汽车纵向动力学

du ds du 或者a j dt ds dt udu 1 ( Ft F f FD ) ds m u udu ds du s aj aj uu s s aj
加速度aj
a j1
a j2
a j3
a j4
F f Fw
m
f
车速ua，km / h
Ft ( Ff FD ) mg
)
imax
FD Ff mg
i0 max
汽车爬坡度
umax
• 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。
du 1 加速度：a j ( Ft F f FD ) dt i m 则加速度倒数曲线为 F du j du du aj dt t dt m aj aj u 离散化处理后t t aj
总制动力和制动潜力
Fa FR FD FG Fe,t Fb
若制动减速度为 axb ，则所需的制动力Fb为
Fb Fa ( FR FD FG Fe,t Fb ) ( i mv mc )axb ( FR FD FG Fe,t )
• 采用电涡流缓速器和发动机制动的车辆下 坡行驶稳定性
2
a
前后轴的附着率
•
ff
Fxf Fzf
Fxr fr Fzr
不同驱动形式不同行驶工况下的前后轴附着率 （表5-4）
由路面附着限制的加速或爬坡能力
, f amax, b g L
b L
,r amax,
a g L
a L
tan G ,max, , f
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采用每加仑燃油能行驶的英里数，即MPG或mile/USgal。其
数值越大，汽车燃油经济性越好。
汽车燃油经济性试验方法
测定汽车燃油经济性的试验方法有多种。根据对各 种使用因素的控制程度，试验方法可分为以下几类： 不加控制的道路试验；


控制的道路试验；
道路循环试验(包括等速油耗、加速油耗、制动油耗、 怠速油耗等)； 在室内实验，如汽车底盘测功机(即转鼓试验台)上的循 环试验。
加速阻力分量
• 旋转质量转动惯量
i w i0 dr i0 ig (e c Ti )
2 2 2
• 定义质量换算系数
i i 2 1 rd
• 有
Fa (i mv mc )ax
• 代表车辆动力需求的车辆总行驶阻力
FDem Fa FG FR FD ( i mv mc )ax (iG f R )(mv mc ) g CD A
I档 II 档
Fj aj Fj aj t
Fj1 a1 Fj1 a1 t1
Fj2 a2 Fj2 a2 t2
Fj3 a3 Fj3 a3 t3
…… …… …… ……
Fjm a1m Fjm a1m Tm
I档 II 档
1 aj [ Ft ( F f Fw )] m 1 1 dt du t u aj aj
Ft1 Ft 2 Ft 3 Ft 4
Ff FD
Ff
F f mgf
车速ua，km / h
ua ua max
• 汽车驱动力－行驶阻力平衡图
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
•
D
• 利用驱动力-行驶阻力平衡图 确定汽车的爬坡能力
燃油经济性
• 汽车燃油经济性：①指汽车以最少的燃油消耗完成单位运 输工作量的能力，它是汽车使用的主要性能之一；②在保 证动力性的条件下，以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能
力。
• 汽车发动机的燃油经济性：通常由有效燃油消耗率
be(ge) 或有效效率η
e
来评价。因其不能反映发动机在具
体汽车上的功率利用情况及行驶条件的影响，所以，它不 能直接用于评价整车的燃油经济性。
便可以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。
动力性
•驱动力与行驶阻力平衡图定义 • 为了清晰地描述汽车行驶时受力情况及其平 衡关系，通常将平衡方程式用图解方式进行描 述，即将驱动力Ft和常见行驶阻力FD和Ff 绘在 同一张图上。
驱动力Ft
•
• 发动机转速变化对油耗的影响
驱动与附着极限和驱动效率
• 车辆所受的垂向力 静载 动载 坡道分量 空气动力学分量
车辆所受的垂向力
•
Fzf ( Fzsf Fzgf ) FLf Fzdf
a b h h 2 mg ( cos G sin G ) CLf A (u uw ) max ( ) L L 2 L mrd L
ua ua max
• 汽车加速度－速度图
1/ a j
速度ua
ui u const
加速时间曲线
1 a j1
1 a j2
1 a j3
1 a j4
• 加速度倒数曲线
ua
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。
Meq n Ft ua Ft ua Ff FD Me1 n1 Ft1 ua1 Ft1 ua1 Ff FD Me2 n2 Ft2 ua2 Ft2 ua2 Ff FD Me3 n3 Ft3 ua3 Ft3 ua3 Ff FD … …… …… …… …… …… …… …… Mem n1m Ftm uam Ftm uam Ff FD
Fx M nig i0 / rd t Meig i0 / rd
则动力供求平衡式为
M et ig i0 rd
(i mv mc )ax (iG f R )(mv mc ) g CD A
a
2
u2
汽车驱动力-行驶阻力平衡图
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：
tan G,max, ,r
表5-5 不同驱动形式不同路面附着下车 辆的加速及爬坡能力
驱动效率
• Fzs
W
驱动轴静载 与整车重量 之比
制动性
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的能力，称为汽车的制动性。
制动性是汽车主动安全性的重要评价指标。 制动性的评价指标包括： 制动效能—制动距离与制动减速度； 制动效能恒定性； 制动时的方向稳定性。
燃油消耗量计算
• （4）所需的发动机缸内平均有效压力pme
2 M Dem 2 FDem rd pme ( ML) Vsi Vsi ig i0
• (5) 由车辆行驶速度u求得发动机转速ne为
ne uig i0 / (2 rd )
燃油消耗量计算
• （6）根据发动机万有特性图即可确定发动机相 应的工况，得到该工况下的燃油消耗率，根据所 需的功率及燃油密度，得到 瞬时燃油消耗量
a
2
(u uw ) mg sin G max
2
f
b h a mgf ( cos sin G ) x R G 2 rd L L
Fxr FD FG Fa ,t Fa ,r FRr r b h CD A (u uw ) mg sin G max 2 ax mgf R ( cos G sin G ) 2 rd L L
•
传动系统设计方案的影响
• 除行驶阻力和发动机特性的影响外，传动系 统设计方案和控制策略对车辆的动力性也有 显著影响。 • 必须对每个档位下的加速能力和爬坡能力逐 一进行校核。
• 由于CVT可以根据所需的功率任意选择发动机的 工作点，采用合理的控制策略，可使发动机始终 工作在最大输出功率的工况下，从而使车辆总可 以获得最佳的爬坡性能和加速性能。
a
2
u2
车辆的动力供应
• 驱动轮毂的转矩
M H (Me M L )i0ig
• 发动机额定工况下的转矩损失
M L (1 t 0 )M e,0 P0 (1 t 0 ) 2 n0
动力供求平衡式
•
Fx M H / rd M nig i0 / rd
若车辆传动系统的效率为ηt，则驱动力为
燃油消耗量计算
• （1）绘制发动机万有特性图
燃油消耗量计算
• （2）车辆在水平路面相对于风速uw以速度 u匀速行驶，所需的驱动力
FDem (mv mc ) gf R CD A
a
2
(u uw )
2
• （3）若考虑转矩损失，则所需发动机转矩 为 FDem rd M Dem ML ig i0
评价指标
①常选取单位行程的燃油消耗量，即L/100km，或单位运输
工作的燃油消耗量，即L/100tkm、L/kpkm。前者用于比较相 同容量的汽车燃油经济性，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； 后者常用于比较和评价不同容载量的汽车燃油经济性。其 数值越大，汽车燃油经济性越差。 ②汽车燃油经济性也可用单位量燃油消耗汽车所行驶的里程， 即km/L作为评价指标，称为汽车经济性因数。例如，美国
Fzr ( Fzsr Fzgr ) FLr Fzdr
a a h h mg ( cos G sin G ) CLf A (u uw )2 max ( ) L L 2 L mrd L
车辆所受的纵向力
Fxf FD FG Fa ,t Fa ,r FRf CD A
制动效能
制动效能即制动距离和制动减速度。
路面条件
制动距离
载荷条件 制动初速度
制动效能的恒定性
制动效能的恒定性即抗热衰退性能。
制动时汽车的方向稳定性
制动时汽车按给定路径行驶的能力。 即在制动中不发生跑偏、侧滑或失去转向能力的性能。
• 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
du aj 0 dt Ft F f Fw Fi C D Au F f Fw mgf 21.15 (假设 cos 1)
2 a
坡度i 100%
Ft mg
imax tg tg (arcsin
Btp
里程燃油消耗量
be Pe


