1、汽车理论汽车理论目录目录汽车的动力性指标汽车的动力性指标汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力汽车的驱动力-行驶阻力平行驶阻力平衡图与动力特性图衡图与动力特性图第一节第二节第三节汽车行驶的附着条件与汽车行驶的附着条件与汽车的附着率汽车的附着率第四节汽车的功率平衡汽车的功率平衡装有液力变矩器汽车的动力性装有液力变矩器汽车的动力性电动汽车的动力性电动汽车的动力性第五节第六节第七节第一节第一节 汽车的动力性指标汽车的动力性指标 从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发,汽车的动力性主要可由三方面的指标来评定,即:1)汽车的最高车速Uamax。2)汽车的加速时间t。3)汽车的最大爬坡度
2、imax。最高车速是指在水平良好的直线道路(混凝土或沥青)上汽车能达到的最高行驶稳定车速图1-1轿车的原地起步加速过程曲线第一节第一节 汽车的动力性指标汽车的动力性指标 汽车的加速时间表示汽车的加速能力,它对平均行驶车速有着很大影响,特别是轿车,对加速时间更为重视。常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。原地起步加速时间指汽车由档或档起步,并以最大的加速强度(包括选择恰当的换档时机)逐步换至最高档后到某一预定的距离或车速所需的时间。超车加速时间指用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。因为超车时汽车与被超车辆并行,容易发生安全事故,所以超车加速能力强,并行行
3、程短,行驶就安全。一般常用0402.5m(01/4mile)或0400m 的时间来表明汽车原地起步加速能力;也有用096.6km/h(060mile/h)0100km/h 所需的时间来表明加速能力的。对超车加速能力还没有一致的规定,采用较多的是用最高档或次高档由30km/h 或40km/h 全力加速行驶至某一高速所需的时间;还有用加速过程曲线即车速-时间关系曲线全面反映加速能力的。图1-1 所示为一些轿车的原地起步加速过程曲线。第一节第一节 汽车的动力性指标汽车的动力性指标 汽车的上坡能力是用满载(或某一载质量)时汽车在良好路面上的最大爬坡度imax 表示的。显然,最大爬坡度是指档最大爬坡度。
4、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;然而,它的档加速能力大,故爬坡能力也强。货车在各种地区的各种道路上行驶,所以必须具有足够的爬坡能力,一般imax 为30%即16.7左右。要进一步说明的是:imax 代表了汽车的极限爬坡能力,它应比实际行驶中遇到的道路最大坡度超出很多,这是因为应考虑到在实际坡道行驶时,在坡道上停车后顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力、克服坡道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求的缘故。第一节第一节 汽车的动力性指标汽车的动力性指标 越野汽车要在坏路或无路条件下行驶,因而爬坡能力是一个很重要的指标,它的最大爬坡度可达60%即31左右。应
5、指出,上述三方面指标均应在无风或微风条件下测定。有时也以汽车在一定坡道上必须达到的车速来表明汽车的爬坡能力。例如在TimothyC.Moore1.8 所写的文章中规定美国新一代轿车的爬坡能力为:在EPA 试验规定的质量下,应能以104km/h 的车速通过6%的坡道,而在满载时的车速则不能低于80km/h。军用车辆的战术技术要求中,不一定包含车辆的最高车速,但常规定在一定坡道上车辆应达到的速度。也有以一定坡道上汽车的加速时间来表明汽车加速性能的。例如Timothy C.Moore 提出美国新一代轿车满载时,在6%坡道上096km/h 的加速时间不应大于20s。他认为,汽车具有这样的加速性能,便可
6、以安全地从有坡度的匝道进入高速公路而驶入高速行驶的车流。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 确定汽车的动力性,就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。为此,需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力,即驱动力与行驶阻力。根据这些力的平衡关系建立汽车行驶方程式,就可以估算汽车的最高车速、加速度和最大爬坡度。汽车的行驶方程式为Ft=F 式中,Ft 为驱动力;F 为行驶阻力之和。驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。行驶阻力有滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。现在分别研究驱动力和这些行驶阻力,并最后把Ft=F 这一行驶方程式加以具体化,以便研究汽车的动力性。第二节
