汽车理论清华大学余志生第五PPT课件

1、1TtF0Ftrua第二节 汽车的驱动力与行驶阻力一、驱动力Ft驱动力Ft：发动机产生的转矩经传动系传到驱动轮，产生驱动力矩Tt，驱动轮在Tt的作用下给地面作用一圆周力F0，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。第1页/共102页2TtF0Ftrtq g0TtT i iFrrTFttttq g0TTT i iuaTt驱动力矩；Ttq 发动机转矩；第二节 汽车的驱动力与行驶阻力一、驱动力Ftig变速器传动比；i0主减速器传动比；T传动系的机械效率。第2页/共102页3riiTFT0gtqt能否解释为什么汽车低挡的加速能力好于高挡？思考 Ft 与发动机转矩Ttq、变速器传动比 ig、主减速器传动比

2、 i0、传动系的机械效率T 和车轮半径 r 等因素有关。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力由 可知第3页/共102页4 驱动力和车速都与发动机特性有直接关系，可以通过发动机特性曲线找出驱动力与车速之间的关系。发动机uaFt 计算驱动力是为了确定汽车的动力性指标，也即要找出驱动力和车速的关系。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第4页/共102页5发动机的转速特性，即Pe、Ttq、b=f（n）关系曲线。节气门开启程度的不同外特性曲线部分负荷特性曲线思考计算汽车动力性指标时，需要用什么特性曲线？1.发动机的转速特性第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第5页/共102页69550tqenTP 第二节 汽车的驱动力与

3、行驶阻力第6页/共102页7发动机转速特性曲线第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第7页/共102页8第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 带上全部附件设备时的发动机特性曲线，称为使用外特性曲线。一般，使用外特性与外特性相比： 汽油机的最大功率约小15%； 货车柴油机的最大功率约小5%； 轿车与轻型货车柴油机的最大功率约小10%。第8页/共102页9宝来轿车发动机的基本参数如下 ： 水冷，直列四缸，每缸五气门最大功率 110kW/5700 r/min最大转矩 210Nm/17504600 r/min缸径行程 81mm86.4mm压缩比 9.3:1思考 宝来轿车发动机的转矩输出特性是否理想？为什么？ 汽车起

4、步加速时，过早换入高挡（即发动机转速较低时即换入高挡) 是否有利于其加速性？ 发动机最大转矩对应的转速较低好还是较高好？ 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第9页/共102页10inTinTPPP 等速行驶时einPP eTeTeT1PPPPPPT传动系损失的功率。Pin输入传动系的功率；第二节 汽车的驱动力与行驶阻力2.传动系的机械效率T第10页/共102页11转速机械损失液力损失转矩齿轮对数过低，热容量小过高，搅油损失大油面高度温度润滑油品质直接挡T最高T高损失小齿轮对数少T高损失的比重小损失大Ttq大传动系损失的功率PT主要与哪些因素有关？ 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力PT思考第11页/共

5、102页12传动系效率曲线第二节 汽车的驱动力与行驶阻力挡挡11200r/min 21600r/min 31900r/min 42000r/min第12页/共102页13部件名称部件名称T46 挡变速器挡变速器95%辅助变速器（副变速器或分动器）辅助变速器（副变速器或分动器）95%8 挡以上变速器挡以上变速器90%单级减速主减速器单级减速主减速器96%双级减速主减速器双级减速主减速器92%传动轴的万向节传动轴的万向节98%第二节 汽车的驱动力与行驶阻力表1-1 传动系各部件的传动效率第13页/共102页14自由半径：车轮处于无载时的半径。静力半径rs：汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面间的

6、距离。滚动半径rr：车轮几何中心到速度瞬心的距离。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力3.车轮半径第14页/共102页15riiTFT0gtqt0ga377. 0iinru 做出的Ft - ua关系图，即驱动力图。依据下面两式以及发动机外特性曲线第二节 汽车的驱动力与行驶阻力4.汽车的驱动力图第15页/共102页16nminntqnpnmaxn/(rmin-1)800330057006200Ttq/(Nm )142195159143ig1=2.13Ft1/N5438746860895477ua1/(kmh-1 )7.129.250.554.9例：已知奥迪A4轿车发动机的数据（如下表所示），ig1=2

