纵向动力学性能分析p

a
2
u2
学
6
汽 车
概述
第二节
动力性
车辆动力性由加速能力、爬坡能力和最高车速来衡量。
系
统
驱动力平衡图
根据发动机外特性曲线计算 得到。 表示某工况的动力供求关系。
动
力
学
PNmax为汽车能产生的最大功率
特性曲线。
图5-4 驱动力平衡图（水平路面行驶工况）
7
汽 驱动功率平衡图 车 将某车速下的驱动力和行驶阻 力值与车速相乘得到的 传递至轮毂的功率PH 行驶时需克服的功率PDem 即功率供应和功率需求
若不考虑旋转质量的影响，
动
力
i=1，加速能力曲线与后备
驱动力曲线一致。 重型货车低速档i较大，对 加速能力的影响也很大。 图5-8 重型货车旋转质量系数对加速能力的影响
11
学
汽 后备功率 车
P ex F x,ex u (i mv mc )amax u
系
统
动
力
学
图5-9 加速能力与后备功率关系的功率平衡图
Ef z / ff zFzf / Fbf , Er z / f r zFzr / Fbr
30
汽 车
二、直线制动动力学分析
忽略坡度和空气对轴荷的影响，有
系
统
Fb maxb Fzs z
车辆制动时能得到的最大制动强度等于路面附着系数
动
力
zmax axb,max / g
不同行驶工况，附着率是不同的；
学
驱动轮才有附着率，教材表5-4。
26
汽 车
四、由路面附着限制的加速或爬坡能力
若潜在的附着力全部用于克服加速或上坡阻力，则可 列出平衡方程。 计算出车辆在不同驱动形式和行驶工况下的各项性能 表达式。（表5-5） 前轮驱动汽车在水平路面的起步加速能力
系
统
动
力
学
系
统
sin G,max
Fx,ex (mv mc ) g
动
力
学
图5-7 后备驱动力与爬坡能力关系的驱动力平衡图
10
汽 车
加速能力
车辆加速能力用可达到的最大加速度来表示。 车辆要想达到最大加速度，后备驱动力需全部用来克 服加速阻力
系
统
Fx,ex (i mv mc )amax
系
统
动
力
学
图5-23 车辆转弯制动的受力分析
35
转弯制动动力学分析
汽 转弯制动工况下各轮制动效率的计算 车 根据车辆制动力分配特性求出制动管路压力，计算每个 车轮的制动力，进而求出总制动力Fb； 求出车辆制动减速度ax= Fb/m； 对于给定侧向加速度，计算每个车轮的法向载荷； 计算各车轮的侧向力； 计算各个车轮不发生抱死时的附着率；
图5-1 加速上坡时车辆受到的行驶阻力示意图
2
汽 等效转动惯量 车
车辆对动力的需求
等效转动惯量必须考虑所有传动部件的转动惯量，包 括所有车轮。 等效的原则是保持动能一致。
系
统
Θi Θw i Θdr i i (Θe Θc ΘTi )
2 0 2 2 0 g
动
力
学
图5-2 非匀速工况下需考虑的旋转质量的转动惯量
ne uigi0 /(2 rd )
根据pme和ne确定该工况的燃油消耗率be （g/(kw.h)）
17
汽 计算燃油消耗量 车 单位时间的燃油消耗量
燃油消耗量的计算
系
统
Btp be P e / f
单位里程的燃油消耗量
动
力
Btr Btp / ua
对于循环行驶工况，须将过程划分成若干段稳定工况，分别计 算燃油消耗量，再求和。 若发动机处于不稳定工况，则只能求近似解。
相邻高档能够提供比当前档位更高的加速度。
系
统
各档后备驱动力曲线的交点即代表了相邻两档间的最 佳换档时机。
动
力
学
图5-11 旋转质量换算系数对加速工况下最佳换挡时机的影响
14
汽 由于坡度阻力与汽车行驶方向相同，导致阻力曲线处于横 车 轴以下；
下长坡时的行驶稳定性分析
为增大阻力，需采用缓速装置
2 f Fx2 it0 Fy2 / Fz2
系
统
动
力
学


1/2
根据ax和各车轮附着率f，计算各车轮的制动效率。
E ax / g / f
36
转弯制动动力学分析
汽 车
FIAT124车转弯制动工况下的制动效率
系
统
动
力
12
汽 车
传动系统设计方案的影响
