汽车理论教案

5教学内容备注第一章汽车的动力性动力性——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、所能达到的平均技术速度。平均技术速度：是指单位实际行驶时间内的里程。本章思路：从分析汽车行驶时的受力出发，建立行驶方程式，并用图解法求解动力性的评价指标。§1--1汽车动力性的评价指标1、汽车的最高车速：uamax（km/h）（1）满载、水平、良好路面（混凝土或沥青）；（2）最高档、全油门。2、汽车的加速能力：加速时间t（s）（或加速路程）（1）原地起步加速时间：用Ⅰ、Ⅱ档起步，并以最大的加速强度连续换档，换至最高档后至某一预定车速或路程所需的时间。（0↗ua）（2）超车加速时间：用最高、次高档由某一较低车速全力加速至某一更高车速所需的时间。（ua1↗ua2）3、汽车的最大爬坡度：imax（%）（1）满载、良好路面；（2）最低档（Ⅰ档）。△针对不同用途的汽车，侧重于不同的指标：轿车——路况好（uamax）；公共汽车——分段（t）；越野车——坏路、无路（imax）。§1—2汽车的驱动力与行驶阻力汽车的行驶方程式：Ft=ΣF一、汽车的驱动力：1、产生：本章课堂授课共8学时（4次课）。▽1-2h(第一次课开始)□幻灯切换□列表对比介绍不同类型汽车及国内外军用汽车最高车速，给学员以感性认识。□列表对比介绍起步加速时间。□列表对比介绍最大爬坡度。6发动机的Ttq→传动系→车轮Tt→对地面圆周力Fo→地面反作用在轮胎上的Ft2、数值大小：Ft=Ttr=Ttqigi0ηtr3、参数讨论（影响因素）：⑴发动机转矩：Ttq发动机转速特性：发动机油量调节机构位置一定时，发动机的转矩Ttq、功率Pe以及燃油消耗率b随发动机转速n的变化关系。发动机节流阀全开（或高压油泵在最大供油量位置）的转速转速特性为发动机的外特性；发动机节流阀部分开启（或部分供油）的转速转速特性为发动机的部分转速特性。带上全部附件设备（空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等）时的发动机特性——发动机的使用特性。使用外特性功率小于外特性功率。最大功率（汽油机小约15%、货车柴油机小约5%、轿车柴油机小约10%）。为便于计算，常用拟合多项式来描述发动机的转矩外特性：Ttq=a0+a1n+a2n2+…+aknkk=2,3,4,5Ttq是变量（随负荷、转速变化）Ft将随Ttq而变化此多项式的计算机算法：T:=(((a[k].n+a[k-1]).n+a[k-2]).n+…+a[0]即：T:=0；fori:=kdownto0doT:=T.n+a[i];⑵传动系的机械效率：ηtηt=P输出P输入×100%=Pe-PtPe×100%=（1-PtPe）×100%Pt为传动系损失功率，包括：机械损失：磨擦↗←Ttq↗液力损失：搅油↗←n↗①相同档位、相同转矩：n增加，使ηt减小（因为n增加，使搅油损失增加）7②相同档位、相同转速：Ttq增加，使ηt增大（因为Ttq增加，虽然机械损失有所增加，但Pe增加更多，使ηt增大。）③直接档：ηt最大实际上：ηt基本上保持不变，在对汽车进行初步动力性分析时可视为常数。⑶车轮半径：r（m）自由半径r0：静力半径rs：滚动半径rr：rr=S2πNr=0.0254[d2+B(1-λ)]对于低压胎（标记B-d或BRd：单位inch）λ：轮胎径向变形系数（标准胎取0.1～0.16）4、汽车的驱动力图：用Ft—ua图全面表示汽车的驱动力。Ft=Ttqigi0ηtrua=0.377rnigi0分析：⑴Ft与档位的关系：不同档位，Ft的变化范围不同，低档的Ft高；⑵ua与档位的关系：不同档位，ua的变化范围不同，高档的ua高二、汽车的行驶阻力：滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻力汽车的总阻力：∑F=Ff+FI+Fw+Fj（一）滚动阻力：Ff1、力的产生（形成原因）：轮胎（坚硬路面上）、地面（松软路面上）变形过程中，内部分子摩擦而损失的能量。