汽车理论课件.pdf
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1、汽车理论 讲课舒 红讲课舒 红 重庆大学机械工程学院汽车系 二00六年九月 重庆大学机械工程学院汽车系 二00六年九月 5 10 15 20 t(s) ua(Km/h) 150 100 50 第一章汽车的动力性第一章汽车的动力性 定义:汽车在良好路面上直线行驶时的平均速度。定义:汽车在良好路面上直线行驶时的平均速度。 第一节 动力性指标第一节 动力性指标 1) 最高车速 u1) 最高车速 uamax amax 无风,满载,汽车在水平良好路面能达到的最大行驶速度。无风,满载,汽车在水平良好路面能达到的最大行驶速度。 原地起步加速时间 原地起步加速时间 轿车用档(货车常用档)静止起步,节气门全开,
2、按最佳换挡 时刻逐步换至高档后到某一预定距离(或车速0.8umax)所需时间。 轿车用档(货车常用档)静止起步,节气门全开,按最佳换挡 时刻逐步换至高档后到某一预定距离(或车速0.8umax)所需时间。 超车加速时间超车加速时间(关系超车并行安全) 用最高档或次高档由某一较低车速(30Km/h或40Km/h) 全力加速至某一高速所需的时间(节气门全开,不换档)。 汽车满载(或某一质量)时在良好路面上的最大爬坡度(档)。 用最高档或次高档由某一较低车速(30Km/h或40Km/h) 全力加速至某一高速所需的时间(节气门全开,不换档)。 汽车满载(或某一质量)时在良好路面上的最大爬坡度(档)。 i
3、=tan100% :grade angle 2) 加速时间加速时间 t(acceleration time) 3) 最大爬坡度最大爬坡度imax(maximun gradeability) Ft ua r Fz Tt W O 第二节 汽车驱动力与行驶阻力第二节 汽车驱动力与行驶阻力 汽车行驶方程式:F汽车行驶方程式:Ft t= F= Ff f + F + Fi i+ F+ Fw w+ Fj(主要矛盾) 驱动力=滚动阻力+坡度阻力+空气阻力+加速阻力 + Fj(主要矛盾) 驱动力=滚动阻力+坡度阻力+空气阻力+加速阻力 一 、汽车的驱动力 F一 、汽车的驱动力 Ft t N r iiT r T
4、F tge t t , 0 = F Ft tdriving force,N rtire radius,m T driving force,N rtire radius,m Te eengine torque,N.m i engine torque,N.m ig ggear ratio i gear ratio io ofinal ratio final ratio t ttransmission efficiencytransmission efficiency (1-1) 指发动机性能指标(T指发动机性能指标(Te e 、F 、Fe e、 P、 Pe e)随ne变化的关系。)随ne变化的关系
5、。 1、(汽车行驶要求的)理想的驱动力、功率特性1、(汽车行驶要求的)理想的驱动力、功率特性 2 、理想的发动机特性(场)2 、理想的发动机特性(场) 优点:转矩适应性好优点:转矩适应性好(即低速启动或上坡时,阻力增大,n(即低速启动或上坡时,阻力增大,ne e降低,T降低,Te e增加,能提供大的驱动力Ft)增加,能提供大的驱动力Ft) 3、实际的发动机速度特性3、实际的发动机速度特性 Kw nT P ee e , 9549 = (1-2) T Te eengine torque,N.m n engine torque,N.m ne eengine speed,r.min-1 P engin
6、e speed,r.min-1 Pe eengine power,Kw b engine power,Kw be especific fuel consumption,g/Kw.hspecific fuel consumption,g/Kw.h nmin nmaxnTnp Pe Te be ne(rpm) Ft 、P 附着极限 Ft P1 ua Te ne(rpm) Pe, 理想的牵引特性场 理想的功率特性场 Pe 附着极限 附着极限 Te Pe,Te ( 一)发动机速度特性 (讨论T( 一)发动机速度特性 (讨论Te e) ) 发动机速度特性三维数学模型 0 2000 4000 6000 0
7、 50 100 -50 0 50 100 150 发动机转速(rpm) 发动机转矩输出特性 发动机节气门开度() 发动机转矩(Nm) 特征点:(P特征点:(Pemax emax,n ,np p)、(T)、(Temax emax,n ,nt t)、(n)、(nmin min,n ,nmax max)。 P )。 Pemax emax点不一定是T 点不一定是Temax emax点,n 点,nmin min比怠速转速高一点,n 比怠速转速高一点,nmax max比n 比np p高一点。 发动机速度特性 外特性:(wideopen throttle) 部分负荷特性: 高一点。 发动机速度特性 外特性:
8、(wideopen throttle) 部分负荷特性:外特性曲线下的整个面外特性曲线下的整个面 使用外特性:使用外特性: 带上附属装置(风扇 水泵 发电机 空气滤清器 消声器)测得,稳定工况, 发动机台架试验结果,用于动力性计算 带上附属装置(风扇 水泵 发电机 空气滤清器 消声器)测得,稳定工况, 发动机台架试验结果,用于动力性计算 4、拟合公式4、拟合公式 k e nananaaT n += 2 210 一般取K=2、3、4、5,a一般取K=2、3、4、5,a0 0、a、a1, 1, ak可 ak可由最小二乘法确定。 由最小二乘法确定。 (二)传动系机械效率(讨论(二)传动系机械效率(讨论