7、第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力一、汽车的驱动力一、汽车的驱动力 汽车发动机产生的转矩,经传动系传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上的转矩Tt 产生一个对地面的圆周力F0,地面对驱动轮的反作用力Ft(方向与F0 相反)即是驱动汽车的外力(图1-2),此外力称为汽车的驱动力。其数值为Ft=Tt/r式中,Tt 为作用于驱动轮上的转矩;r 为车轮半径。图1-2汽车的驱动力第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 作用于驱动轮上的转矩Tt 是由发动机产生的转矩经传动系传至车轮上的。若令Ttq 表示发动机转矩,ig 表示变速器的传动比,i0 表示主减速器的传动比(也可称
8、为主传动比),T 表示传动系的机械效率,则有Tt=Ttqigi0T对于装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置的汽车,上式应计入相应的传动比和机械效率。因此驱动力为Ft=Ttqig i0T/r (1-1)第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力1.发动机的转速特性 如将发动机的功率Pe、转矩Ttq 以及燃油消耗率b 与发动机曲轴转速n 之间的函数关系以曲线表示,则此曲线称为发动机转速特性曲线,或简称为发动机特性曲线。如果发动机节气门全开(或高压油泵在最大供油量位置),则此特性曲线称为发动机外特性曲线;如果节气门部分开启(或部分供油),则称为发动机部分负荷特性曲线。图1-3汽油发
9、动机外特性中的功率与转矩曲线第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 图1-3 所示为一台汽油发动机外特性中的功率与转矩曲线。nmin 为发动机的最小稳定工作转速,随着发动机转速增加,发动机发出的功率和转矩都在增加,最大转矩Ttqmax 时的发动机转速为ntq;再增加发动机转速时,Ttq有所下降,但功率继续增加,一直到最大功率Pemax,此时发动机转速为nP;继续增加转速时,功率下降,允许的发动机最高转速为nmax。如转矩的单位以Nm 表示,功率的单位以kW 表示,转速以r/min 表示,则功率与转矩有如下关系:Pe=Ttqn/9550第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车
10、的驱动力与行驶阻力 图1-4 所示为汽油发动机外特性及部分负荷特性的功率与转矩曲线。曲线上的数值为节气门开度百分比,相应的曲线便是各个节气门开度下的发动机转矩与功率。图1-5 所示为两种货车用增压柴油机的外特性。图1-4汽油发动机外特性及部分负荷特性的功率与转矩曲线图1-5两种货车用增压柴油机的外特性第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 发动机制造厂提供的发动机特性曲线,有时是在试验台上未带水泵、发电机等条件下测得的。带上全部附件设备时的发动机特性曲线称为使用外特性曲线。使用外特性曲线的功率小于外特性的功率。图1-6所示为BJ212 汽车发动机外特性和使用外特性中的功率与
11、转矩曲线。一般汽油发动机使用外特性的最大功率比外特性的最大功率约小15%;货车柴油机的使用外特性最大功率比外特性的最大功率约小5%;轿车与轻型汽车柴油机使用外特性的最大功率比外特性的最大功率约小10%。日本JIS 规定,1985 年以后生产的汽车均应给出净(net)功率,即使用外特性功率。图1-6BJ212 汽车发动机外特性和使用外特性中的功率与转矩曲线第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 还应指出,外特性台架试验是在发动机工况相对稳定,即保持水、机油温度为规定的数值,且在各个转速不变时来测量转矩与油耗数值的;而在实际使用中,发动机的工况常常是不稳定的。例如在汽车加速时,
12、发动机是在节气门开度迅速加大,曲轴转速连续由低升高的变化过程中工作的。发动机的热状况、可燃混合气的浓度等,与外特性台架试验时的稳定工况有差异。在加速过程的不稳定工况下,发动机所能提供的功率比稳定工况时稍有下降,电喷汽油机比化油器汽油机要下降得更少些。在进行动力性估算时,一般仍沿用稳态工况时发动机台架试验所得到的使用外特性中的功率与转矩曲线。为了便于计算,常采用多项式来描述由试验台测得的、接近于抛物线的发动机转矩曲线,即 式中,系数a0,a1,a2,ak 可由最小二乘法来确定;拟合阶数k 随特性曲线而异,一般在2、3、4、5 中选取。同时,还应注意最佳平方逼近多项式中遇到的正规方程组系数矩阵的病
13、态问题。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力例如,北京内燃机总厂生产的492Q 发动机,由试验测得的转矩特性如下:发动机转矩曲线可由如下五次多项式来表示:式中,Ttq 为发动机转矩(Nm);n 为发动机转速(r/min)。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力2.传动系的机械效率 输入传动系的功率Pin 经传动系传至驱动轮的过程中,为了克服传动系各部件中的摩擦,消耗了一部分功率。如以PT 表示传动系中损耗的功率,则传动系的机械效率为 传动系的功率损失由传动系中的部件变速器、传动轴万向节、主减速器等的功率损失所组成。其中变速器和主减速器的功率损失所占比重
