汽车发动机原理与汽车理论基本课件-第十二章.ppt

第一节汽车的动力性指标第二节汽车的驱动力第三节汽车的行驶阻力第四节汽车的动力方程第五节汽车行驶的驱动附着条件第六节汽车的驱动力行驶阻力平衡图与动力特性图第七节汽车的功率平衡第八节装有液力变矩器的动力特性第九节影响汽车动力性的主要因素第十节汽车的驾驶性能第十一节汽车动力性试验,第十二章汽车的动力性,第一节 汽车的动力性指标,一、汽车的最高车速二、汽车的加速能力三、汽车的爬坡能力,汽车的最高车速vmax,最高车速是指在良好的水平路面（混凝土或沥青）上汽车能达到的最高行驶车速。轿车：vmax=130200km/h；客车：vmax=90130km/h；货车：vmax=80110km/h。在使用中，将加速踏板踩到底，变速器挂入最高档位。,汽车的加速能力,加速能力可用汽车以最大加速强度加速行驶时的加速度、加速时间或加速行程来表示。在实际中评价汽车的加速能力最常用的指标是加速时间。分类：.原地起步加速时间：由低档（I或II档）起步，以最大的加速强度（包括选择恰当的换档时机）逐步换至最高档位后达到某一预定距离或车速所需的时间。一般用0400m或0100km/h的时间表示原地起步加速能力。.超车加速时间:用最高档或次高档由某一较低车速全力加速到某一高速所需的时间。有时也采用加速过程曲线表示加速能力。,汽车的爬坡能力,汽车的爬坡能力：用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度（档的最大爬坡度）表示。不同的车辆对爬坡能力的要求：轿车:最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力。货车:在各种道路上行驶，要求它具备足够的爬坡能力。一般30即16.7；越野车：在坏路或无路条件下行驶。60或31。为了维持道路上各种车辆能畅通行驶，要求各种车辆在常见的坡道上行驶速度相差不能太悬殊，所以，也可用汽车在常遇的坡道上必须达到的车速来表明汽车的爬坡能力。,第二节汽车的驱动力,部分负荷特性：节气门部分开启时，转矩或功率等与转速的关系使用特性曲线：即带有附件时的负荷特性，通常汽油机小15，而柴油机小10,外特性曲线：节气门(油门)全开时，转矩或功率等与转速的关系,1.发动机的速度特性,传动系的传动效率,传动系的功率损失包括变速器、传动轴万向节、主减速器等部件产生的功率损失。其中变速器和主减速器产生的功率损失所占的比例最大。传动系功率损失的分类：机械损失功率：与啮合齿轮对数、传递的扭矩有关。液力损失功率：搅动和磨擦。它与润滑油品质、温度、油面高度、转速等有关。传动系各部件的传动效率：见表7-1。,车轮的半径,自由半径r0：车轮处于无载荷时的半径。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距离。rs与法向载荷和胎压有关。动力半径rg：驱动车轮除承受法向载荷外，还承受扭矩作用，轮胎产生径向变形和切向变形。这时车轮中心至轮胎与道路接触面切向反力之间的距离。滚动半径rr：子午线轮胎 F=3.05 斜交轮胎 F=2.99 应用：rs用于动力学分析；rr用于运动学分析；一般分析不计差别：rsrrr,汽车的驱动力图,定义：在各个档位上，汽车的驱动力与车速之间的函数关系曲线。,若已知发动机外特性曲线、传动系的传动比、传动效率、车轮半径等参数时，就可作出汽车驱动力图。,作图步骤,（1）建立坐标系；（2）确定汽车传动系的传动比、传动效率T和车轮半径r；（3）在发动机外特性曲线上任取一点B，确定这一点的转速nB和对应的有效扭矩MeB；（4）根据驱动力计算公式分别求出发动机扭矩为MeB时，汽车以不同档位行驶时的驱动力FtB、FtB、（5）计算转速为nB时，汽车以不同档位行驶时的车速vaB、vaB、,外特性曲线,nB,MeB,一、滚动阻力,滚动阻力是指车轮在路面上滚动时，由于轮胎与路面之间的相互作用而引起的能量损失。