7、.13，i0=6.333，r=0.317m，T=0.90，由和可以对应计算出 1 挡的Ft1和ua1。riiTFT0gtqtag 00.377nrui i第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第16页/共102页17奥迪 A4 轿车驱动力图1a/(km h )u第17页/共102页181 tF2tF3tF4tF5tF第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第18页/共102页19jiwfFFFFF滚动阻力Ff第二节 汽车的驱动力与行驶阻力二、汽车的行驶阻力汽车在行驶过程中将会遇到哪些行驶阻力？如何保证汽车可以加速或爬坡？空气阻力Fw坡度阻力Fi加速阻力Fj汽车行驶总阻力思考第19页/共102页20软路面上硬路面

8、上产生滚动阻力的主要原因轮胎变形轮胎变形和路面变形轮胎变形为什么会产生滚动阻力？轮胎的迟滞损失：轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸载恢复时不能完全收回，一部分能量消耗在轮胎内部摩擦损失上，产生热量，这种损失称为轮胎的迟滞损失。1.滚动阻力Ff第二节 汽车的驱动力与行驶阻力思考第20页/共102页21ua加载变形区卸载变形区n n思考 由轮胎的迟滞损失图看，在轮胎径向变形相同的情况下，地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等？第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第21页/共102页22aun nW dd1pF1XFaun nWp1F1XFaraun nW1pF1XFZFZFOEFCDAhZF1

9、）从动轮受力分析第二节 汽车的驱动力与行驶阻力FZdFZdfTZF第22页/共102页23aFTZff1pTrFraFrTFZf1praf p1FWfWFf1pWfF frTFfff滚动阻力系数第二节 汽车的驱动力与行驶阻力aun nWp1F1XFarZFaun nW1pF1XFfTZF令第23页/共102页24auWp2F2XFZFtTaraFTrFZXt2ftTT rTrTFXft2ftFF 即路面作用于驱动轮的切向力FX2比Ft要小。2）驱动轮受力分析第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第24页/共102页254a4a10100100ufufff ua高 f 大 货车 f=0.0076+0.0

10、00056ua 3）影响Ff的因素第二节 汽车的驱动力与行驶阻力轿车（1）车速 ua第25页/共102页26第二节 汽车的驱动力与行驶阻力zf第26页/共102页27轮胎的两个最重要参数：极限速度和承载量。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力临界车速（最高车速） 当汽车车速超过临界车速时，轮胎会出现驻波现象，其周缘呈明显的波浪状，且轮胎温度快速增加。 后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎。 驻波现象：在高速行驶时，轮胎离开地面后因变形所产生的扭曲并不立即恢复，其残余变形形成了一种波，这就是驻波。此时轮胎周缘不再是圆形，而呈明显的波浪形。轮胎刚离开地面时波的振幅最大，它按指数规律沿轮胎圆周衰减。第27页/

11、共102页28驻波现象（图像）第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第28页/共102页29 子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20%30； 滚动阻力与轮胎的帘线（棉、人造丝、尼龙、钢丝）和橡胶品质有关。（2）轮胎结构第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第29页/共102页30（3）气压第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小，滚动阻力也越小。第30页/共102页31（4）驱动力第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第31页/共102页32为什么驱动力系数很大时为什么驱动力系数很大时，气压越低气压越低 f 越小？越小？Ft胎面滑移Ffpa接地面积胎面滑移滑移引起的Ff思考第二节 汽

12、车的驱动力与行驶阻力第32页/共102页33上高速公路时，轮胎气压应该适当高一些。在松软路面、泥泞路面、雪地行驶时，可适当降低轮胎气压。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 在高速公路上，轮胎变形产生的滚动阻力大还是滑移产生的滚动阻力大？ 胎压高轮胎变形小迟滞损失少Ff小胎压低滑移小Ff小 上高速公路前要检查胎压，在给定的胎压范围内，胎压适当高一些好还是低一些好？思考思考第33页/共102页34路面类型路面类型滚动阻力系数滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面良好的沥青或混凝土路面0.0100.018一般的沥青或混凝土路面一般的沥青或混凝土路面0.0180.020碎石路面碎石路面0.0200.025良好

13、的卵石路面良好的卵石路面0.0250.030坑洼的卵石路面坑洼的卵石路面0.0350.050压紧土路压紧土路干燥的干燥的0.0250.035 雨后的雨后的0.0500.150泥泞土路（雨季或解冻期）泥泞土路（雨季或解冻期）0.1000.250干沙干沙0.1000.300湿沙湿沙0.0600.150结冰路面结冰路面0.0150.030压紧的雪道压紧的雪道0.0300.050第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 由轮胎与土壤之间的粘着性所致（5）路面条件表1-2 滚动阻力系数 f 的数值第34页/共102页35离心力前、后轮产生侧偏力侧偏力沿行驶方向产生分力滚动阻力增加（6）转向第二节 汽车的驱动力与行