be PmeVs nei
f
f
cf
be PmeVs nei Btr cf ua f ua
Btp
减少油耗的途径
• Btr

f
be
be
( FDem 1
M Lig i0 rd
)
f t
be

1
FDem
f t
[(mv mc ) g ( f R cos G sin G ) CD A
•☆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=0.2~0.4s)。 •☆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。
纵向动力学
纵向动力学性能分析
• • • • • 动力的需求与供应 动力性 燃油经济性 驱动与附着极限和驱动效率 制动性
驱动力平衡图
•
动力的需求与供应
• 车辆对动力的需求（行驶阻力）
稳态匀速行驶阻力
车轮滚动阻力、空气阻力、坡度阻力
瞬态加速行驶阻力（加速阻力）
车辆对动力的需求
FG (mv mc ) g sin G (mv mc ) giG
FR f R FZ ,W
a
2 FD CD A
Fa,t (mv mc )ax
u2
M a tw i Fa ,r 2 ax rd rd rd
旋转质量总等效转动惯量
• • • • 发动机、离合器 某特定传动比时的传动系统 驱动桥、差速器 车轮（包括制动鼓或制动盘及半轴）
a
2
u 2 ( imv mv )ax ]
• • • •
可以从以下几方面找出减少油耗的途径 （1）交通管理因素 （2）车辆行驶阻力因素 （3）尽可能地降低附属设备（空调、动力转向 等）的消耗 • （4）提高传动效率
• 匀速工况下不同档位油耗
• 单位里程所需能量的影响因素
各参数变化对轿车油耗的影响