汽车理论教案.doc
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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。
⑶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=
FZ2=
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–-FZW1
FZ2=FZS2+-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+
后轮驱动：
FX2=Ff1+FW+Fi+
低挡加速或爬坡时，后轮驱动汽车的后轮附着率：
Cφ2===
令等效坡度q=则Cφ2=
在附着系数为φ的路面上能通过的最大等效坡度为：
q=
低挡加速或爬坡时，前轮驱动汽车的前轮附着率：
Cφ1=
在附着系数为φ的路面上能通过的最大等效坡度为：
q=
对于四轮驱动汽车，定义后轴转矩分配系数为Ψ：
Ψ=则后轴转矩分配系数为（1-Ψ）
Cφ1=Cφ2=
Cφ1>Cφ2时：
q=
Cφ1q=
分析：
①与汽车静止时地面法向反力比较：
FZ1=GFZ2=G
上式中第一项为汽车静止不动时前后轴上的静载荷；第二项为行驶中产生的动载荷。
动载荷的绝对值随坡度、加速度以及速度的增加而增大。
②汽车行驶时：
Z1↘，Z2↗，即：
重量再分配现象。
∴汽车多后轮驱动。
例题：
一全轮驶动的汽车，总重G=30000N，在φ=0.7，f=0.02，α=20°的坡度上行驶，该车可否爬上此坡？
（Me=150Nm，r=0.4m，ig1=6，i0=5，ηt=0.8，sinα=0.34，cosα=0.94，FW≈0，Fj≈0）
解：
先校核附着条件：
FtFt=
=150·6·5·0.8/0.4
=9000N
Fφ=Gcosαφ
=30000·0.94·0.7
=19740N
Ft再校核驱动条件：
Ft≥Ff+FW+FI
Ff+FW+FI=Gcosαφ+Gsinα
=30000·0.94·0.02+3000·0.34
=10764N
Ft综上所述，该车爬不上此坡。
§1—4汽车的驱动力——行驶阻力平衡图与动力特性图
用图解法解行驶方程式：
=Gcosαf++Gsinα+δm
一、驱动力—行驶阻力平衡图：
1、作图：
在Ft—ua图上加上（Ff+FW）--ua图。
2、图解法求解：
⑴最高车速：
uamax
Ft与Ff+FW的交点对应的车速；
⑵以任一车速行驶：
ua
松油门，Ft的部分负荷曲线（虚线）与Ff+FW曲线的交点对应的车速；
⑶爬坡度：
Fj=0
以任一车速行驶时，不松油门，用Ft剩余部分来爬坡。
Fi=Ft-（Ff+FW）
sinα=
α=arcsin
i=tgα
当坡度很小时，i=
档位越低，i越大。
imax——一档;i0max–直接档
⑷加速度：
Fi=0
Fj=Ft-（Ff+FW）
=[Ft–（Ff+Fw）]
∵aj=
∴t==
加速时间t：
即为1/aj—ua图曲线下的面积。
二、动力特性图：
不同汽车，参数不同（G、A、CD等不同），无法在
Ft--ua图上比较动力性。
动力因数，D
——单位车重的驱动力与空气阻力之差。
D=（定义式）
D=f+i+（行驶方程式）
1、作动力特性图：
2、图解法求解：
⑴最高车速：
D与f的交点，D=f
⑵最大爬坡度：
=0，
D=f+ii=D-f
∵一档的D为D1max
∴imax=D1max-f
⑶加速度：
i=0
D=f+
=（D-f）
⑷平均技术速度
直接档的D0max对平均技术速度有很大影响。
（∵汽车常挂直接档行驶，若D0max过小，遇小坡就得减档，影响平均技术速度）
例题：
1、某车总重G=80000N，D1max=0.36。
若改装为总重G‘=90000N后，对D有何影响？
（其它结构不变）
解：
D=
∵Ft-FW不变
∴D1max·G=D‘1max·G‘
0.36×80000=D‘1max×90000
D‘Imax=0.32
2、某车D0max=0.06
⑴若在f=0.02的道路上行驶，用直接档能爬上多大的坡度；
⑵若将上述动力用来加速，δ=1时，可获得多大的加速度？
解：
⑴i=D-f
=0.06-0.02=0.04=4%
⑵=（D-f）
=9.8（0.06-0.02）=0.392m/s2
§1—5汽车的功率平衡
发动机发出的功率Pe
=传动系损失的功率Pt+克服阻力消耗的功率P∑F
一、汽车的功率平衡方程式：
Pe·ηt=Pf+PW+Pi+Pj
