第二章 汽车使用性能改进.ppt

第二章 汽车使用性能,学习内容： 汽车动力性 汽车燃油经济性 汽车制动性 汽车操纵稳定性 汽车行驶平顺性 汽车通过性,§2-1 汽车动力性,汽车的动力性,良好的路面,直线行驶,平均行驶速度,运输效率等,最基本的性能,纵向受力,行驶方程式,动力性评价指标,汽车动力性：是指汽车以最大可能的平均行驶速度运送货物或 乘客的能力。,一、 汽车动力性评价指标,汽车动力性指标的要素,汽车的最大坡度,汽车的最高车速,汽车的加速时间,汽车最高车速,汽车最高车速Vmax：是指汽车在水平的良好路面（混凝土和 沥青）上满载行驶所能达到的最高行驶速度。 随着汽车工业的快速发展，汽车的最高车速有提高的趋势。 轿车常行驶于良好的路面，追求高的动力性，因此轿车的最高 车速Vmax较高，其范围在140300 kmh，我国中级轿车的最 高车速约为170230kmh。下表列出了几种轿车的最高车速。,最高车速,汽车加速时间,加速时间：通常用满载时的原地起步加速时间和超车加速时间来表示汽 车的加速能力，单位为s。 原地起步加速时间是指汽车由档或档起步，并以最大的加速强度， 选择恰当的换档时机逐步换至最高档后到某一预定距离或车速所需的时 间。一般常用0100 kmh的秒数来表明汽车的原地起步加速能力。其加速 时间越短，则表示加速性能越好。轿车对原地起步加速时间特别重视，其加 速时间短。 超车加速时间是指用最高档或次高档由30km/h或40km/h全力加速行驶至 某一高速所需的时间。这个时间越短，则表示加速性能越好，超车能力越 强，超车时两车并行的行程较短，行驶安全性较高。,加速时间,汽车最大爬坡度imax,最大爬坡度：是指汽车在良好的路面上满载等速行驶所能通 过的最大坡度，显然它就是汽车最低档时的最大爬坡度。 汽车的上坡能力用汽车的最大爬坡度imax来表示。由于货车在 各种路面上行驶，故要求具有较高的爬坡能力，一般货车的imax 在30%左右。 越野车由于在差路或无路条件下行驶，故应有更高的爬坡能 力，通常越野车的最大爬坡度在60%左右。 轿车通常在较好路面行驶，一般不强调其爬坡能力，但由于 轿车档的加速能力大，故轿车的爬坡能力也强。,二、汽车动力性分析,1. 汽车驱动力及计算,2. 汽车行驶阻力及计算,汽车的行驶阻力,滚动阻力,滚动阻力产生的原因 车轮滚动时的能量损失是产生滚动阻力的根本原因 车轮变形； 路面变形； 汽车振动； 悬架减振。 摩擦阻力 轮胎与地面存在纵向、横向局部滑移； 轮胎变形使外胎与内胎，内胎与胎垫之间摩擦； 汽车振动时，钢板间及各活动悬架之间摩擦。,滚动阻力,滚动阻力 式中f称为滚动阻力系数。 f的物理意义是：单位汽车重力所需之推力。 汽车的滚动阻力Ff= Ff1 Ff2=Gfcos,等速行驶,空气阻力,空气阻力 定义：空气作用在汽车行驶方向上的分力。,空气阻力,空气阻力组成,汽车行驶,空气作用,空气阻力,压力阻力 （法向力）,摩擦阻力 （切向力）,形状阻力,内循环阻力,诱导阻力,干挠阻力,空气阻力计算,在一般动力计算中，认为空气阻力作用在风帆中心,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 1.72.1 0.30.41 货 车 37 0.81.0 大 客 车 47 0.50.8,坡度阻力,坡度阻力定义,汽车上坡行驶,汽车重力沿坡道的分力,坡度阻力,加速阻力,加速阻力定义：汽车加速时，需要克服其质量加速运动时的惯性力。,汽车加速行驶,克服加速运动的惯性力,加速阻力,汽车质量,平移质量,旋转质量,平移惯性力,惯性力偶矩,汽 车 加 速 行 驶,汽车旋转质量 换算系数,加速阻力,加速阻力计算,为便于计算，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旋转质量换算系数。即： 其中： 汽车旋转质量换算系数（ 1）； m 汽车质量，Kg； 行驶加速度，m/s2 。 的物理意义：将旋转质量的惯性力偶矩等效地叠加到平移质量惯性力上时，平移质量惯性力应扩大的倍数。 主要与飞轮的转动惯量If、车轮的转动惯量Iw 和传动系传动比有关。,（N）,3. 