,1轮胎的变形分析:车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生相互作用力，轮胎和支承路面发生相应的变形。当弹性轮胎在混凝土、沥青等硬路面上滚动时，轮胎的变形是主要的。如图7-3。这种损失称为弹性物质的迟滞损失。,第三节汽车的行驶阻力,轮胎的弹性迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力矩（Mf=Fza）。如图7-4所示。,a,Fz,2.从动轮在硬路面上滚动时的受力情况：如图7-5所示。欲使从动轮等速滚动，在车轮中心施加一个推力Fp1。f-滚动阻力系数。,需要说明的是，在分析汽车行驶阻力时，不必具体考虑轮胎滚动时所受到的滚动阻力矩，只要知道滚动阻力系数求出滚动阻力就可以（它只是一个数值，无法在真正的受力图上表现出来）。,Ff=Wf,3.驱动轮在硬路面上等速滚动时的受力情况：如图7-6所示。在驱动轮也作用有滚动阻力偶矩Mf2。结论：真正驱动汽车行驶的力是地面切向反力Fx2，它在数值上等于驱动力Ft减去滚动阻力Ff。,滚动阻力系数,1)影响因素：与路面的种类、车速以及轮胎的结构、材料、胎压等有关。同一轮胎在不同的路面上的滚动阻力系数见表7-2。,2)滚动阻力系数的经验计算：轿车：式中：f0良好沥青或混凝土路面为0.014；卵石路面为0.025；砂石路面为0.020；货车：f=0.0076+0.000056va va车速(km/h)。,滚动阻力,二、空气阻力,1.定义:汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力。2.分类:摩擦阻力和压力阻力。3.空气阻力的计算：CD可通过道路试验、风洞试验等方法测得。A指汽车在其纵轴的垂直平面上的投影面积；也常用轮距与汽车高度乘积表示。汽车的CD和A的数值如表7-2所示。,影响 Fw 的因素：CD 和 A由于乘坐空间的制约A变化不大但CD变化较大，195070年 CD=0.40.6 1990年CD=0.250.40 概念车CD=0.2CD大小对轿车（高速）汽车的性能影响极大例如：帕萨特(Passat)CD=0.28,前部低，过渡平滑，后部加扰流板，掠背式，底部导流，平整化，向后应逐步升高，整车俯视形状为腰鼓式，改进通风进口、出口位置，商用车顶部安装导流罩系统。,降低的要点,CD,压力阻力,形状阻力：与汽车的主体形状有很大关系。占58。干扰阻力：车身表面突起部位引起的阻力（如后视镜、门把手、导水槽、驱动轴、悬架导向杆等）。占14。内循环阻力：发动机冷却系统、车身通风等需要的空气流经车体内部时形成的阻力。占12。诱导阻力：空气升力在行驶方向的分力。占7。,汽车的空气阻力系数和迎风面积,三、坡度阻力,1.定义：当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道方向的分力。2.计算式：Fi=Gsin3.道路坡度：一般道路坡角较小，sintan=i，所以坡度阻力为Fi=Gi,4.道路阻力F：由于坡度阻力与滚动阻力都是与道路有关的阻力，且都与汽车重力成正比，所以把两种阻力合在一起称为道路阻力。F=Ff+Fi=fGcosa+Gsina当坡角a较小时，cosa1，sinai，那么：F=Gf+Gi=G（f+i）令=f+i，称为道路阻力系数。则 F=G,四、加速阻力,1.定义:汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时产生的惯性力，称为加速阻力Fj。