Pe=∑Fua/3600
=[Gcosαf++Gsinα+δm]ua/3600
=[+++]
二、功率平衡图：
1、作图：
2、分析：
⑴PemaxI=PemaxII=PemaxIII；
低档——ua小，且变化范围窄，
高档——ua大，且变化范围宽。
⑵最高车速：
uamax
Pe与（Pf+PW）/ηt的交点
⑶任一车速：
ua
抬油门，等速行驶（虚线）
⑷后备功率：
Pe-（Pf+PW）/ηt=ac-bc=ab
反应了汽车的加速、爬坡能力。
（图中ab）
后备功率↗，动力性↗
⑸功率利用率：
实际发出的功率（bc）与可能发出的最大功率（ac）
之比称为功率利用率。
功率利用率↗，油耗Qt↘
第二章汽车的燃油经济性
指汽车以最小的燃油消耗量完成单位运输工作量的能力。
意义：
1、汽车的燃油消耗费用约占汽车运输成本的30%，减小燃油消耗可降低运输成本；
2、 车用燃油是石油产品，而石油是重要的工业原料。
自从1973年发生世界性石油经济危机以来，如何有效地节约燃油，减少燃油消耗，提高汽车的燃油经济性，已成为汽车制造业和汽车使用部门关注的重要问题；
3、 节约燃油的军事意义：
1）可减少军事活动中汽车燃油的总供应量，减少后勤供应工作；
2）可使单车活动半径增大，保证更好完成任务。
§2—1汽车燃油经济性的评价指标
1、单位行驶里程的燃油消耗量， l/100km；↗则经济性↘
美国用MPG（mile/USgal）1USgal=3.785l,1mile=1.61km
2、 单位运输工作量的燃油消耗量，l/100t.km;
3、 按规定的循环工况的燃油消耗量，l/100km。
我国有四工况试验方法和六工况试验方法：
四工况试验方法适用于城市客车、三轴铰接客车、旅行客车；
六工况试验方法适用于长途客车、军车、载货汽车等。
3、 欧洲以l/100km计的1/3混合油耗：
=ECE-R.15循环+90km/h等速+120km/h等速
4、 美国以MPG计的综合燃油经济性：
=
5、 其它：
升/小时（l/h），加仑/小时（GPH）,kg/km（气体）
§2—2汽车燃油经济性的计算
1、 等速行驶工况燃油消耗量的计算：
燃油消耗量Q与行驶时发动机消耗的功率有关。
单位时间内发动机的燃油消耗量为：
（ml/s）
Qt=
其中，Pe—为发动机的输出功率，当汽车等速行驶时：
Pe=[+]
b—发动机燃油消耗率（g/kw.h）（1g=9.8×10-3N）
γ—燃油重度（N/l）
汽油6.96～7.15N/l;柴油7.94～8.13N/l
∴汽车等速行驶100km消耗的燃油量为：
（1m/s=3.6km/h）
Qs=×,l/s×,s
=,l/100km
2、 加速行驶工况燃油消耗量的计算：
加速行驶时，发动机输出功率为：
Pe=[++]
ua每增加1km/h所需时间为：
Δt=,s
从ua1↗ua1+1所需燃油消耗量为：
Q1=（Qt0+Qt1）Δt,ml
从ua1+1↗ua1+2所需燃油消耗量为：
Q2=（Qt1+Qt2）Δt,ml
………………….
从ua1+n-1↗ua1+n所需燃油消耗量为：
Qn=（Qt（n-1）+Qtn）Δt,ml
整个加速过程的燃油消耗量为：
Qa=Q1+Q2+…+Qn,ml
加速区段的行驶距离为：
sa=,m
3、 等减速行驶工况燃油消耗量计算：
等减速行驶时，发动机处于怠速状态。
∵减速时间为：
td=,s
∴油耗为：
Qd=Qi.td,ml（其中Qi为怠速油耗率ml/s）
减速区段的行驶距离为：
sd=,m
4、 怠速停车时的燃油消耗量计算：
设怠速停车时间为ti,s,则怠速燃油消耗量为：
Qi.ti,ml
5、 整个循环工况的百公里燃油消耗量：
Q=×100,l
§2—3汽车等速行驶的燃油经济特性
一、汽车等速行驶的燃油经济特性：
Q==
=[Gf+],l
用Q—ua曲线表示。
讨论：
1）经济车速：
Q最低的车速
2）化油器省油器（加浓装置）工作→Q↗
3）曲线弯度愈小→不同车速下的Q与经济车速下的Q相差愈小→燃油经济性愈好（柴油机的很平）
2、 利用功率平衡图和发动机负荷特性图求燃油经济特性图：
1、 发动机的负荷特性与负荷率：
负荷特性：
发动机在不同转速下，燃油消耗率（b）与负荷（Pe）或负荷率（U）的关系。
常用b—Pe曲线或b—U曲线表示。
负荷率U：
发动机在某一转速下，节流阀部分开启时发出的功率与该转速下节流阀全部开启时的功率之比。
1）当发动机空转时，U=0；
2）节流
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