14、最大,其余部件的功率损失较小。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 传动系功率损失可分为机械损失和液力损失两大类。机械损失是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失。机械损失与啮合齿轮的对数、传递的转矩等因素有关。液力损失指消耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件之间的表面摩擦等功率损失。液力损失与润滑油的品种、温度、箱体内的油面高度以及齿轮等旋转零件的转速有关。传动系的效率是在专门的试验台上测得的。图1-7a 所示为解放牌4t 货车CA10B 变速器在4 档、5 档工作时的传动效率。试验结果表明,在4 档(直接档)工作时,啮合的齿轮并没有传递转矩,因此比5 档(超速档)时的传
15、动效率要高。同一档位转矩增加时,润滑油损失所占比例减少,传动效率较高。转速低时搅油损失小,传动效率比转速高时要高。图1-7b 所示为新型解放10 档变速器第10 档的传动效率,曲线反映的规律与CA10B 发动机的传动效率一致。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力图1-7两种发动机变速器的传动效率a)解放牌4t 货车CA10B 变速器在4 档、5 档工作时的传动效率b)新型解放10 档变速器第10 档的传动效率11200r/min21600r/min;31900r/min42200r/min第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 传动效率因受到多种因素的
16、影响而有所变化,但对汽车进行初步的动力性分析时,可把它看作一个常数。表1-1 为传动系各部件的传动效率。采用有级机械变速器传动系的轿车,其传动效率可取0.9 0.92;货车、客车可取0.820.85。表1-1 推荐的数值亦可用来估算整部汽车的传动效率。表1-1传动系各部件的传动效率第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力3.车轮的半径 车轮处于无载时的半径称为自由半径。汽车静止时,车轮中心至轮胎与道路接触面间的距离称为静力半径rs。由于径向载荷的作用,轮胎发生显著变形,所以静力半径小于自由半径。如以车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系来换算,则可求得车轮的滚动半径为式中,
17、nw 为车轮转动的圈数;S 为在转动nw 圈时车轮滚动的距离。滚动半径由试验测得,也可以近似估算。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 欧洲轮胎与轮辋技术协会(European Tyre and Rim Technical Organization,ETRTO)推荐用下式来计算滚动圆周:式中,d 为ETRTO 会员生产轮胎的自由直径;F 为计算常数,子午线轮胎F=3.05,斜交轮胎F=2.99。以上滚动圆周系指在最大载荷、规定气压与车速在60km/h 时的滚动圆周,故滚动半径为第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 德国橡胶企业协会制定的WdK 准则中
18、,给出了在速度为60km/h 时的轮胎滚动圆周长CR,并给出下式以计算不同车速ua 时的滚动周长CR(mm),即 显然,对汽车进行动力学分析时,应该用静力半径rs;而进行运动学分析时,应该用滚动半径rr。但一般不计它们的差别,统称为车轮半径r,即认为rs rr r第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力4.汽车的驱动力图 一般用根据发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线Ft-ua 来全面表示汽车的驱动力,称为汽车的驱动力图。设计中的汽车有了发动机的外特性曲线、传动系的传动比、传动效率、车轮半径等参数后,即可用式(1-1)求出各个档位的Ft 值,再根据发动机转速与汽车
19、行驶速度之间的转换关系求出ua,即可求得各个档位的Ft-ua 曲线。发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为 式中,ua 为汽车行驶速度(km/h);n 为发动机转速(r/min);r为车轮半径(m);ig 为变速器传动比;i0 为主减速器传动比。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 图1-8 所示为具有5 档变速器的货车NKR552/555 的驱动力图。由于驱动力图中的驱动力是根据发动机外特性求得的,因此它是使用各档位时在一定车速下汽车能发出的驱动力的极值。实际行驶中,发动机常在节气门部分开启下工作,相应的驱动力要比它小。图1-8货车NKR552/555 的驱动力图第二节