14、驶阻力第35页/共102页36（1）压力阻力（占91）汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力称为空气阻力。 作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力。2.空气阻力FW第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第36页/共102页37第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第37页/共102页38取决于车身主体形状。1）形状阻力第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第38页/共102页39后视镜 车身表面的凸起物引起的阻力。 2）干扰阻力第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第39页/共102页40后视镜 后视镜设计也要注重流线形第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第40页/共102页41后视镜 第二节 汽车的驱动力

15、与行驶阻力第41页/共102页42后视镜 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第42页/共102页43门把手 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第43页/共102页44悬架导向杆和传动轴 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第44页/共102页45满足冷却、通风等需要，使空气流经车体内部时构成的阻力。4）诱导阻力空气升力在水平方向的投影。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力3）内循环阻力 由于流经车顶的气流速度大于流经车底的气流速度，使得车底的空气压力大于车顶，从而空气作用在车身上的垂直方向的压力形成压差，这就是空气升力。第45页/共102页46思考夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油？第二节 汽车的驱动力与

16、行驶阻力打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？ 打开天窗换气时，天窗上方的压力低于车内的压力。（2）摩擦阻力（9） 由于空气粘性作用在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。第46页/共102页472rDw21uACF241.2258N sm15.212aDwAuCF CD空气阻力系数；A迎风面积；ur相对速度；空气密度。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力（3）空气阻力FW的计算第47页/共102页48第二节 汽车的驱动力与行驶阻力发动机盖应向前下倾（4）减小CD值要遵循的要点1）车身前部第48页/共102页49第二节 汽车的驱动力与行驶阻力面与面交接处的棱角应为圆柱状。第49页/共102页50

17、过渡不理想第二节 汽车的驱动力与行驶阻力面与面交接处的棱角应为圆柱状。第50页/共102页51第二节 汽车的驱动力与行驶阻力风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。第51页/共102页52第二节 汽车的驱动力与行驶阻力越野车很难做到风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。第52页/共102页53第二节 汽车的驱动力与行驶阻力尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。第53页/共102页54第二节 汽车的驱动力与行驶阻力上掀式前照灯（视频）第54页/共102页55第二节 汽车的驱动力与行驶阻力在保险杠下面，应安装合适的扰流板。第55页/共102页56第二节 汽车的驱动力与行驶阻力车轮盖应与轮胎

18、相平。第56页/共102页57思考：F1方程式赛车为什么不用车轮盖？ 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第57页/共102页58第二节 汽车的驱动力与行驶阻力整个车身应向前倾12。2）整车第58页/共102页59第二节 汽车的驱动力与行驶阻力水平投影应为腰鼓形。第59页/共102页60第二节 汽车的驱动力与行驶阻力后端稍稍收缩，前端呈半圆形。第60页/共102页61第二节 汽车的驱动力与行驶阻力最好采用舱背式或直背式。3）汽车后部第61页/共102页62应安装后扰流板。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第62页/共102页63第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 当车速超过120km/h，尾翼会自动升高16

19、0mm，为车身增加30的下压力；在车速低于80km/h，尾翼又会自动降低。应安装后扰流板。第63页/共102页64第二节 汽车的驱动力与行驶阻力应安装后扰流板。第64页/共102页65第二节 汽车的驱动力与行驶阻力应安装后扰流板。第65页/共102页66第二节 汽车的驱动力与行驶阻力应安装后扰流板。第66页/共102页67第二节 汽车的驱动力与行驶阻力若用折背式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。第67页/共102页68后面应采用鸭尾式结构。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第68页/共102页69第二节 汽车的驱动力与行驶阻力后面应采用鸭尾式结构。第69页/共102页70第二节 汽车的驱

20、动力与行驶阻力 所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。4）车身底部第70页/共102页71第二节 汽车的驱动力与行驶阻力底部比较凌乱第71页/共102页72第二节 汽车的驱动力与行驶阻力底部比较凌乱第72页/共102页73第二节 汽车的驱动力与行驶阻力仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。5）发动机冷却通风系统第73页/共102页74冷却前制动器冷却前制动器冷却发动机和制动器冷却后制动器和润滑系统第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第74页/共102页75冷却发动机和前制动器冷却后制动器为发动机提供充足的空气第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第75页/共102页76什么是

