汽车理论教案.docx

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汽车理论教案

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：

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Ft

2、数值大小：

Ft==

3、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+…+aknk

k=2,3,4,5

Ttq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：

ηt

ηt=×100%=×100%=（1-）×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）

2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。

3车轮半径：

r（m）

自由半径r0：

静力半径rs：

滚动半径rr：

rr=

r=0.0254[+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=

ua=0.377

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：

Ff

1、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：

⑴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=Tf1

Fx1=Tf1/r=FZ1·

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·f

2驱动轮：

Fx2·r=Tt-FZ2·a

∴Fx2=Tt/r-FZ2·=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·f

2、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↗

1ua<140km/h，f变化不大；

2ua>200km/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↗

（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=（ρur2）CDA括号中为动压力

Fw=

3、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=1.20BH

⑶CD：

（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==tgα

i较小时，sinα≈tgα=i，则Fi=G·i

道路阻力：

Fψ=Ff+Fi=G（f+i）=G·ψ

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：

m；

旋转质量→惯性力偶矩（飞轮、车轮等）。

已知汽车加速度为，则飞轮和车轮的惯性阻力偶矩为：

车轮：

Twj=Iw=

飞轮：

Tfj=If=If=

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（δ>1）。

δ=1++

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=δm

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=m1+Fx1

　　Fx1　r=Tf1+Iw1，Ff1=Tf1/r

　　故Fx1=Ff1+

　从动轴作用于从动轮的水平力为：

　　　Fp1=Ff1+（m1+）…………………

（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。

（２）驱动轮：

　　　Fx2=Fp2+m2

　　Fx2r+Iw1+Tf2=Tt’，Ff2=Tf2/r,Ft’=Tt’/r

Ft’为加速过程中驱动轮上的驱动力（Ft’

　　　Ft’=Fp2+Ff2+（m2+）…………..

（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-If）igi0ηt

Ft’=Tt’/r=（Ttq-）…………（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+mB………………………….（4）

其中，mB为除从动轮和驱动轮外的汽车质量：

m=m1+m2+mB

4、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-）

=Ff1+（m1+）+Fw+mB+Ff2+（m2+）

整理得：

=Ff+Fw+（1++）m

=Ff+Fw+δm

设汽车在坡道上行驶：

Ft=Ff+FW+Fi+δm

=Gcosαf++Gsinα+δm

§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

δm=Ft–（Ff+FW+Fi）≥0

Ft≥Ff+FW+Fi

2、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=

则要求Cφ1≤φ

对后驱动轮Fx2≤FZ2φ

后驱动轮的附着率：

Cφ2=

则要求Cφ2≤φ

∴Ft≤FZ2（f+φ）∵f<<φ∴Ft≤FZ2φ

一般形式Ft≤FZφφ

3、驱动与附着条件：

Ff+FW+Fi≤Ft≤FZφφ

二、汽车的附着力：

Fφ

1、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=FZφφ

Fφ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、Fφφ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