汽车行驶方程式,汽车行驶方程式,汽车行驶方程式有关说明 汽车行驶方程式表明了各物理量之间的数量关系，可方便地进行动力分析。 汽车行驶方程式中某量并不表示汽车外力，如Ft、Ff、Fj等。 汽车行驶方程式中的结论总是正确的。,三、汽车动力性分析,1. 汽车的驱动力平衡 汽车驱动力平衡是指汽车行驶时驱动力恒等于行驶阻力。,汽车的驱动力平衡,汽车驱动力行驶阻力平衡图,2. 汽车的动力特性,动力因数 D 的物理意义 D表示单位车重所具有的剩余驱动力，标志着汽车克服 的能力，可用于比较不同质量、不同空气阻力的汽车。 结论： D越大，则汽车动力性越好。,§2-2 汽车燃油经济性,燃油经济性,尽量少的燃油消耗,一定的动力性条件下,燃油经济性好,降低汽车的使用费用,减少进口的石油量,节约资源,降低CO等的排放,汽车燃油经济性是指汽车以最少的燃油消耗完成单位运输工作量的能力,检测,燃油消耗,评价,一、汽车燃油经济性评价指标,1单位行程的燃油消耗量 单位行程的燃油消耗量常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗 升数（L/100km）来表示。 它可用来评价相同容载量汽车的燃油经济性，也可用于分析不同部件(如 发动机、传动系等)装在同一种汽车上对汽车燃油经济性的影响，其数值越 小，则汽车的燃油经济性就越好。 我国及欧洲一般采用L/100km数作为汽车燃油经济性的评价指标。 在美国、英国等一些国家则用汽车消耗的单位燃油量所经过的行程作为 汽车燃油经济性的评价指标，单位是MPG或mile/USgal，即每消耗1加仑的 燃油汽车行驶的英里数。相同容量的汽车，MPG数值越大，其燃油经济性越 好。这种评价指标其实质与上述的单位行程的燃油消耗量评价指标是一样 的。,汽车燃油经济性评价指标,等速行驶百公里油耗 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷 下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量，一般是汽车 等速行驶一定的里程折算成100km的燃油消耗升数（L/100km）。在汽车使 用说明书上也用等速百公里油耗来评价汽车的燃油经济性，下表为几种车 型的等速百公里油耗。,几种车型的90km/h等速百公里油耗,汽车燃油经济性评价指标,循环工况百公里油耗 循环工况百公里油耗是按规定的循环行驶试验工况来模拟汽车的实际 运行工况，折算成100km的燃油消耗量。所模拟的运行工况主要有换 档、怠速、加速、减速、等速、离合器脱开等的车速时间规范。 我国乘用车采用十五工况循环，城市客车和双层客车（包括城市铰接式 客车）采用四工况循环，货车采用六工况循环等。 循环工况百公里油耗是一项综合性评价指标，能实际反映汽车的运行工 况，可全面评价汽车的燃油经济性。,汽车燃料经济性评价指标,2单位运输工作的燃料消耗量 单位运输工作量的燃油消耗量是指汽车完成每百吨公里或 千人公里运输工作量时的燃油消耗升数，单位为L/（ht·km） 或L/（kp·km）。 它可用于评价不同容载量汽车的燃油经济性，是运输效率的 指标之一，其数值越小，则汽车的燃油经济性就越好。汽车运 输企业常用单位运输工作量的燃油消耗量来评价企业运输车辆 的燃油经济性。,二、 汽车燃油经济特性,1汽车燃油消耗方程式 汽车燃油消耗方程式方程式是对汽车燃油经济性的全面表述，对研 究汽车单位行程燃油消耗具有指导意义。但在具体运用时，由于ge及 T随发动机负荷呈复杂形式的变化，而且汽车的燃油经济性还与交通 情况（人、车流密度）、周围环境（如气候等）有关，故用燃油消耗方 程式确定油消常感不便。所以汽车的燃油消耗量多用试验方法测定。,2. 汽车燃油经济特性,一般规律,汽车在一定道路条件下行驶时，有一经济车速,汽车燃油经济特性,汽车在不同路面行驶的燃油经济特性,道路阻力系数越大，汽车消耗在滚动阻力和坡度阻力上 的能量就越大，汽车的百公里油耗就越大。,等速百公里油耗特性,汽车以不同档位行驶的燃油经济特性,汽车在良好的水平路面以不同档位行驶时，在相同的车速下， 档位越高，汽车的百公里油耗就越小，汽车的燃油经济性就 越好。