汽车动力性计算

1、第二章第二章 汽车动力性汽车动力性 汽车行驶时所需要的功率取决于行驶阻力： 当 匀速 加速 2-1 汽车行驶需要的功率和能量 )( a VFPP 驱 )( a VFPP 驱 一、汽车的行驶阻力 1车辆阻力 2空气阻力 3上坡（度）阻力 4加速阻力 1车轮阻力车轮阻力 组成：1）滚动阻力 2）路面阻力 3）轮胎侧偏阻力 1）滚动阻力 a. 变形阻力 b. 摩擦力 1）滚动阻力 a. 变形阻力 b. 摩擦力 a. 变形阻力 轮胎在滚动时，有两种变形： 径向变形 周向变形 轮胎滚动时的滞后损失。 弹性轮胎在硬路面上的滚动实质，如下图 滚动阻力 ： 令 ，即滚动阻力系数. lFM zg lFMrT g

2、d21 r e F r M T Z g az GZF r e f b. 摩擦力 a) 胎面与路面的摩擦 b) 轮胎变形使外胎与内胎，内胎与 垫之间 c) 汽车振动时，钢板间及各活动悬架之间 2）路面阻力 a .柔软路面 b. 积水路面 3) 轮胎侧偏阻力 当Va=40km/h时 变形阻力：9095% 摩擦阻力：210% 影响滚动阻力的因素： 1）车重：转动 轮胎变形 f 2）路面：路面塑性变形大 f 3）轮胎结构：子干胎比普通胎 f 刚度好变形小 4）轮胎气压：气压 变形 f 但坏路f 5）车速： 当Va50km/h fc 当Va100 f Va150200 当Va，振动Hz，轮胎周向，侧向扭

3、曲变形 2空气阻力空气阻力 定义定义：汽车在直线行驶时，空气作用力在行驶方向上的分力。 1）组成组成：空气阻力由表面阻力和压力阻力组成。 表面阻力：空气有粘度 压力阻力：车外形状 诱导阻力：空气升力在水平方向投影 内部阻力：流经散热器，发动机，车箱的阻力 干扰阻力：表面突起物，车门把手，后视镜底盘 其中，压差和诱导阻力： 5090% （干扰在内） 内部阻力： 211% 表面阻力： 330% 2）计算方法：计算方法： 空气对物体的阻力与下列因素有关。 流速 U ： 对汽车来说，相对速度V= VaVf 密度 ： 空气密度，在一定条件下是常数 迎风面积 A ：与车形有关 式中 为无因次的空气阻力系数

4、。 2 0 2 ACF D DC 在一般动力计算中，认为空气阻力作用在风帆中心， N AVC F D W 15.21 2 式中：CD空气阻力系数，实验得出； A迎面面积，汽车在行驶方向的投影，m2 ； V相对速度，km/h。 例： A 典型轿车 1.42.6 0.40.6 货 车 37 0.81.0 大 客 车 47 0.60.7 3）影响空气阻力因素 （1）车速： 与 V2成正比关系，而功率则与V3成正比关系 （2）A： 车型，H为好 （3）表面： 突出物及光洁程度 （4） ： 车身形状（流线型好） DC DC 式中： 坡道角度 对公路来说： i 很小 9% 故 由于坡道阻力及滚动阻力与道路

5、有关，所以通常以道路阻力代表两者之和。 4加速阻力 定义：汽车加速时，需要克服其质量加速时的惯性力。 汽车质量： 平移质量 旋转质量 3坡度阻力：汽车重力沿坡道的分力。 sin GFi tg s h i tgsin gdt Gdv F jt rIF jr / iGGGF fi tgsin 为了便于计算： 把旋转质量惯性力转化为平移质量惯性力，以系数 作为 计入旋转质量后的“汽车质量换算系数”。 即 （N） 其中： 汽车旋转质量换算系数（ 1）； G 汽车质量，Kg； 行驶加速度，m/s2 。 主要与飞轮的转动惯量 车轮的转动惯量 传动系转动惯量 有关 dt dv m g G dt dv F j

6、 . dt dv 2 0 2 iiIm R I 2 0 iI c 忽略传动系： 当进行动力性初步计算时，若不知道准确 ，可按下列经验公式估算： m kmR r iiI mr I m 2 2 0 2 2 11 1 Rm II 、 2 21 1 k i 05. 003. 0 21 二、汽车行驶方程式 根据上述分析， 可得出汽车行驶方程式 或 1. 式中表明了各物理量之间的数量关系，可方便地进行动力分析。 2. 式中某量并不表示汽车外力： 质心的 （总效应） 3. 结论是正确的。 所需要的功率： jift FFFFF dt dv GV AC G r iiM mia D f d Tks 2 0 15.