下面分析在硬路面上Ff的产生：△1-2h(第一次课结束)▽3-4h8⑴能量观点（解释现象）：功能原理——弹性迟滞损失。OCA为加载曲线，ADE为卸载曲线。即：曲线OCADEO所围的面积为弹性迟滞损失变形——内部分子摩擦生热——热量散发⑵力学方法（简化问题）：①从动轮：地面法向反力在d点在d‘点→地面法向反力的分布前后不对称→合力FZ1前移一段距离a→为便于受力分析和计算，将FZ1力线后移到与W1重合，则出现滚动阻力偶矩Tf1=FZ1·a欲作等速流动，必须由加于车轮中心的推力Fp1与地面切向反力Fx1构成一力偶矩，来克服滚动阻力偶矩，即Fx1·r=Tf1Fx1=Tf1/r=FZ1·ar令f=a/r，f称为滚动阻力系数，考虑FZ1与W1大小相等∴从动轮上的滚动阻力大小为：Ff1=W1·f②驱动轮：Fx2·r=Tt-FZ2·a∴Fx2=Tt/r-FZ2·ar=Ft-Ff2总的滚动阻力：Ff=Ff1+Ff2=W1f+W2f=G·f在坡度为α的路面上：Ff=Gcosα·f2、f的影响因素：⑴路面种类：路面越松软，f越大（∵路面变形损失能量大）⑵ua：ua↗，f↗①ua140km/h，f变化不大；②ua200km/h，f↗↗，发生驻波现象（∵ua↗，单位时间变形次数↗，局部产生共振，加载变形轮胎来不及卸载回收能量，温度迅速增高，帘布层与胎面脱落，很快爆胎。）⑶轮胎结构：帘布层数越多，内部摩擦损失越大，f越大。⑷轮胎气压：在硬路面上，气压↘，变形↗，弹性迟滞损失↗9（软路面上，变化趋势可能相反）3、f的经验公式：轿车：f=0.014(1+ua2/19440)货车：f=0.0076+0.000056ua（二）空气阻力：Ft——空气对汽车的作用力在行驶方向上的分力1、产生：⑴宏观上，前—压力；后—真空吸力；侧—摩擦。⑵细分：①摩擦阻力(9%)②压力阻力—形状阻力（58%）、干扰阻力(14%)、内循环阻力(12)、诱导阻力(7%)2、计算：Fw=（12ρur2）CDA括号中为动压力Fw=CDAua221.153、影响因素：⑴ua：ua↗，FW↗↗⑵A：A↗，FW↗（受乘坐使用空间限制不可能减小）估算方法：小客车：A=0.94BH载货汽车：A=1.05BH公共汽车：A=1.20BH⑶CD：（取决于车身主体的流线型）①45°倾角档风玻璃与完全园形车头相比，CD基本相同；②K形车与短流线型相比，K形车的CD小；③楔形和负升力翼——减少升力；④导流板、连接软膜——货车、半挂车等。（三）坡度阻力：Fi——汽车重力沿坡道的分力。大小：Fi=G·sinα坡度：i=hs=tgαi较小时，sinα≈tgα=i，则Fi=G·i道路阻力：Fψ=Ff+Fi=G（f+i）=G·ψ10其中，ψ——道路阻力系数。（四）加速阻力：Fj——加速时，需克服其质量加速运动时的惯性力。计算：平移质量→惯性力：mdudt；旋转质量→惯性力偶矩（飞轮、车轮等）。已知汽车加速度为dudt，则飞轮和车轮的惯性阻力偶矩为：车轮：Twj=Iwdωwdt=Iwrdudt飞轮：Tfj=Ifdωedt=Ifd(ωwigi0)dt=Ifigi0rdudt为便于计算，一般把旋转质量的惯性阻力偶矩转化成平移质量的惯性阻力，并以δ作为质量换算系数（δ1）。δ=1+1m∑Iwr2+1mIfig2i02ηtr2经验公式：δ=1+δ1+δ22其中，δ1≈δ2=0.03～0.05则汽车加速时的惯性力为：Fj=δmdudt三、汽车的行驶方程式：进行受力分析：1、从动轮和驱动轮在加速过程中的受力分析：（１）从动轮：Fp1=m1dudt+Fx1Fx1r=Tf1+Iw1dωdt，Ff1=Tf1/r故Fx1=Ff1+Iw1r2dudt从动轴作用于从动轮的水平力为：Fp1=Ff1+(m1+Iw1r2)dudt…………………(1)即推动从动轮前进的力要克服从动轮的滚动阻力和加速阻力。