因此，在良好的路面上应尽量使用高档位行车。,三、提高燃油经济性的主要措施,1. 政策性措施 2. 汽车结构方面 发动机 发动机类型 柴油机的有效耗油率比汽油机低20 %左右，故柴油汽车的燃油经济性比较好。 发动机结构 在发动机的种类确定后，发动机的结构就决定了发动机的油耗。 发动机功率 发动机功率越大，汽车的动力性通常越好，但汽车的燃油经济性往往会 越差。,汽车结构方面,传动系 传动系效率 传动系效率越高，则损失于传动系统的能量越少，燃油经济性越好。 机械式变速器的传动效率比液力自动变速器的效率高，因此具有自动变 速器的汽车其油耗相对较高。 超速档 变速器设置超速档的主要目的是为了节油，所以超速档又称经济档。很多轿车设置两个超速档。试验表明：在良好路面上使用超速档能节油5%。 变速器档数 变速器档数越多，给汽车行驶提供了更多的档位选择机会，在同一汽车 行驶速度下，增加了发动机在低燃油消耗区工作的可能性，有利于提高 汽车的燃油经济性。,汽车结构方面,汽车整备质量 在汽车最大总质量相同的情况下，汽车的整备质量越小，相同运程的货运量就越大，单位货运量（货物周转量）的油耗就越少。因此，在汽车上广泛采用轻质材料，改进汽车结构，优化汽车设计，减少汽车整备质量。 轮胎 轮胎的种类、结构、气压对滚动阻力影响很大。采用子午线轮胎，改善轮胎的结构，选择合适的轮胎气压，可以减少汽车的油耗。大力发展子午线轮胎，实现子午线轮胎化是当前我国节油的有效途径。,汽车结构方面,空气阻力系数 空气阻力系数越大，汽车高速行驶时的空气阻力越大，消耗的能量就越多，汽车的燃油消耗就越多。改善车身的外形，优化车身的设计，减小空气阻力系数，可使燃油消耗下降，减小空气阻力系数CD的措施如下。,减少空气阻力系数CD的措施,车身前部：,发动机盖应向前下倾；面与面交接处的棱角应为圆柱状；挡风玻璃应尽可能“躺平”且与车顶圆滑过渡；前支柱应圆滑，侧窗应与车身相平；尽量减少灯、后视镜等凸出物，凸出物形状应接近流线型。,若用折背式，则行李箱盖板至 地面距离应高些，长度要短些，后面应有鸭尾式结构。,减少空气阻力系数CD的措施,汽车后部：,最好采用舱背式,或直背式；,舱背式车身,舱背式车身: 后窗玻璃与水平线呈25°50°角的车身， 称为舱背式车身。大于50°角的车身，称为方背式车身。,舱背式,直背式车身,直背式车身：后窗玻璃与水平线夹角25°的车身，称为直 背式车身或快背式车身。,直背式,流线形较好的汽车后部,克莱斯勒交叉火力,雷克萨斯,兰博基尼,减少空气阻力系数CD的措施,所有零部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。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。 整车：整个车身应向前12°，如下图；水平投影应为“腰鼓”形，后端稍稍收缩，前端呈半圆形。,车身底部：,玛莎拉蒂,减少空气阻力系数CD的措施,发动机冷却进风系统：仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱，精心设计的内部风道。 目前，有的车身CD值已达0.2，如克莱斯勒公司产的下列轿车。其车身的前发动机罩、后行李箱盖与车厢平顺圆滑地相连，总体造型浑然一体。,CD=0.2,3. 汽车使用方面,汽车的技术状况 汽车的驾驶水平 道路条件 气候条件,§2-3 汽车制动性,汽车的制动性,短距离内停车,维持行驶方向的稳定性,下长坡,维持一定的车速,汽车制动性：是指汽车行驶时，能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速，以及保证汽车长时间停驻坡道的能力。,一、制动性评价指标,制动性的 评价指标,制动时汽车的方向稳定性,制动效能的恒定性,制动效能,制动减速度,制动距离,抗热衰退性能,失去转向能力,侧滑,跑偏,抗水衰退性能,制动力,二、汽车制动性分析,1. 