在设计传动系统时，必须校核每个档位的加速能力和 爬坡能力。 不同坡度下的驱动力（功率）平衡图
一档能爬上40%的坡度
系
统
动
力
学
图5-10 不同坡度情况下的驱动力和驱动功率平衡图
13
汽 车
换档策略
发动机达到最高转速；
传动系统设计方案的影响
为实现车辆的最大加速能力，换档的最佳时机应为
4
汽 车辆行驶阻力曲线 车辆总行驶阻力 车
车辆对动力的需求
系
统
FDem ( i mv mc )ax (iG f R )(mv mc ) g CD A
a
2
u
2
动
力
学
图5-3 车辆上坡时的行驶阻力 反映了不同驱动工况下车辆所需的驱动力矩，也称动 力需求特性曲线。 对于高速行驶的乘用车，空气阻力起主导作用。 除空气阻力外，其它阻力分量均与车重成正比。
,μ ,f amax
μb fa g L (μ f R )h
27
汽 车
五、驱动效率
1、定义：驱动轴静载与整车重量的比值
系
统
Fzs / W
2、驱动效率决定着车辆的驱动能力和附着极限 3、驱动效率与车辆质心位置相关
主要取决于发动机位 置和装载情况； 与动态载荷的转移和 上坡时轴荷转移有关。
2
系
统
动
力
学
图5-20 理想的制动力分配曲线 曲线形状取决于车辆质心位置和车辆装载情况。
32
汽 车
三、制动稳定性分析
后轮抱死时，在侧向干扰力的作用下，前轮侧向力将 产生不稳定力矩，使车辆侧偏角增加。
系
统
动
力
学
图5-21 前轮和后轮先抱死时的运动车辆情况分析
33
汽 车
四、转弯制动动力学分析
车辆在转弯制动时，轮胎必须提供足够的纵向力和侧向力。
为了在不同附着系数的路面上得到最好的制动效果， 需合理的分配前后轴制动力。
理想制动强度与前轴制动力的关系
学
b b Fbf L z 2h Fz h 2h
31
2
直线制动动力学分析
汽 车
理想的前后制动力分配关系
Fbr b b Fbf L Fbf Fz 2h Fz h Fz 2h
力
学
图5-13 发动机万有特性图
16
汽 该工况燃油消耗率的确定 车辆行驶所需发动机转矩 车
燃油消耗量的计算
系
统
M Dem
ML为转矩损失。
FDem rd ML i g i0
动
力
所需发动机缸内平均有效压力
pme
发动机转速
2 M Dem Vs i
学
Vs为发动机排量，i为每缸每转点火次数。
直线制动时的最佳制动效能，转弯时不一定能达到。 当转弯加剧时，制动减速度（制动效率）将减小。
系
统
动
力
学
图5-22 后轴制动效率与车速和转弯半径的关系
34
转弯制动动力学分析
汽 车辆转弯制动时的受力状况 车 转弯制动时，车辆的纵向减速度、侧向加速度和车身侧 倾都会使各个轮胎的垂向载荷发生变化。
5
汽 车
车辆的动力供应
驱动力定义为地面作用于驱动轮胎接地印迹内纵向作 用力的的合力。
系
统
Fx M H / rd M eigi0t / rd
车辆沿前进方向的动力供求平衡方程
动
力
M et igi0 rd
( i mv mc )ax (iG f R )(mv mc ) g CD A
3ห้องสมุดไป่ตู้
汽 旋转质量换算系数 车
车辆对动力的需求
定义由车辆参数描述的旋转质量换算系数
系
统
动
力
mv是整车整备质量 车辆的总加速阻力
Θi i 1 2 mv rd
Fa (i mv mc )ax
学
mc是装载质量 若i大于2，表明用来加速旋转质量的动力需求高于平 动加速。（表5-1） 戴姆勒-奔驰1632K：1档10.12；2档3.18； …… 8档1.08
汽 水平路面匀速行驶的燃油消耗曲线 车 考虑变速器的增矩作用和传动系的功率损失，将随车速 变化的滚动阻力曲线转换到发动机万有特性图上。
系
统
动
力
学
图5-14 发动机特性曲线与功率需求曲线
20
减少油耗的途径
汽 有级变速器车辆的油耗状况 车 相同车速下，高速档的燃油消耗量少； 常用档位的燃油消耗量曲线应当尽量靠近最省油的工 作点。
换算到驱动轮上的当量转动惯量Θ ，应包括车轮、制动盘等所 有相关旋转部件的转动惯量。