汽车的质量包括平移质量和旋转质量两部分，加速时平移质量产生惯性力，旋转质量产生惯性力偶距。2.计算式：式中：-汽车旋转质量换算系数。,汽车旋转质量换算系数,主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量和传动系的传动比等有关。在进行动力性计算时，可按经验公式估算：式中：1车轮旋转质量换算系数；2飞轮旋转质量换算系数。,第四节汽车的动力方程,1.汽车行驶的驱动条件(或必要条件)：,第五节汽车行驶的驱动附着条件,2.汽车行驶的附着条件(或充分条件)：轮胎与路面之间附着条件可用附着力来表示。附着力指地面对车轮切向反作用力的极限值，用F表示。在硬路面上，附着力与驱动轮法向反作用力Fz2（或垂直载荷W2）成正比，即：F=Fz2-称为附着系数，与路面的种类和路面状况、轮胎的结构和材料及车速等有关。,实际上，附着力并不是作用在汽车上的外力，它只是地面对车轮切向反作用力的极限值，当切向反作用力达到此极限值时，驱动轮将产生滑转。对于后轮驱动的汽车：FX2=Ft-Ff 2F=Fz2 FtF+Ff2=Fz2（+f）与值相比，f值很小，故可忽略不计。所以，汽车行驶的附着条件为:Ft F结论：汽车行驶的驱动-附着条件为:,第六节 动力性的评价方法：驱动力行驶阻力图,一、驱动力行驶阻力图只要汽车行驶，汽车行驶阻力中的滚动阻力Ff 和空气阻力Fw 就存在。在良好典型路面上，汽车驱动力与这两个阻力之差就是汽车可用于克服坡道阻力Fi 或是汽车加速需要克服的加速阻力Fj。这就是所谓的汽车驱动力和汽车行驶阻力的平衡。为了形象地说明汽车行驶时驱动力和行驶阻力的关系，通常将汽车驱动力Ft 以及始终存在的两个行驶阻力Ff 和Fw 绘制成力和车速的关系曲线图，称为汽车驱动力行驶阻力平衡图.动力性指标(最高速度,加速能力,爬坡能力),便可分析汽车在附着条件良好路面上的行驶能力。即在油门全开时，汽车可能达到最高车速、加速能力和爬坡能力。,行驶方程式反映了汽车行驶时，驱动力和外界阻力之间的普遍情况。当已知条件：,图125 汽车驱动力行驶阻力平衡图,驱动力Ft,1.最大速度和部分负荷时的力平衡以及 uamax 和部分负荷时的等速2.加速能力3.最大爬坡度,2.加速能力 它用aj,但aj不方便评价。通常用加速时间或加速距离来评价。,图1-25 汽车加速度速度图,加速度aj,图127 加速度倒数曲线,由驱动力、滚动阻力和空气阻力，就可按行驶方程式计算加速度及其倒数，从而求得加速时间或者加速距离。,手工计算时,一般忽略原地起步过程的离合器打滑过程.即假设在最初时刻，汽车已具备起步换档所需的最低车速。换档时刻的确定：若I-II加速度曲线相交，则规定在交点处换档；若I-II的加速度曲线不相交，则规定在发动机最高转速处换档；换档时间一般忽略不计（正态分布t=0.20.4s)。计算加速时间的用途：确定汽车加速能力；传动系最佳匹配；合理选择发动机的排量。,注意,其前提条件是路面良好，克服 Fw+Ff 后的全部力都用于克服坡道阻力，即,3.利用驱动力-行驶阻力平衡图 确定汽车的爬坡能力,二、动力特性图,动力因数,汽车在行驶时驱动力与行驶阻力平衡 发动机输出功率也与行驶阻力功率平衡,第七节汽车的功率平衡,功率平衡图 用纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动机功率与经常遇到的阻力功率对车速的关系绘制在直角坐标图上，就得到功率平衡图。,档位不同时车速的范围不同，但是功率的大小不变，只是各档的功率曲线对应的车速位置不同。低档时车速低，速度变化区域窄；高档时车速高，所占速度变化区域大。