【交通运输】第二章 汽车动力性

2．空气阻力
定义：汽车在直线行驶时，空气作用力在行驶方向上的分力。
1）组成：空气阻力由表面阻力和压力阻力组成。
表面阻力：空气有粘度
压力阻力：车外形状
诱导阻力：空气升力在水平方向投影
内部阻力：流经散热器，发动机，车箱的阻力
干扰阻力：表面突起物，车门把手，后视镜底盘
其中，压差和诱导阻力： 50～90% （干扰在内）
U K
2 .rd n
i0ik
车速与档位关系：
qc
i1 i2 q i3 q 2 i4 .q3
速比等比级数分配图如右：
例题
已知：CA10B 一档i1 6.24 四档 i4 1
求： 解：
按等比级数分配的 i2 、i3
i1 i2 i3 q
i2 i3 i4
∵ i4 1
∴ i1 i2 i3
1.静态法向反力
前轴：
FZ 10
G
L2 L
后轴：
FZ 20
G
L1 L
2．惯性力引起的法向反力
前轴：
FZ 1d
m dv h dt l
后轴：
FZ 2d
m dv h dt l
FZ1d FZ 2d 0
2．数值相差不大 所以，动力性估算中，仍用台架使用外特性。
三、离合器和液力偶合器特性
特点： M E M A ， nE nA
效率：
PA M A .n A n A
PE M E .nE nE
滑转率：
S nE nA 1
nE
功率损失： (1 )PE S.PE
1．机械式离合器
主动片：外特性一点 c 、 nc 、 Pc 、M c
3．上坡（度）阻力
4．加速阻力
1）滚动阻力
a. 变形阻力 b. 摩擦力
a. 变形阻力
轮胎在滚动时，有两种变形：
径向变形
周向变形
轮胎滚动时的滞后损失。 弹性轮胎在硬路面上的滚动实质，如下图
滚动阻力 ：
M g Fz l
∵
T1rd M g F2l
∴
T
Mg r
FZ
e r
Fz Z Ga
令 f e ，即滚动阻力系数.
G ——汽车质量，Kg；
dv dt
——行驶加速度，m/s2 。
主要与飞轮的转动惯量
Imi2 i02
车轮的转动惯量 传动系转动惯量
IR
I ci0 2 有关
忽略传动系：
1
1 m
IR r2
1 m
I
mik2i02 r2
m
当进行动力性初步计算时，若不知道准确 I m、I R，可按下列经验公式估算：
1 1 2ik2
t
WR
Gf
0
Va dt
风阻部分消耗： 加速阻力部分消耗：
Ww
t 0
CD A 21.15
Va3
dt
W j
t 0
G g
dv dt
Va dt
以上就是循环行驶中功率和能量的关系。
§2-2 汽车的驱动系统
一、汽车动力装置的评价与选择
1．使用性能：特性曲线、操纵性、起动性 2．经济性：燃料消耗、泵位功率的成本 3．对环境的影响：排气、噪声、振动
CD AV 2 21 .15
N
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
CD
典型轿车 1.4～2.6 0.4～0.6
货 车 3～7
0.8～1.0
大 客 车 4～7
0.6～0.7
3）影响空气阻力因素
（1）车速： 与 V2成正比关系，而功率则与V3成正比关系
∵与理想扭矩特性有空隙
∴ a．合理选速比 b．多设档位
最高档速比——最高车速 最低档速比——最大驱动扭矩，汽车最低稳定车速Va 中间速比——发动机工作稳定性
发动机稳定工况条件
dM e dm' dV dV
即在扭矩曲线 M max 点右边工作 n n(M max)
换档时： 立①即相换邻入两低档档中：，低高档档应在在nn( Mm a xm a x )
第二章 汽车动力性
§2-1 汽车行驶需要的功率和能量
汽车行驶时所需要的功率取决于行驶阻力：
当 P驱 P(F Va )
匀速
P驱 P(F Va )
加速
一、汽车的行驶阻力
1．车辆阻力 2．空气阻力
1．车轮阻力 组成：1）滚动阻力 2）路面阻力 3）轮胎侧偏阻力
1）滚动阻力 a. 变形阻力 b. 摩擦力
D Ft Fw G
物理意义：单位车重所具有的后备驱动力， 标志着汽车克服 Ff 、 Fi 、 F j 能力， 可用于比较不同重量、不同空气阻力的汽车。
3．功率平衡图：驱动功率、行驶阻力功率与车速的关系。