21、超级跑车？ 限量生产、价格高昂、动力强劲（3.5L以上、8缸以上）、起步快（0100km/h时间在5s以内）、技术超群、车身自重轻（采用碳纤维或轻质合金材料）、外观超前等。 形象的描述：外观鲜亮，让人爱得要死；加速时令人皮肤绷紧、汗毛直竖，让人吓得要死；数量奇少，价格奇高，让人想得要死。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力思考：对于轿车和超级跑车，哪种车型的空气阻力系数更大？为什么？第76页/共102页77三种超级跑车兰博基尼法拉利保时捷第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第77页/共102页78答案 由于尾翼的影响、发动机和制动器通风冷却的需要，超级跑车的空气阻力系数一般会大于普通轿车。兰博基尼跑车 在

22、冷却通风口关闭且扰流板摆平时，CD值为0.33；展开时，CD值为0.36。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力思考：对于轿车和超级跑车，哪种车型的空气阻力系数更大？为什么？第78页/共102页79减小CD值要遵循的要点总结如下：第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第79页/共102页80第二节 汽车的驱动力与行驶阻力未来轿车的外形第80页/共102页81第二节 汽车的驱动力与行驶阻力导流板 6）货车和半挂车的空气阻力也很重要，不少货车驾驶室上已装用导流板等装置，以减小空气阻力、节省燃油。第81页/共102页82第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第82页/共102页83车型车型空气阻力系数空气阻力系数CD 帕萨

23、特帕萨特0.28 奥迪奥迪A40.28 现代现代0.29 奔驰奔驰C级级0.26 奔驰奔驰S级级0.27 保时捷保时捷0.31 陆虎览胜陆虎览胜0.38一些常见车型的空气阻力系数第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第83页/共102页84isinFG汽车重力沿坡道的分力。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力3.坡度阻力Fi第84页/共102页85路面路面imax高速公路平原微丘区高速公路平原微丘区3%高速公路山岭重丘区高速公路山岭重丘区5%一级汽车专用公路平原微丘区一级汽车专用公路平原微丘区5%一级汽车专用公路平原重丘区一级汽车专用公路平原重丘区6%四级公路四级公路平原微丘区平原微丘区6%四级公路四级公路

24、平原重丘区平原重丘区9%一般道路的坡度均较小。一些常见路面的坡度第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第85页/共102页86itansinGiGGFtansini第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第86页/共102页87道路阻力cos()FGfGiG fifiFFFsincosGGf第二节 汽车的驱动力与行驶阻力滚动阻力和坡度阻力之和。一般道路 较小， 1， i令f+i= ， 为道路阻力系数FGsin第87页/共102页88平移质量的惯性力 旋转质量的惯性力偶矩第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车加速行驶时，克服其质量加速运动时的惯性力。tumFddj2 2f g 0Tw22111I i iImrmr 旋

25、转质量换算系数IW 车轮转动惯量；If飞轮转动惯量。4.加速阻力第88页/共102页89第二节 汽车的驱动力与行驶阻力挡位不同，值不同第89页/共102页90总质量越小的车，旋转质量换算系数值越大。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力总质量不同，值不同第90页/共102页91tfwijFFFFFcos1 tq g 0T2Dadcossin21.15dT i iC AuGfuGmrt tq g0T2Dad21.15dT i iC AuGfuGimrt sintani 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力三、汽车行驶方程式第91页/共102页9220gf2w2212121ruiiIruImuE汽车受到外力的功

26、率为PuFFFP)(iwf第二节 汽车的驱动力与行驶阻力用功率方程推导和汽车行驶方程式汽车以车速u行驶时的动能为E发动机功率为PeuriiTTP0gtqetqe传动系摩擦阻力的负功率为PruFPrrFr 传动系摩擦力转换到车轮轮缘的阻力。第92页/共102页93加速时飞轮和车轮的受力图第二节 汽车的驱动力与行驶阻力第93页/共102页94ruiiii0g0ge无级变速时tiutuiritddddddgg0eT0geftqtddiitITT如果只考虑飞轮的转动惯量，加速时作用于驱动轮的转矩第二节 汽车的驱动力与行驶阻力0geftqtddiitITT 设传动系无任何摩擦阻力，作用于驱动轮的转矩为tT第94页/共102页95ertttqfg 0Td(1)dTTTTIi it传动系各处摩擦转换到驱动轮处的摩擦阻力转矩为Tr第二节 汽车的驱动力与行驶阻力tiruiiIturiiIri iTrTFdd)1 (dd)1 ()1 (g2Tg20f2T202gfT0gtqrrutiruiiIturiiIriiTPdd)1 (dd)1 ()1 (g2Tg20f2T202gfT0gtqr传