20、第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力二、汽车的行驶阻力二、汽车的行驶阻力 汽车在水平道路上等速行驶时,必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。滚动阻力以符号Ff 表示,空气阻力以符号Fw 表示。当汽车在坡道上上坡行驶时,还必须克服重力沿坡道的分力,称为坡度阻力,以符号Fi 表示。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力,以符号Fj 表示。因此,汽车行驶的总阻力为 上述诸阻力中,滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的,坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。在水平道路上等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力1.滚动阻
21、力 车轮滚动时,轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的变形。轮胎和支承路面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬路面(混凝土路、沥青路)上滚动时,轮胎的变形是主要的。此时由于轮胎有内部摩擦产生弹性迟滞损失,使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。图1-9 所示为9.00-20 轮胎在硬支承路面上受径向载荷时的变形曲线。图中0CA 为加载变形曲线,面积0CAB0 为加载过程中对轮胎做的功;ADE 为卸载变形曲线,面积ADEBA 为卸载过程中轮胎恢复变形时放出的功。由图可知,两曲线并不重合,两面积之差0CADE0 即为加载与卸载过程之能量损失。此能量系消耗在轮胎各
22、组成部分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦,最后转化为热能而消失在大气中。这种损失称为弹性迟滞损失。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力图1-99.00-20 轮胎在硬支承路面上受径向载荷时的变形曲线图1-10弹性车轮在硬路面上的滚动第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 进一步分析便可知,这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。当车轮不滚动时,地面对车轮的法向反作用力的分布是前后对称的;但当车轮滚动时,在法线nn前后相对应点d 和d(图1-10a)变形虽然相同,但由于弹性迟滞现象,处于压缩过程的前部d点的地面法向反作用力大于处于恢复过
23、程的后部d 点的地面法向反作用力,这可以从图1-10b 中看出。设取同一变形,压缩时的受力为CF,恢复时的受力为DF,而CF 大于DF。这样就使地面法向反作用力的分布在车轮前后并不对称,它们的合力FZ 相对于法线nn前移一个距离a(图1-11a),它随弹性迟滞损失的增大而变大。合力FZ 与法向载荷W大小相等,方向相反。如果将法向反作用力FZ 平移至与通过车轮中心的垂线重合,则从动轮在硬路面上滚动时的受力情况也可画成图1-11b 所示的形式,即滚动时有滚动阻力偶矩Tf=FZ a 阻碍车轮滚动。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 由图1-11 可知,欲使从动轮在硬路面上等速
24、滚动,必须在车轮中心加一个推力Fp1,它与地面切向反作用力构成一个力偶矩来克服上述滚动阻力偶矩。由平衡条件得式中,f 为滚动阻力系数。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 可见,滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需的推力与车轮负荷之比,即单位汽车重力所需的推力。换言之,滚动阻力Ff 等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积,即图1-11从动轮在硬路面上滚动时的受力情况第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 这样,在分析汽车行驶阻力时就不必具体考虑车轮滚动时所受到的滚动阻力偶矩,而只要知道滚动阻力系数,从而求出滚动阻力即可(当然,滚动阻力无法在真正的受力图上