Pt Ps m
Ps
M n 9549
kw
二、分析驱动平衡图可方便、形象地确定汽车最高车速、
加速性能和爬坡能力
（2）A： 车型，H↓为好
（3）表面： 突出物及光洁程度
（4） CD： 车身形状（流线型好）
3．坡度阻力：汽车重力沿坡道的分力。
Fi G sin
式中： ——坡道角度
∵
i h tg
s
对公路来说： i 很小 ＜9%
∴
sin tg
故
Fi G f sin G tg G i
由于坡道阻力及滚动阻力与道路有关，所以通常以道路阻力代表两者之和。
内部阻力：
2～11%
表面阻力：
3～30%
2）计算方法：
空气对物体的阻力与下列因素有关。
流速 U ： 对汽车来说，相对速度V= Va±Vf
密度 ： 空气密度，在一定条件下是常数
迎风面积 A ：与车形有关
F0
CD
A
2
2
式中 CD为无因次的空气阻力系数。
在一般动力计算中，认为空气阻力作用在风帆中心，
FW
②设计时，高档略高于n(M max)
低档略低于 nmax
③实际换档，不考虑车速下降
V 2 .nk rd 2 .nk 1 rd
i0ik
i0ik 1
即
ik 1 nk 1
ik
nk
令
q n k 1 nk
如上所述
q nmax n(M max)
qmax 1.5 ~2.0
速比分配方法：
1．等比级数分配
从动片：M A M c ，当 nA nc 时， S 0 ，PA PE （ 接合完毕）
2．液力偶合器 （主动）泵轮：
M KnP2 DP2
其中：K 是随涡轮与泵轮转速比变化的系数。
当 nT / nP 0
当 nT / nP c
M ～一个工作点
接合完毕
当 nT / nP 1 K 0 为减少损失 nT 尽量接近 nP ，一般 nT 0.98nP
；
q2 1.1 ~ 1.2
从下图中可看出
① V 在高档↓
②特性场中空隙低档比高档大
2．液力变矩器 “自学”
§2-3 动力性分析
一、驱动力——行驶阻力平衡图、动力特性图、功率平衡图
* 汽车行驶方程式： Ft Ff Fi Fw Fj
a）车速
M sik .i0 nm rd
G. f
G.i
C0 A 21.45
二、活塞式内燃机特性
发动机特性曲线：发动机功率、转矩、 油耗与发动机转速之间的函数关系曲线。
当节流阀全开：发动机外特性曲线 当节流阀部分开：发动机负荷特性曲线
转矩、功率和转速之间的关系式：
Pe
M .n 9549
kw
式中：M ——发动机转矩，N.m；
n ——发动机转速，r/min。
注意： 1．发动机制造厂提供的特性曲线：在试验台上无空 滤、水泵、风扇、消声、发电机等件，若全带上则称 为“使用特性曲线”。 2．台架试验是在稳定转速下测定P、M。 实际上，发动机热工况，混合气浓度与台架不同。例 如加速时，M比稳定工况下降5～8%。 但是1．变工况的研究不多见
1 2 0.03 ~ 0.05
二、汽车行驶方程式
根据上述分析， 可得出汽车行驶方程式
Ft Ff F Fi Fj
或
M s ik i0 T
rd
Gf
CD A 21.15
Va2
Gi
m
dv dt
1. 式中表明了各物理量之间的数量关系，可方便地进行动力分析。
2. 式中某量并不表示汽车外力：
D
f
cos max
3．汽车的加速能力
dv Ft (Ff Fw ) g D f g
dt
G
当 可知，可求出 j ，作出 j V 图。
由于 j 需用仪器测定，一般常用加速时间评价汽车加速性能。
例如：最高档加速性能 15km/h
0.8 Vmax
dv
j
dt
当从 V2
V1
T
t
dt
V2 1 dv
质心的
m
dv dt
m
dv dt
Ft、F f （总效应）
3. 结论是正确的。 所需要的功率：
P G( f
i)Va
.m
dv dt
Va
Ca A 21.15
Va2
Va
三、循环行驶
1．几种典型的行驶循环
例1：日本1975年排气规定:
10人以下的轿车，25人以下的轻型车,按10工况热循环试验：模拟起步、
Va2
.m
dVa dt
Va
0.377
rn ik i0
km/h
式中： r ——车轮滚动半径，m； n ——发动机转速，r/min。
b）半径 自由半径——轮胎自由状态下的半径。