滚动阻力功率在低速时近似为直线，而在高速时是二次曲线（低速、货车！）空气阻力功率曲线为三次函数在低速时以滚动阻力功率为主，而在高速时以空气阻力功率为主。,汽车后备功率越大，汽车的动力性越好。利用后备功率也可确定汽车的爬坡度和加速度。功率平衡也可描述汽车行驶时的发动机负荷率，有利于分析汽车燃油经济性。,后备功率,离合器打滑过程分析,在汽车起步离合器接合过程中，离合器从动盘上的扭矩是随离合器同步时间和接合时转速的变化而变化的。离合器的实际接合过程如右图所示。对离合器的接合过程我们最感兴趣的是离合器从动轴扭矩的增长过程，它是时间t的函数。,返回,发动机转速,离合器从动轴扭矩,离合器从动轴转速,换档规律,汽车在实际行驶时，货车高档位使用率90%以上。为了合理利用有限的档位，使汽车具有良好动力性和燃料经济性，将传动比间隔由低档到高档逐渐减小的偏等比级数分配各档传动比，使变速器在不同档位工作时发动机的转速范围不同。低档时转速范围宽，而高档时窄，使高档两档之间的重合区域增大。当汽车高速行驶变速器在高档之间换档时，发动机功率下降较小，在发动机工作区内平均功率较大。就燃料经济性，高档之间的传动比间隔减小，增加了发动机在经济区工作的可能性，可降低燃料消耗量。,换档时刻选择,为了保证汽车的动力性，应使汽车在较低的档位行驶。换档点的选择问题，应该在两档车速驱动力曲线相交时刻换档。在保证动力性的换档程序中，以驱动轮上驱动力的大小来判断相邻两个档位之间是否有交叉点。,动力性换档规律,换档时刻选择,汽车在一定的道路条件下按一定的工况行驶时，某时刻所需驱动功率一定，传动效率变化很小。汽车行驶的燃油消耗量与发动机的比油耗成正比。在经济性换档程序中，以发动机的比油耗作为换档判别依据，保证汽车总是以使发动机比油耗最小的档位行驶。在汽车运行工况中，速度是时间的连续函数，因此在经济性换档程序中，考虑了当前档i以及i+1和i-1档的经济性，从这三个档位中选取比油耗最小的档位作为该时刻变速器的工作档位。,经济性换档规律,1.如何利用汽车行驶方程式求轮式汽车的极限加速度？,2.在计算汽车动力性时所使用的发动机功率与计算汽车燃料经济性时所使用的发动机功率有何不同？,在计算汽车动力性时所使用的发动机功率与计算汽车燃料经济性时所使用的发动机功率有何不同？,前者使用是发动机的外特性。即,后者利用阻力功率反推求得发动机输出功率,第八节装有液力变矩器的动力特性,一、液力变矩器的特性,图-液力变矩器的无量纲特性,图-非透过性液力变矩器的泵轮转矩曲线与发动机外特性曲线,图-透过性液力变矩器的泵轮转矩曲线与发动机转矩曲线,图-综合式液力变矩器的无量纲特性,二、装有液力变矩器汽车的动力性,图-装有液力变矩器汽车的驱动力图,一、发动机参数的影响1，发动机的最大功率的影响2，发动机的最大转矩的影响3，发动机的外特性二、传动系的影响1，传动系的效率2，主减速器传动比,第九节影响汽车动力性的主要因素,3，传动系的挡数4，变速器传动比三、空气阻力系数的影响四、汽车质量的影响五、轮胎的尺寸，形式的影响1，轮胎半径2，轮胎花纹，形式六、使用条件的影响,汽车滑行试验方法,执行标准:GB/T 12536-90试验要点:1、第五轮仪或相应的车速、行程记录装置，精度不低于0.5%。2、在长约100Om的试验路段两端立上标杆作为滑行区段，汽车在进入滑行区段前车速应稍大于5Okm/h。汽车驶入滑行区段前，驾驶员将变速器排档放入空档(松开离合器踏板)，汽车开始滑行。当50km/h时(汽车应进入滑行区段)，用第五轮仪进行记录，直至汽车完全停住为止。在滑行过程中，驾驶员不得转动方向盘。,滑行图片,影响汽车动力性的因素主要有：发动机参数、传动系参数、汽车质量和使用因素等。