics.ThomasD.Gillespie;汽车动力学（德）M米奇克著陈荫三译人民交通出版社1992。闭卷考试第一章汽车动力性第一节汽车动力性评价指标(1)汽车的最高车速uamax(2)汽车的加速时间t(3)汽车能爬上的最大坡度imax第一章汽车动力性riiTFtTgtqη0（式1-3）Ft=ΣF（式1-1）Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(式1-2）第二节汽车的驱动力与行驶阻力一、汽车的驱动力Ｆt图1-1汽车上坡受力图第一章汽车动力性第一章汽车动力性发动机的转速特性：外特性，部分负荷特性，使用外特性传动系的机械效率：机械摩擦与搅油损失车轮半径：自由、静力、滚动、动力半径汽车驱动力图9550nTptqe（式1-4）kktqnananaaT···2210（式1-5）图1-2汽油发动机外特性曲线中的功率与转矩曲线第一章汽车动力性ogaiirnu377.0（式1-6）riiTFtTgtqη0（式1-7）图1-3货车NKR552/555的驱动力图第一章汽车动力性第一章汽车动力性二、汽车行驶阻力ΣF=Ff+Fw+Fi+Fj图1-4弹性车轮在硬路面上的滚动图1-5从动轮在硬路面上滚动时的受力情况1.滚动阻力第一章汽车动力性WfFf（式1-8）表1-1滚动阻力系数f的数值第一章汽车动力性2.空气阻力：压力阻力与摩擦阻力（占9%）压力阻力又分为：形状阻力58%、干扰阻力14%、内循环阻力12%、诱导阻力7%2ru21ρACFDw15.212aDwAuCF（式1-9）本章只讨论无风条件下的汽车运动，则Fw如下式（式1-10）第一章汽车动力性图1-6车身表面上的空气法向压力分布第一章汽车动力性表1-2汽车的空气阻力系数与迎风面积第一章汽车动力性3.坡度阻力图1-7汽车的坡度阻力ααψsincosFGGfFifFαsinGFi（式1-11）（式1-12）第一章汽车动力性dtdumFjδ22022111riiImrImTgfwηδ4.加速阻力图1-8轿车旋转质量换算系数与传动系总传动比igi0的关系（式1-13）（式1-14）第一章汽车动力性dtdumGuACGfriiTaDgtqδααηsin15.21cos2T0Ft=Ff+Fw+Fi+Fj三、汽车行驶方程（式1-15）或（式1-16）dtdumGiuACGfriiTaDgtqδη2T015.21正常道路坡度角不大，上式可写为：(式1-17)第一章汽车动力性第三节汽车的驱动力—行驶阻力平衡图与动力特性图图1-9汽车驱动力-行驶阻力平衡图图1-10汽车的行驶加速度曲线第一章汽车动力性图1-11汽车的爬坡度图)15.21cos(sin2T0aDgtquACGfriiTGαηα（式1-18）GFFFwft)(arcsinα（式1-19）第一章汽车动力性GFFwtgdtduDδψ)(fDgdtduδ汽车动力因数令为汽车的动力因数并以符号D表示，则maxmaxImsincosααfDax222ImImmax11arcsinffDfDaxaxα（式1-20）图1-12汽车动力特性图和利用动力特性来确定汽车的动力性（式1-21）第一章汽车动力性222ZXftFFrTT22ZxFF第四节汽车的驱动与附着条件一、汽车行驶的附着条件由作用在驱动轮上的转矩Tt引起的地面切向反作用不能大于附着力，否则将发生驱动力滑转现象，即对于后轮驱动的汽车（式1-22）上式就是汽车行驶的附着条件。为附着系数。上式可写成（式1-23）第一章汽车动力性22ZxFF2C2C称为后轮驱动汽车驱动轮的附着率，即（式1-24）对于前轮驱动汽车，其前驱动轮的附着率亦不能大于地面附着系数。附着率是指汽车直线行驶状况下，充分发挥驱动力作用时要求的最低附着系数。第一章汽车动力性二、汽车的附着力与地面法向作用力图1-13汽车加速上坡受力图αααcos)()sinhcos(101LrfGFdtduLriiILrILhgGLLbGFZwgfwggZαααcos)()sinhcos(202LrfGFdtduLriiILrILhgGLLaGFZwgfwggZ（式1-25）（式1-26）第一章汽车动力性)sinhcos(1ααLLbGFgZs)sinhcos(2ααLLaGFgZs前、后轮地面法向反作用力由4个部分构成。（1）静态轴荷的法向发作用力dtduLriiIGgLrIGgLhgGFgfwgZd)(01dtduLriiIGgLrIGgLhgGFgfwgZd)(02（2）动态分量（式1-27）（式1-28）（式1-29）（式1-30）第一章汽车动力性2121rLfZwuACFρ（3）空气升力2221rLrZwuACFρ（式1-31）（式1-32）其中，CLf、CLr分别为前后空气升力系数，由试验确定。A为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积。第一章汽车动力性αcosLrfGdtduLhgGFFFgZwZsZ111（4）滚动阻力偶矩产生的部分即式（1-25）中最后一项由于此项甚小，可以忽略不计。