滚动半径=滚动圆周/
2
子午 : 普通 :
0.97 自由半径 0.95自由半径
动态半径：受扭矩时的
rd
0.0254
d 2
1．最高车速 驱动力曲线与总阻力曲线的交点
Ft Ff Fi Fw
2．汽车的爬坡能力
汽车爬坡能力指在良好路面上，Ff Fw 克服之后，剩余驱动
力全部用来爬坡所能爬上的坡度。
dv 0 dt
Fi Ft (Ff Fw )
G sin Ft (Ff Fw )
sin
Ft
(Ff G
Fw )
四、变速器和液力变扭器特性
驱动轮上理想的扭矩、功率特性。 在整个转速范围内都能使用最大功率。
特点：1）功率曲线平行于n 轴
2）扭矩曲线是双曲线
效率：
PA M AnA PE M E nE
功率损失： (1 )PE
1．机械式变速器 固定速比： 例如：4档变速器
i nE M A nA M E
（ 1 ）
4．加速阻力
定义：汽车加速时，需要克服其质量加速时的惯性力。
汽车质量： ① 平移质量
F jt
Gdv gdt
② 旋转质量
Fjr I / r
为了便于计算：
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“汽车质量换算系数”。
即
Fj
dv dt
G g
.m dv
dt
（N）
其中： ——汽车旋转质量换算系数（ ＞1）；
停车多的市中心行驶条件， V =17.7km/h。
n工况冷循环试验：发动机起动后还未走热，汽车已起程，例如从郊区向
市内行驶， V 30.5 km/h。
2．循环行驶的能量
t
W 0Pdt
平路无风条件下：
W
t
{G. f
0
G
g
dv dt
CD A 21.15
Va2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
}Va
dt
其中，滚动阻力部分消耗:
0
j V1
但
1 j
与 dv 的关系式不易确定，所以一般用图解法.
§2-4 行驶附着条件
一、汽车行驶的驱动——附着条件
∵
.m dv dt
Ft
(Ff
Fw
fi )
∴ Ft Ff Fw Fi
才能加速行驶
1、驱动条件——第一条件
2、附着条件——第二条件
附着力——地面对轮胎切向反作用力极限值。
在硬路面上 FX max F FZ .
i2 i32
i1 i33
∴ i3 3 i1
故 i1 i2 3 i12 i3 3 i1 i4 1
2）渐近式速比分配 q c
现代轿车使用车速范围大，多采用渐进式速比分配。
以4档变速为例：
i3 i4
q1 q20
；
i2 i3
q1q12
；
高速间速比值小于低挡间速比比值。
i1 i2
q1q22
b.(1 )
m
式中：
d ——轮辋直径，in； b ——轮胎宽度，in； ——径向变形系数：0.1～0.16。
c）传动效率
m
Pe PT Pe
1 PT Pe
功率损失： ①机械损失
②液力损失 m 由实验得到 1．驱动力—车速图：
各档驱动力与车速的关系。 驱动力—行驶阻力图：
在上图上再画上行驶阻力曲线。 2．动力特性图：动力因数—车速关系曲线
其中 为附着系数。
对于后轮驱动的汽车：
∵
FX 2
Mt
Mf
FZ2
∴ Ft FZ2 ( f )
又∵ f 0
Ft FZ2
（附着条件）
综合上述，汽车驱动附着条件：
F f Fi Fw Ft FZ
二、车轮法向反作用力
汽车的附着力取决于法向反作用力
和附着系数，其中附着系数在第四章
介绍这里仅介绍车轮法向反作用力。
r
b. 摩擦力
a) 胎面与路面的摩擦 b) 轮胎变形使外胎与内胎，内胎与 垫之间 c) 汽车振动时，钢板间及各活动悬架之间 2）路面阻力 a .柔软路面 b. 积水路面 3) 轮胎侧偏阻力 当Va=40km/h时 变形阻力：90～95% 摩擦阻力：2～10%
影响滚动阻力的因素： 1）车重：转动↑ 轮胎变形↑ f↑ 2）路面：路面塑性变形大 f↑ 3）轮胎结构：子干胎比普通胎 f↓ 刚度好变形小 4）轮胎气压：气压↓ 变形↑ f↑ 但坏路f↓ 5）车速： 当Va＜50km/h f≈c 当Va＞100 f↑ Va＜150～200 当Va↑，振动Hz↑，轮胎周向，侧向扭曲变形↑