11（２）驱动轮：Fx2=Fp2+m2dudtFx2r+Iw1dωdt+Tf2=Tt’，Ff2=Tf2/r,Ft’=Tt’/rFt’为加速过程中驱动轮上的驱动力（Ft’Ft）,其大小为：Ft’=Fp2+Ff2+(m2+Iw2r2)dudt…………..(2)2、加速时半轴施加于驱动轮的驱动转矩、实际驱动力及飞轮的加速阻力：加速时半轴施加于驱动轮的驱动转矩为：Ｔt’=(Ttq-Tfj)igi0ηt=(Ttq-Ifdωedt)igi0ηtFt’=Tt’/r=(Ttq-Ifigi0rdudt)igi0ηtr…………(3)3、车身（除从动轮、驱动轮外的汽车其余部分）的受力分析：Fp2=Fp1+Fw+mBdudt………………………….(4)其中，mB为除从动轮和驱动轮外的汽车质量：m=m1+m2+mB4、整部汽车的行驶方程式：将(1)Fp1式代入(4)式，再将(3)式Ft’和(4)式Fp2代入(2)式：(Ttq-Ifigi0rdudt)igi0ηtr=Ff1+(m1+Iw1r2)dudt+Fw+mBdudt+Ff2+(m2+Iw2r2)dudt整理得：Ttqigi0ηtr=Ff+Fw+(1+1m∑Iwr2+1mIfig2i02r2)mdudt=Ff+Fw+δmdudt设汽车在坡道上行驶：Ft=Ff+FW+Fi+δmdudtTtqigi0ηtr=Gcosαf+CDAua221.15+Gsinα+δmdudt12§1—3汽车行驶的驱动与附着条件一、汽车行驶的驱动与附着条件：1、驱动条件—首先得有劲δmdudt=Ft–(Ff+FW+Fi)≥0Ft≥Ff+FW+Fi2、附着条件—有劲还得使得上用Fφ表示轮胎切向反力的极限，在硬路面上它与驱动轮所受的法向反力成正比：（φ为附着系数）（1）驱动轮的附着力：前轮驱动汽车：Fφ1=FZ1φ后轮驱动汽车：Fφ2=FZ2φ全轮驱动汽车：Fφ1=FZ1φFφ2=FZ2φ（2）汽车的附着力：前轮驱动汽车：Fφ=FZ1φ后轮驱动汽车：Fφ=FZ2φ全轮驱动汽车：Fφ=FZφ=FZ1φ+FZ1φ对前驱动轮Fx1≤FZ1φ前驱动轮的附着率：Cφ1=FX1FZ1则要求Cφ1≤φ对后驱动轮Fx2≤FZ2φ13后驱动轮的附着率：Cφ2=FX2FZ2则要求Cφ2≤φ∴Ft≤FZ2（f+φ）∵fφ∴Ft≤FZ2φ一般形式Ft≤FZφφ3、驱动与附着条件：Ff+FW+Fi≤Ft≤FZφφ二、汽车的附着力：Fφ1、汽车附着力——在车轮与路面没有相对滑动的情况下，路面对车轮提供的切向反力的极限值。Fφ=FZφφFφ取决于：①在硬路面上——可以是最大的静摩擦力，主要取决于路面与轮胎的性质；②在软路面上——取决于土壤的剪切强度和车轮与土壤的结合强度2、Fφ的影响因素：⑴载重量：增加驱动轮的法向反力X2，有利于驱动。例：越野车由货车的FZ2↗（FZ2+FZ1），使Fφ↗⑵轮胎结构：深大花纹——在松软路面上，使土壤与车轮的结合强度提高；松软路上放气P↘——胎面接地面积大，嵌入土壤的花纹数多，抓地能力强，且沉陷量小，土壤阻力小；⑶附着系数：φ取决于路面种类与状况、轮胎结构（花纹、材料等）及ua等因素。三、驱动轮的法向反作用力——汽车行驶时重量再分配1、根据受力图列方程：将作用在汽车上的各力对前、后轮接地面中心取矩，则得：FZ1=GL(bcosα-hgsinα)–1L(mhgdudt+∑Tj)-FZW1-1L∑Tf14FZ2=GL(acosα+hgsinα)+1L(mhgdudt+∑Tj)-FZW2+1L∑Tf式中，∑Tj=TjW1+TjW2,∑Tf=Tf1+Tf2忽略旋转质量的惯性阻力偶矩和滚动阻力偶矩：FZ1=FZS1–mhgLdudt-FZW1FZ2=FZS2+mhgLdudt-FZW2作用在驱动轮上的地面切向反作用力：前轮驱动：FX1=Ff2+FW+Fi+mdudt后轮驱动：FX2=Ff1+FW+Fi+mdudt低挡加速或爬坡时，后轮驱动汽车的后轮附着率：Cφ2=FX2FZ2=Fi+mdudtFZS2+mhgLdudt=L(i+1gcosαdudt)a+hg(i+1gcosαdudt)令等效坡度q=i+1gcosαdudt则Cφ2=Lqa+hgq在附着