一、合理选择发动机二、合理选择传动系参数三、减轻汽车自重四、改善汽车运行条件,一、合理选择发动机,1、发动机外特性：活塞式发动机，加速和爬坡能力均较差；蒸汽机次之；等功率发动机，若不受附着条件的限制，可以克服任何道路坡度。所以等功率发动机的特性为理想的发动机特性。2、发动机的扭矩越大，汽车的加速和爬坡能力越强。3、发动机的功率越大，汽车的动力性越好。但功率不宜过大，否则经常处于小负荷下工作，经济性下降。,二、合理选择传动系参数,1、主减速器传动比对动力性的影响，如图7-17所示，其中i01i02i03。i0增大，功率曲线左移，在一定车速下，后备功率增加。当主传动比为i02时，最高车速vmax最高。当主传动比增大(i03)或减小(i01)时，最高车速vmax降低。在保证最高车速的前提下，尽可能选择较大的主减速器传动比。,i02,i01,i03,2.变速器参数对动力性影响：1）档位数:如图7-18。档位数越多，特性越接近等功率发动机。采用无级变速器后，发动机就可能总是在最大功率下工作，动力性提高。2）各档传动比：I档传动比越大，汽车最大爬坡度和驱动力越大。但要考虑附着条件的限制（否则驱动轮产生滑转）。其余各档传动比要适当，使发动机经常处于或接近最大功率或最大扭矩的转速范围内工作。选择变速器传动比时，先根据最大爬坡能力要求和附着条件确定I档传动比，其余各档传动比按等比级数进行分配。,变速器档数对汽车动力性的影响,一、驾驶性能的表示方法,.驾驶性方面,第十节汽车的驾驶性能,图-汽车波动行驶,.噪声、振动方面,()怠速不稳定怠速不稳定是指发动机在怠速时运转不正常而产生严重振动，由此给驾驶员带来不舒适感。()回火回火是在进气系统内，可燃混合气爆燃的现象。()放炮放炮是指在排气系统内，未燃烧的混合气爆燃的现象。()自然点火汽车在大负荷行驶后，即使关闭点火开关，发动机还继续运转。,概述 振动：路面不平等原因引起汽车振动，它影响舒适性和身体健康。保持振动环境的舒适性，以保持驾驶员在复杂行驶和操纵条件下，具有良好的心理状态和准确灵敏的反应。汽车的平顺性影响“人汽车”系统的操纵稳定性以及行驶安全性。,.起动性方面,()冷起动性冷起动性表示发动机冷状态时，由起动机起动后发动机开始转动所需的时间，一般起动时间不超过。在外界气温较低时(以下)的起动性称为低温起动性。()再起动性再起动性是指汽车行驶一段时间后，使发动机停机，经较短时间后，在发动机热状态下重新起动发动机的性能。如外界气温较高则称为热起动。,二、各种环境下汽车驾驶性能的变化,()气阻气阻是指由于燃油滤清器、燃油泵、油路发热使部分汽油中产生气泡，不能向发动机供给充足的燃油，因而形成过稀的混合气，严重时出现发动机熄火、起动困难等现象。()渗漏渗漏是带化油器的汽车特有的现象。()结冰结冰也是带化油器的汽车特有的现象。,三、汽油特性与驾驶性能,()汽油规格汽油特性对驾驶性能的影响是多方面的，见表-中所述。()汽油与气阻汽油的挥发性受气压和气温的影响很大。,第十一节汽车动力性试验,一、道路试验,(1)最高车速汽车在试验道路上行驶，达到最高车速后，测定汽车通过路段所需要的时间，计算出值。(2)加速能力原地起步加速性能测定，汽车用档起步，节流阀开度开至最大，按最佳换档时机，以最大的加速强度逐步换至高档，全力加速至的加速过程所需时间。(3)最大爬坡度测量汽车的最大爬坡度，应有一系列不同坡度的坡道，坡道长度应大于汽车长度的倍。(4)汽车滚动阻力与空气阻力汽车的滚动阻力与空气阻力可以用滑行试验来测定。,二、实验室试验,1.汽车测功器,图-汽车测功器转速试验台,2.变速器机械效率试验台,图-变速器机械效率闭式试验台1电力测功器2液力缸3传动轴4变速器5联轴节6齿轮箱7转矩传感器8磅秤,3.轮胎试验台,图-8轮胎转鼓试验台,4.风洞试验,图2-风洞试验,