汽车制动状态 制动时车轮的受力,地面制动力,制动时车轮的受力分析,制动摩擦片与制动盘 之间的摩擦力,轮胎与地面 之间的附着力,汽车制动状态,制动器制动力,制动器制动力,克服制动器 摩擦力矩,汽车制动状态,地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系,汽车制动状态,制动时车轮的运动,制动时车轮的运动,单纯的滚动,边滚边滑,抱死拖滑,没有制动力时的滚动半径,汽车制动状态,滑移率,单纯的滚动,边滚边滑,抱死拖滑,汽车制动状态,汽车最佳制动状态 硬路面上附着系数与滑移率变化规律,汽车制动状态,汽车最佳制动状态,车轮抱死状态 附着系数小 侧向附着系数为0 轮胎磨损严重,车轮滑移率20%左右状态 附着系数最大 侧向附着系数较大 轮胎磨损较小,最佳制动状态 制动时，各车轮滑移率控制在 20%左右，其制动距离最短， 方向稳定性最好，轮胎磨损较少,为什么要配置ABS呢？,2. 制动方向稳定性分析,方向稳定性含义,制动过程,制动跑偏,制动侧滑,前轮失去转向能力,制动时的 方向稳定性,向左、向右 偏驶,一轴或两轴 横向移动,不能按照 给定方向行驶,制动方向稳定性分析,制动跑偏 定义 制动时汽车自动向左 或向右偏驶的现象称 为制动跑偏。,主要原因 左、右车轮，特别是转 向轴的左、右车轮制动 器制动力不相等。,制动方向稳定性分析,制动侧滑 定义 制动时汽车某一轴车轮或两轴车轮发生横向滑动的现象称为制动侧滑。 制动侧滑原因 车轮抱死拖滑使其丧失抵抗侧向力的能力。 侧向力作用是侧滑的根源。 较高的制动初始速度为侧滑提供了有利条件。 轮胎与路面的附着系数小为侧滑提供了可靠条件。 制动跑偏可加剧侧滑，它为侧滑提供了较大的侧向力。,制动方向稳定性分析,单轴制动侧滑分析 前轴侧滑 Fj的作用效果将 减少或阻止前轴的侧 滑。前轴侧滑对汽车 前进方向的改变不大， 汽车处于一种稳定状 态。,A,B,C,O,前轴侧滑受力图,制动方向稳定性分析,后轴侧滑 Fj的作用效果将 加剧后轴的侧滑。因 此，后轴侧滑是一种 不稳定的、危险的工 况，它严重威协行车 安全。,A,B,C,O,后轴侧滑受力图,制动方向稳定性分析,失去转向能力 定义 弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出，而直线行驶制动时虽然转动转向盘但汽车仍按直线方向行驶的现象称为失去转向能力。 原因 汽车失去转向能力通常是前轮制动抱死而不能承受侧向力引起的。,1. 制动防抱死系统基本概念 什么是ABS ABS是制动防抱死系统（AntiLock Brake System）的简 称。它是在普通制动系统的基础上增加的控制装置，现代汽车普遍采用电子控制防抱死系统。 为何装ABS 车轮制动抱死后，制动效果变差，制动距离增长，抵抗侧滑能力减弱，轮胎磨损严重，装ABS后，可克服上述缺点，避免车轮在路面上进行纯滑移，提高汽车在制动过程中的效能和汽车制动时的方向稳定性。,三、汽车电子控制防抱死系统,2. ABS的功用,ABS的功用,缩短制动距离,改善制动过程的方向稳定性,保持制动过程的操纵稳定性,减轻驾驶员的紧张程度,延长轮胎的使用寿命,ABS基本组成示意图 1车轮转速传感器；2ABS压力调节器；3ABS ECU；4制动总泵,3.电子控制ABS的基本组成 ABS主要由车轮转速传感器、ABS压力调节器和ABS电控单元 （即ABS ECU）等组成，如图所示。,4.ABS的工作原理,一、汽车操纵稳定性基本概念 汽车操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶者转向指令的能力。 汽车稳定性是指汽车抵抗外界干扰而保持稳定行驶的能力，或 汽车受到外界扰动后恢复原来运动状态的能力。 汽车的操纵稳定性包括操纵性和稳定性。通常，汽车操纵性和 稳定性两者关系密切， 若汽车操纵性变坏， 则汽车容易产生侧 滑、翻车而失去稳定性；而汽车稳定性变坏，则汽车又难以操纵 直接影响操纵性。实际上两者难以截然分开，因此，常统称为汽 车的操纵稳定性。,§2-4 汽车的操纵稳定性,1轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩 与侧偏角的关系，它是研究汽车操纵稳定性的 理论基础和出发点。 （1）轮胎的侧偏现象 （2）轮胎的侧偏角 （3）轮胎的侧偏特性 Fy=,二、汽车稳态转向特性,（1）汽车转向运动学 1）刚性车轮转向几何关系 R0=L/,刚性车轮转向简图,2汽车的稳态转向特性,2）弹性车轮转向几何关系 R=L/-（12）,弹性车轮转向简图,它是指转向工况不随时间而变的汽车行驶状况。当前轮突然 转过角时，经过短暂的时间，汽车通常会出现不随时间而变的 稳态响应，表现为汽车沿某一转向半径作等速圆周运动。此时， 前后车轮在离心力作用下，产生侧偏现象，其转向半径不仅与前 轮转角有关，还与1、2有关。若将弹性车轮的转向半径与刚 性车轮转向半径比较，可将汽车的转向特性分为不足转向特性、 中性转向特性和过多转向特性。 1）若1= 2 ，则R=R0，称汽车具有中性转向特性。 2）若12 ，则RR0，称汽车具有不足转向特性。 3）若12，则R R0，称汽车具有过多转向特性。 由于不足转向特性汽车具有良好的操纵稳定性，所以现代 汽车都采用不足转向特性。,（2）汽车的稳态转向特性,现代汽车设计成不足转向特性的原因,分析： （1）中性转向汽车直行抗干扰能力,（2）不足转向汽车直行抗干扰能力 （3）过多转向,汽车稳态转向特性测定,§2-5 汽车行驶的平顺性,汽车行驶平顺性是指汽车在行驶 过程中，能保证乘员在所处的振动 环境里具有一定的舒适度，以及保 持所运货物完整无损的性能。它又 称为乘座舒适性。 一、汽车行驶时的振动 路面的不平与冲击 汽车转动件的不平衡 发动机不平稳运转,弹性元件,减振器,车架,车轴,二、人体对振动的反应,振动的反应过程 振动的最敏感频率范围 上下振动：412.5 Hz 水平振动：0.52Hz 内脏器官产生共振频率范围：812.5 Hz 脊椎系统影响很大的频率范围：812.5 Hz 振动的评价 客观评价、感觉评价；加速度均方根值；暴露极限、 疲劳工效降低界限、舒适降低界限,三、改善汽车平顺性的途径,1汽车结构方面 （1）悬架结构 （2）悬架阻尼 （3）轮胎 （4）座椅 （5）非悬架质量 2汽车使用方面 车速 、悬架系统的维护、车轮动平衡 3汽车道路方面 道路级别、路面质量,§2-6 汽车通过性,汽车通过性是指汽车在一定的装载质量下，能以足够高的 平均速度通过各种坏路及无路地带和克服各种障碍的能力。如 通过松软地面（土壤、沙漠、雪地、沼泽）、坎坷不平地段和 各种障碍（陡坡、侧坡、壕沟、台阶、水障）等。 一、通过性几何参数 通过性的几何参数是指与防止汽车被顶起失效、触头失效 与托尾失效有关的汽车本身的几何参数，它反映了汽车通过高 低不平地段和越过障碍物的能力。 通过性的几何参数主要有：最小离地间隙、接近角、离去 角、纵向通过半径和横向通过半径等。,1最小离地间隙 2接近角和离去角 3纵向通过半径和横向通过半径 4最小转弯直径和内轮差 汽车在转向过程中，转向盘向左或向右转到极限位置时，前 外轮印迹中心在其支承面上的轨迹圆直径中的较大者，称为汽车 的最小转弯直径；内轮差是指前内轮轨迹圆与后内轮轨迹圆的半 径之差。,二、汽车通过性牵引支承参数,牵引支承通过性反映汽车通过松软土壤、 沙漠、雪地、冰面、沼泽等地面的能力。牵 引支承通过性参数主要有：附着质量系数和 车轮接地比压。,在松软路面行驶的汽车，应满足的附着条件为： 设汽车总质量为m，汽车驱动轴载质量即附着质量为 则有： 令 则称 为附着质量系数，于是有： 显然，附着质量系数越大，则汽车的附着条件越好，汽车 克服道路阻力的能力就越强，汽车在坏路面上行驶的通过性就 越好。由于越野车采用全轮驱动，能获得最大的附着质量系 数，因此越野车的通过性最好。,1附着质量系数,2车轮接地比压,车轮接地比压是指作用在车轮上的径向载荷与轮胎接地面积 之比。即车轮对地面的单位压力。 车轮接地比压p与轮胎气压pW有关，车轮在硬路面上承受额定 载荷时，其接地比压p=（1.051.2）pW，对于帘布层较多的轮 胎，式中的系数应取较大的值。松软地面的滚动阻力系数和附 着系数都与车轮接地比压有关。 汽车在松软的地面上行驶时，降低车轮接地比压，可使轮辙 深度减小，从而降低行驶的滚动阻力；同样，在粘性土壤和松 软雪地上，降低车轮接地比压可使车轮接地面积增加，附着系 数提高，使车轮不易打滑。,