7、21 ft FF、 dt dv dt dv m m aa a aa VV AC V dt dv mVifGP 2 15.21 .)( 三、循环行驶三、循环行驶 1几种典型的行驶循环 例1：日本1975年排气规定: 10人以下的轿车，25人以下的轻型车,按10工况热循环试验：模拟起步、 停车多的市中心行驶条件， =17.7km/h。 n工况冷循环试验：发动机起动后还未走热，汽车已起程，例如从郊区向 市内行驶， km/h。 2循环行驶的能量 平路无风条件下： 其中，滚动阻力部分消耗: 风阻部分消耗： 加速阻力部分消耗： 以上就是循环行驶中功率和能量的关系。 V 5 .30V t dtPW 0 t

8、aa D dtVV AC dt dv g G fGW 0 2 15.21 . t aR dtVGfW 0 t a D dtV AC Ww 0 3 15.21 t aj dtV dt dv g G W 0 2-2 汽车的驱动系统汽车的驱动系统 一、汽车动力装置的评价与选择一、汽车动力装置的评价与选择 1使用性能：特性曲线、操纵性、起动性 2经济性：燃料消耗、泵位功率的成本 3对环境的影响：排气、噪声、振动 二、活塞式内燃机特性二、活塞式内燃机特性 发动机特性曲线：发动机功率、转矩、 油耗与发动机转速之间的函数关系曲线。 当节流阀全开：发动机外特性曲线 当节流阀部分开：发动机负荷特性曲线 转矩、功

9、率和转速之间的关系式： kw 式中： 发动机转矩，N.m； 发动机转速，r/min。 9549 .nM Pe M n 注意： 1发动机制造厂提供的特性曲线：在试验台上无空 滤、水泵、风扇、消声、发电机等件，若全带上则称 为“使用特性曲线”。 2台架试验是在稳定转速下测定P、M。 实际上，发动机热工况，混合气浓度与台架不同。例 如加速时，M比稳定工况下降58%。 但是1变工况的研究不多见 2数值相差不大 所以，动力性估算中，仍用台架使用外特性。所以，动力性估算中，仍用台架使用外特性。 三、离合器和液力偶合器特性三、离合器和液力偶合器特性 特点： ， 效率： 滑转率： 功率损失： AE MM AE

10、 nn E A EE AA E A n n nM nM P P . . 1 E AE n nn S EE PSP.)1 ( 1机械式离合器机械式离合器 主动片：外特性一点 、 、 、 从动片： ，当 时， ， （ 接合完毕） 2液力偶合器液力偶合器 （主动）泵轮： 其中： 是随涡轮与泵轮转速比变化的系数。 当 一个工作点 当 接合完毕 当 为减少损失 尽量接近 ，一般 c c n c M c P cA MM cA nn0SEA PP 22 PPD KnM K 0/ PT nn M cnn PT / 1/ PT nn0K T n P n PT nn98. 0 四、变速器和液力变扭器特性变速器和液

11、力变扭器特性 驱动轮上理想的扭矩、功率特性。 在整个转速范围内都能使用最大功率。 特点：1）功率曲线平行于 轴 2）扭矩曲线是双曲线 效率： 功率损失： n EE AA E A nM nM P P E P)1 ( 1机械式变速器机械式变速器 固定速比： （ ） 例如：4档变速器 E A A E M M n n i 1 与理想扭矩特性有空隙 a合理选速比 b多设档位 最高档速比最高车速 最低档速比最大驱动扭矩，汽车最低稳定车速 中间速比发动机工作稳定性 a V 即在扭矩曲线 点右边工作 发动机稳定工况条件 dV dm dV dM e max M)( max Mnn 换档时： 相邻两档中，高档在

12、立即换入低档：低档应在 )( max Mn max n 设计时，高档略高于 低档略低于 )( max Mn max n 实际换档，不考虑车速下降 即 令 如上所述 10 1 0 .2.2 k dk k dk ii rn ii rn V k k k k n n i i 11 k k n n q 1 )( max max Mn n q 0 . 25 . 1 max q 速比分配方法：速比分配方法： 1等比级数分配等比级数分配 车速与档位关系： 速比等比级数分配图如右： cq 3 4 2 321 .qiqiqii k d K ii nr U 0 .2 例题例题 已知：CA10B 一档 四档 求： 按