学
25
汽 车
三、前后轴的附着率
驱动附着率f定义为纵向驱动力与法向力的比值。
系
统
Fxf ff , Fzf
Fxr fr Fzr
动
力
附着率与附着系数不同，是车辆所需驱动力与法向载荷的比值， 是附着系数中已经利用了的部分。 附着系数是车辆能得到的最大驱动力与法向载荷的比值。
汽 车
系
统
第 五 章
纵 向 动 力 学 性 能 分 析
动
力
学
1
汽 车
第一节
车辆行驶阻力
动力的需求与供应
车辆对动力的需求
车辆行驶阻力包括车轮滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、 加速阻力（平动分量和转动分量）。 加速阻力转动分量
系
统
动
力
学
M a tw Fa,r rd rd
汽 车
车辆燃油消耗量的影响因素
轿车车辆参数变化对燃油消耗量的影响
系
统
动
力
学
图5-17 各参数的变化对轿车燃油消耗量的影响 对于货车，整车质量对滚动阻力和耗油量起决定作用。 常以最高车速行驶，调整空气动力学参数更为重要。
23
汽 车
第四节 驱动与附着极限和驱动效率
一、车辆所受的垂向力
车辆所受的垂向载荷Fz由静载Fzs、动载Fzd、坡道分量 Fzg和空气动力学分量FL组成。
系
统
动
力
学
图5-15 匀速工况下某货车不同档位下的燃油消耗量
21
减少油耗的途径
汽 不同动力总成匹配方案的工作特性 车 CVT系统可以根据所需功率控制传动比，在发动机特性图 上任意选择工作点，使发动机总是工作在最省油的工况。
系
统
动
力
学
图5-16 发动机特性曲线与功率需求曲线
22
减少油耗的途径
汽 车
2、制动强度与制动效率
制动强度定义为车辆制动减速度与重力加速度的比值， 是制动效能的评价指标。
系
统
z axb / g
制动时，前、后轴的制动附着率分别定义为其制动力 与相应轴荷的比值。
动
力
ff Fbf / Fzf ,
fr Fbr / Fzr
学
将车轮将要抱死时的制动强度与附着率之比定义为制 动效率。
系
统
动
力
学
图5-18 车辆加速上坡的受力情况
24
汽 车
二、车辆所受的纵向驱动力
前轮驱动车辆所需的驱动力
系
统
Fxf FD FG Fa,t Fa,r FRr CD A
a
2
(u uw ) 2 mg sin G max
动
力
Θr b h 2 ax mgf R ( cos G sin G ) rd L L
动
力
学
图5-19 不同驱动方式下车辆的驱动效率与装载情况的关系
28
汽 车
第五节 制动性
一、制动性的评价
1、车辆制动性能的评价
制动效能 ——制动距离和制动减速度 制动效能的稳定性
系
统
动
力
——连续制动时保持一定制动效能的能力
制动时的方向稳定性 ——不跑偏、不侧滑、不失去转向能力
学
29
制动性的评价
电涡流缓速器能维持更高的稳定车速；
系
统
在低速范围内，发动机制动的效果更好。
动
力
学
图5-12 采用发动机制动和电涡流缓速器的车辆下坡 行驶稳定性分析
15
汽 车
第三节
燃油经济性
燃油消耗量的计算
单位里程燃油消耗量Btr和单位时间燃油消耗量Btp 根据发动机万有特性图可得到燃油消耗率曲线
系
统
动
学
18
汽 车
减少油耗的途径
车辆燃油消耗量
系
统
Btr be FDem / ( ft )
减少燃油消耗量的途径 发动机的工作状况
动
力
传动系统效率
车辆行驶阻力 MT车辆变速器传动比和主减速比的设计及换档时机的 选择，AT车辆的换档控制策略对燃油消耗率有很大的影 响。
学
19
减少油耗的途径
概述
系
统
动
力
学
图5-5 驱动功率平衡图（水平路面行驶工况）
8
汽 车
爬坡能力
后备驱动力Fx,ex
车辆行驶时实际需要的驱动力FDem与车辆所能提供的最 大驱动力Fx的差值。
系
统
动
力
学
图5-6 后备驱动力与爬坡能力关系的驱动力平衡图
9
汽 爬坡能力 车 假设车辆匀速行驶，全部后备驱动力都用于克服坡度 阻力，可以得到特定档位车速下的最大爬坡角