9、t t) in Tin t P PP = 等速行驶:等速行驶: ein PP = e T e Te t P P P PP = =1 P PT T:transmission power loss. 主要由变速器、主减速器的功率损失造成。 machanical loss :齿轮啮合摩擦损失 冲击,轴承摩擦阻力损失 Hydraulicloss:润滑油搅动和飞溅,润滑油与齿轮的表面摩擦等 (与变速器轴转速、粘度、温度、油面高度有关) :transmission power loss. 主要由变速器、主减速器的功率损失造成。 machanical loss :齿轮啮合摩擦损失 冲击,轴承摩擦阻力损失 H
10、ydraulicloss:润滑油搅动和飞溅,润滑油与齿轮的表面摩擦等 (与变速器轴转速、粘度、温度、油面高度有关) PT 1、 自由半径r1、 自由半径ro o(free radius):(free radius):设计制造尺寸,无载荷。设计制造尺寸,无载荷。 2 、静力半径r2 、静力半径rs s(static loaded radius):(static loaded radius): w rsro 3、 滚动半径r3、 滚动半径rr r(rolling radius):(rolling radius):用于运动学分析用于运动学分析 w r n S r 2 = S车轮滚动距离,m;nS车轮
11、滚动距离,m;nw w转动圈数 粗略分析时 转动圈数 粗略分析时,rrr rs (四) 汽车驱动力图(F(四) 汽车驱动力图(Ft t-u-ua a) 驱动轮不滑转时驱动轮不滑转时 r iiT r T F tge t t 0 = )/(377. 0 1 10 60/ 1 2 3 hKm ii nr ii r n u og er og r e a = 汽车静止时测得。r汽车静止时测得。rs s取决于w、轮胎径向刚度(气压)和支承面刚度。取决于w、轮胎径向刚度(气压)和支承面刚度。 ne n2 n1 Pe Te ua被压缩 Ft具有 Te走向 n2 n1 0 n2 n10 n2 n1 0 ua0
12、Ideal driving characteristic Ft 转速比例尺 ( 三)车轮半径(wheel radius)( 三)车轮半径(wheel radius) 汽车沿有纵向坡度的路面直线行驶时遇到的阻碍前进的力。汽车沿有纵向坡度的路面直线行驶时遇到的阻碍前进的力。 jwif FFFFF+= (一)滚动阻力(rolling resistance)(一)滚动阻力(rolling resistance) 1 1 加载 卸载 a Fz K 3 2 3 K 22 W(normal force) ua 2 Fx1 W C h D F 卸载 加载 E 0 弹性轮胎的迟滞损失:轮胎反复变形时其内部摩擦引
13、起的能量损失。弹性轮胎的迟滞损失:轮胎反复变形时其内部摩擦引起的能量损失。 1、 形成原因、 形成原因 二 、汽车的行驶阻力二 、汽车的行驶阻力 从动轮 :从动轮 : Rolling resistance moment Rolling resistance coefficient Rolling resistance 驱动轮驱动轮: aFT zf = 0 1 = fp TrF r a w r aF r T F z f p . 1 = = r a f = fwFp= 1 令 则 w F f p1 = fwFf=(1-5) rFT ff = r T F f f =或 0 2 =rFTT xft f
14、t ft x FF r TT F= = 2 结论:弹性迟滞损失是以滚动阻力偶矩的形式 阻碍车轮的运动 。 结论:弹性迟滞损失是以滚动阻力偶矩的形式 阻碍车轮的运动 。 2、滚动阻力滚动阻力 1)路面状态)路面状态:表:表1-1,软路面,软路面f升高,良好路面升高,良好路面f降低(轮胎悬架变形次数减少)。降低(轮胎悬架变形次数减少)。 2)车速)车速 驻波现象驻波现象:ua=150200Km/h,f,驻波现象(气压很低),且t100C。轮胎变形次数,急剧发 热,强度降低,引起帘布层与胎面脱落,轮胎爆破,故高速化受到限。 小 大 0.04 80 f 0.08 100ua(Km/h) 气压p 3)轮
15、胎3)轮胎 气压 p 良好路面:p,f 不平硬路面,沙:p,f 软路面:p,f 结构:帘布层数,胎面橡胶层厚度,f f子午线轮胎f斜交胎 4)侧向力)侧向力Fy Fy,f 4 轿车 货车f=0.0076+0.000056ua f=f0+f14()() 100100 aauu f+ 4 3、影响滚动阻力的因素影响滚动阻力的因素 4、经验公式、经验公式 (二)空气阻力Fw 1 、形成机理1 、形成机理 涡流 (负压力) 汽车表面气流流线图 分离区分离区 放大的粘性边界层 p小, u大 (正压力) 层 流 2、 空气阻力的构成 摩擦阻力( 、 空气阻力的构成 摩擦阻力(9%) 压力阻力形状阻力( )