13、等比级数分配的 、 解： 故 24.6 1 i 1 4 i 2 i 3 i q i i i i i i 4 3 3 2 2 1 1 4 i 321 iii 2 32 ii 3 31 ii 3 13 ii 1 i 3 2 12 ii 3 13 ii 1 4 i 2）渐近式速比分配渐近式速比分配 现代轿车使用车速范围大，多采用渐进式速比分配。 以4档变速为例： ； ； ； 高速间速比值小于低挡间速比比值。 cq 0 21 4 3 qq i i 1 21 3 2 qq i i 2 21 2 1 qq i i 2 . 11 . 1 2 q 从下图中可看出 在高档 特性场中空隙低档比高档大 2液力变矩器

14、液力变矩器 “自学” V 2-3 动力性分析动力性分析 一、驱动力一、驱动力行驶阻力平衡图、动力特性图、功率平衡图行驶阻力平衡图、动力特性图、功率平衡图 * 汽车行驶方程式： a）车速 km/h 式中： 车轮滚动半径，m； 发动机转速，r/min。 b）半径 自由半径轮胎自由状态下的半径。 滚动半径=滚动圆周/ 动态半径：受扭矩时的 m 式中： 轮辋直径，in； 轮胎宽度，in； 径向变形系数：0.10.16。 jwift FFFFF dt dV mV AC iGfG r niiM a a d mks . 45.21 . . 200 0 377.0 ii nr V k a r n 95. 0:

15、 97. 0: 2 自由半径普通 自由半径子午 )1.( 2 0254.0b d rd b d c）传动效率 功率损失： 机械损失 液力损失 由实验得到 1驱动力车速图： 各档驱动力与车速的关系。 驱动力行驶阻力图： 在上图上再画上行驶阻力曲线。 2动力特性图：动力因数车速关系曲线 物理意义物理意义：单位车重所具有的后备驱动力， 标志着汽车克服 、 、 能力， 可用于比较不同重量、不同空气阻力的汽车。 e T e Te m P P P PP 1 m G FF D wt f F i F j F 3功率平衡图：驱动功率、行驶阻力功率与车速的关系。 kw mst PP 9549 nM Ps 二、分析

16、驱动平衡图可方便、形象地确定汽车最高车速、二、分析驱动平衡图可方便、形象地确定汽车最高车速、 加速性能和爬坡能力加速性能和爬坡能力 1最高车速最高车速 驱动力曲线与总阻力曲线的交点 wift FFFF 2汽车的爬坡能力汽车的爬坡能力 汽车爬坡能力指在良好路面上， 克服之后，剩余驱动 力全部用来爬坡所能爬上的坡度。 wf FF 0 dt dv )( wfti FFFF)(sin wft FFFG G FFF wft )( sin max cosfD 3汽车的加速能力汽车的加速能力 当 可知，可求出 ，作出 图。 由于 需用仪器测定，一般常用加速时间评价汽车加速性能。 例如：最高档加速性能 15k

17、m/h 0.8 当从 但 与 的关系式不易确定，所以一般用图解法. g fD g G FFF dt dv wft )( j Vj j max V dt dv j 1 V 2 V tV V dv j dtT 0 2 1 1 j 1 dv 一、汽车行驶的驱动一、汽车行驶的驱动附着条件附着条件 才能加速行驶 1、驱动条件第一条件 2、附着条件第二条件 附着力地面对轮胎切向反作用力极限值。 在硬路面上 其中 为附着系数。 对于后轮驱动的汽车： 又 （附着条件） 综合上述，汽车驱动附着条件： 2-4 行驶附着条件行驶附着条件 )(. iwft fFFF dt dv m iwft FFFF . maxZX

18、 FFF 22 Z ft X F MM F)( 2 fFF Zt 0f 2 Zt FF Ztwif FFFFF 二、车轮法向反作用力二、车轮法向反作用力 汽车的附着力取决于法向反作用力 和附着系数，其中附着系数在第四章 介绍这里仅介绍车轮法向反作用力。 1.静态法向反力 前轴： 后轴： 2惯性力引起的法向反力 前轴： 后轴： L L GFZ 2 10 L L GFZ 1 20 l h dt dv mF dZ 1 l h dt dv mF dZ 2 0 21 dZdZ FF 3空气阻力引起的法向反力 前轴： 后轴： 4升力引起的法向反力 前轴： 后轴： 其中 、 为前后轴升力。 综合上述，汽车行驶前后轴的反力 分别为： L h FF w wwZ 1 L h FF w wwZ 2 ssZ FF 11 ssZ FF 22 s F 1s F 2 s w