汽车前、后轮地面法向作用力，忽略掉旋转质量惯性阻力偶矩与滚动阻力偶矩之后，便简化为：dtduLhgGFFFgZwZsZ222（式1-33）（式1-34）第一章汽车动力性三、作用在驱动轮上的地面切向反作用力图1-14前轮驱动汽车在坡道上加速行驶时，从动轮、驱动轮与车身受力第一章汽车动力性dtdumGFFFwfXαsin21对于前轴驱动的汽车，FX2=Ff2dtdumFFFFiwfX12对于后轴驱动的汽车，FX1=Ff1(式1-35)(式1-36)第一章汽车动力性qLhLaqCg2四、附着率附着率是指汽车在直线行驶状况下，充分发挥驱动力作用时要求的最低附着系数。对于后轮驱动的汽车，其后驱动轮的附着率为：qLhLbqCg1对于前轮驱动的汽车，其前驱动轮的附着率为：（式1-37）（式1-38）第一章汽车动力性(a)(b)图1-15汽车的附着率曲线(a)图1-9和图1-10算例中轿车以Ⅰ、Ⅱ档（全力）加速时相应的附着率(b)图1-9和图1-11算例中轿车以Ⅰ、Ⅱ档（全力）爬坡时相应的附着率第一章汽车动力性(a)(b)图1-16高速行驶时后驱动轮的附着率(a)后轮法向反作用力FZ2与切向反作用力FX2随车速的变化曲线(b)后驱动轮附着率Cφ2随车速变化曲线第一章汽车动力性)36007614036003600(13dtdumuAuCGiuGfuPaaDaaTe第五节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是平衡的。图1-17汽车功率平衡图将汽车行驶方程式两边乘以ua，并经单位换算得汽车功率平衡方程式（式中功率单位为KW）：（式1-39）第一节汽车燃油经济性的评价指标第二章汽车的燃油经济性汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油能使汽车行驶的里程来衡量。图2-1汽车等速百公里燃油消耗量曲线等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷下，以最高档在良好路面等速行驶100km的燃油消耗量。第二章汽车的燃油经济性美国针对轿车制定了“公司平均燃油经济性标准”（简称CAFE）。CAFE是指一个公司全部销售轿车的平均燃油经济性。若不能达到该标准，公司将被处以罚款。图2-2CAFE限值的逐年变动情况第二章汽车的燃油经济性第二节汽车燃油经济性的计算等速百公里燃油消耗量（L/100km）为gupbQas02.1式中，b为燃油消耗率[g/(kw·h)]；ρ为燃油的密度（kg/L）；g为重力加速度（m/s2），汽车的ρg可取为6.69~7.15N/L，柴油的ρg可取为7.79~8.13N/L。图2-3汽油发动机万有特性（式2-1）第二章汽车的燃油经济性等加速行驶燃油消耗量的计算tQQQtnntn)(21)1(每个区间的燃油消耗量为（式2-2）整个加速过程的燃油消耗量为n11QQQQniia（式2-3）加速区间内汽车行驶的距离为dtduuusaaa92.252122（式2-4）整个试验循环的百公里燃油消耗量为100sQQs（式2-5）图2-4等加速燃油消耗量计算第二章汽车的燃油经济性第三节影响汽车燃油经济性的因素一、使用方面1.行驶车速汽车在接近低速的中等车速时燃油消耗量最低，高速时随车速的增加而迅速加大。2.档位的选择档位越高，发动机的负荷率越高，燃油消耗率越低，百公里燃油消耗量就越大。第二章汽车的燃油经济性3.挂车的应用挂车后阻力增加，发动机的负荷率增加，使燃油消耗率下降，汽车的质量利用系数也较大。4.正确的保养与调整发动机：汽缸压缩压力、冷却系工作、供油系良好技术状况、点火系良好技术状况。底盘：传动系总成间隙、前轮定位角、轴距、正常制动间隙、胎压、各部分润滑。二.汽车结构方面1.缩减轿车总尺寸和减轻质量第二章汽车的燃油经济性2.发动机1.提高现有汽油发动机的热效率和机械效率。2.扩大柴油发动机的应用范围（1996年西欧柴油轿车的市场份额已达到21.5%）3.增压化（目前常提供选用的增压汽油机，采用增压的柴油机已很普遍）4.广泛采用电子计算机控制技术（如电控柴油机喷射系统、柴油机的高压共轨系统、可变进气流量控制和可变配气相位控制等。）3.传动系传动系的档位增多后，增加了选用合适档位使发动机处经济工作状况的机会，有利于提高燃油经济性。第二章汽车的燃油经济性把最经济工况（负荷特性的包络线）的转速与负荷（ni，Pi）标在外特性图上，得到A1A2A3曲线。当道路阻力系数为ψ、阻力功率为P’e，只有在转速为n’e和负荷率大约为90%，燃油消耗率最小。图2-5发动机最小燃油消耗率的确定第二章汽车的燃油经济性4.汽车外形与轮胎外形：降低CD值是节约燃油的有效途径。图2-6CD值降低导致的燃油节省程度轮胎：汽车对轮胎提出各种要求如强度、耐磨性及要求它保证动力经济性等各种使用性能。现在公认子午线轮胎的综合性能最好。第二章汽车的燃油经济性第四节新一代高效节能汽车的研究为达到PNGV（新一代汽车合作项目）提出的目标，在技术策略上目前工程技术界较为一致的看法是：采用复合动力的电力驱动装置、制动能耗回收装置和大幅度降低汽车整备质量、滚动阻力系数、空气阻力系数及附属设备能耗等。（FuelCell）电动车才是高效节能汽车的发展方向。第三章汽车动力装置参数选择第一节发动机功率的选择)761403600(13maxmaxaDaTeuACuGfP3maxmaxe14.766.31000aTDaTumACufgmP汽车的比功率1.根据最