16、 压力阻力形状阻力(58%):由车身前后压力差产生,与车身形状有关(尤其是后部) 干扰阻力( ):由车身前后压力差产生,与车身形状有关(尤其是后部) 干扰阻力(14%) 内循环阻力( ) 内循环阻力(12%) 诱导阻力( ) 诱导阻力(7%) Fw 3、 车身表面压力分布、 车身表面压力分布 4、 计算公式、 计算公式 ACuF Drw = 2 2 1 式中式中 Fwaerodynamic drag,N urspeed of the vehicle relative to the wind, awindr uuu+= 无风时, ar uu = air density,=1.2258N.S2.m
17、-4 Afrontal area ,m2 ,正投影面积 CDaerodynamic drag coefficient ,空气阻力系数 5、 如何降低空气阻力系数CD CD=0.055 基本上无边界层分离,无涡流 L/3 d L=6d d 无风时 15.21 2 aD w AuC F = (三)坡度阻力(三)坡度阻力(grade resistance) )71 (,sin=NGFi i=tansin GiFi=(i较小),N (1-8)(i较小),N (1-8) 道路阻力)91 (sincos+=+=+=GiGfGGGfFFF if 道路阻力系数 sincos+= f if +=或或 (四)加速
18、阻力(四)加速阻力 )101 (,=N dt du g G Fj 2 22 2 1 r iiI G g r I G g Togfw += 式中:conversion coefficient of rotating mass; Iwwheel inertia ,Kg.m2 Ifflywheel inertia ,Kg.m2 Gvehicle weight,N 三、 汽车行驶方程式三、 汽车行驶方程式 jiwft FFFFF+= dt du g G G AuC Gf r iiT aD Toge +=sin 15.21 sin 2 dt du g G Gi AuC Gf aD += 15.21 2
19、(一般) (平路) (1-11) 1、 从动轮受力分析 111 0 xp F dt du mFX+= 00 1110 = dt dw ITrFM wfX)( dt du r I FF w fX 2 1 11 += dt du r I mFF w fP )( 2 1 111 += 2 、驱动轮受力分析2 、驱动轮受力分析 222 0 pX F dt du mFX+= 00 22 20 =+= fwtX T dt dw ITrFM )( 222 fwXt T dt dw IrFT+= (名义)驱动力 dt du r I mFF r T F w fp t t )( 2 2 222 += Fz1 Tf
20、1 Fx1 r Fp1 o W1 1 du m dt dw dt d u d t Tf2 r Fx2 FZ2 Fp2 O Tt W2 du dt dw dt 2w dw I dt 2 du m dt 3、加速时Ft与飞轮加速阻力F3、加速时Ft与飞轮加速阻力Fje je oge ii= dt du r ii dt d ii dt d ogog e 1 = Tog e fet ii dt d ITT )( = jet TogfToge t t FF dt du r iiI r iiT r T F=)( 2 22 dt du r iiI F Togf je 2 22 = 有级式变速器: : )0(
21、 = dt du FF tt )( dt di u dt du i r i dt d g g oe += jett FFF= dt di r uiiI dt du r iiI F gTogfTogf je 2 2 2 22 += 无级变速器: dt du mFj= dt di r uiiI dt du mF gTogf j 2 2 += 加速阻力:有级式 无级变速器: 4 、车身受力分析、车身受力分析 W1 Fw Fp1 W2 B du m dt GB Fp2 wpBp FF dt du mFX+= 12 0 wB w f F dt du m dt du r I mF+=)( 2 1 11 5
22、 整车行驶方程式5 整车行驶方程式 将式代入式整理得: dt du r iiI G g r I G g g G FF r iiT Togfw wf Toge )1 ( 2 22 2 += 2 22 2 1 r iiI G g r I G g Togfw += dt du g G FFFF wift += 坡道: (1-11) 仅表示汽车结构参数与行驶参数之间的关系,作动力性分析很方便, 但不表示真正作用在汽车上的力关系。 仅表示汽车结构参数与行驶参数之间的关系,作动力性分析很方便, 但不表示真正作用在汽车上的力关系。 第三节 驱动力行驶阻力平衡图与动力特性图第三节 驱动力行驶阻力平衡图与动力特
23、性图 一 、驱动力一 、驱动力行驶阻力平衡图行驶阻力平衡图 dt du g G G AuC Gf r iiT aD Toge +=sin 15.21 sin 2 dt du g G Gi AuC Gf aD += 15.21 2 og e a ii rn u377. 0= F Ft t=F=F Pe, Te Te Pe n2n1ne 1、 最高车速、 最高车速uamax jiwft FFFFF+=+=)(剩余牵引力 平路: 剩余牵引力 平路: wft FFF+=0= dt du 2 、加速时间2 、加速时间 )(, 0 wfti FFF G g dt du jF+= du j dt 1 =sm
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