25、表现出来,它只是一个数值)。这将有利于动力性分析的简化。图1-12 所示为驱动轮在硬路面上等速滚动时的受力情况。图中FX2 为驱动力矩Tt 所引起的道路对车轮的切向反作用力,Fp2 为驱动轴作用于车轮的水平力,法向反作用力FZ 也由于轮胎迟滞现象而使其作用点前移一个距离a,即在驱动轮上也作用有滚动阻力偶矩Tf。由平衡条件得图1-12驱动轮在硬路面上等速滚动时的受力情况第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 滚动阻力系数由试验确定。滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。表1-2 给出了汽车在某些路面上以中、低速行驶时,滚动阻力系数f 的数值。表1
26、-2滚动阻力系数f 的数值第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 行驶车速对滚动阻力系数有很大影响。图1-13a 说明,这两种轿车轮胎在车速为100km/h 以下时,滚动阻力逐渐增加但变化不大;在某一车速(如140km/h)以上时增加较快。车速达到某一临界车速(例如200km/h)左右时,滚动阻力迅速增加,此时轮胎发生驻波现象,轮胎周缘不再是圆形而呈明显的波浪状。出现驻波后,不但滚动阻力显著增加,轮胎的温度也很快增加到100 以上,胎面与轮胎帘布层脱落,几分钟内就会出现爆破现象,这对高速行驶的车辆是很危险的。图1-13轿车轮胎的滚动阻力、滚动阻力系数与车速、充气压力的关系曲
27、线第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 轮胎的结构、帘线和橡胶的品种,对滚动阻力都有影响。图1-13b 给出了几种不同轿车轮胎的滚动阻力系数随车速与充气压力而变化的曲线。可以看出,轮胎充气压力对f 值影响很大。气压降低时f 值迅速增加,这是因为气压降低时,滚动的轮胎变形大,弹性迟滞损失增加。从图中还可以看出,子午线轮胎的滚动阻力系数较低。驱动状况下的轮胎,作用有驱动转矩,胎面相对于地面有一定程度的滑动,增加了轮胎滚动时的能量损耗。图1-14 所示为由试验得到的滚动阻力系数(包含胎面滑动损失)与驱动力系数的关系曲线。驱动力系数为驱动力与径向载荷之比。可以看出,随着驱动力系数
28、的加大,滚动阻力系数迅速增加;从图1-14 中还可以看出,子午线轮胎的滚动阻力系数较小,驱动力系数变化对它的影响也较小。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力图1-14滚动阻力系数(包含胎面滑动损失)与驱动力系数的关系曲线 货车轮胎的滚动阻力系数较小。货车的行驶车速较低,车速对滚动阻力系数的影响也比较小,轮胎滚动阻力系数与车速的关系接近于直线。在进行动力性分析时,若无试验得到的准确滚动阻力系数值,可利用经验公式大致估算。例如,有人推荐用下式计算良好道路上货车轮胎的滚动阻力系数:第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 图1-15a 给出了根据此式计算得到的
29、滚动阻力系数,图上还有依据其他经验公式计算得到的滚动阻力系数值。汽车动力学推荐用下面的公式估算轿车轮胎在良好路面上的滚动阻力系数:德国布伦瑞克工业大学车辆研究所在直径2m 的转鼓试验台上进行了各种轮胎的滚动阻力系数测定工作,图1-15b 中是SR 级(允许最高速度为180km/h)、HR 级与VR 级(允许最高速度分别为210km/h 与大于210km/h)子午线轮胎滚动阻力系数fz 与车速关系曲线的范围。图中还有SR-M+S 级(用于泥浆和积雪覆盖路面)、装有塑料防滑链的SR 级轮胎的滚动阻力系数曲线的范围。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力图1-15轮胎的滚动阻力系
30、数a)货车轮胎滚动阻力系数的估算公式b)轿车轮胎在转鼓试验台上的滚动阻力系数fz第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 用式(1-4)对转鼓上测得的各试验曲线进行拟合,求得式(1-4)中的系数f0、f1、f4的数值如下:在图1-15b 中还有参考文献1.5 中给出的两种子午线轮胎在转鼓上测得的滚动阻力系数曲线。在140km/h 车速以下,fz 值维持不变;速度更高时,fz 值逐渐增大,但大体上在布伦瑞克工业大学车辆研究所给出的范围内。可以利用表中的系数f0、f1 与f4 的数值,粗略估计轮胎(在转鼓试验台上)的滚动阻力系数fz。但是从图1-15b 可以明显看出,SR 级轮胎
31、的试验数据是很分散的,所以对SR 级轮胎的fz 值进行估算时,其可信度是较低的。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 轮胎在实际道路上的滚动阻力系数f 大于在转鼓上的滚动阻力系数。若令f=cfz,则在良好的沥青路面上c=1.2,在粗糙的水泥路面上c=1.31.4。在获得轮胎滚动阻力的试验数据时,应求其回归方程,以便于对汽车性能进行分析。轮胎滚动阻力的测量标准SAE J12692000 中推荐试验室测量的滚动阻力采用如下的回归方程:式中,FZ 为轮胎载荷(N);FR 为滚动阻力(N);p 为充气压力(kPa);v 为速度(km/h);A0 A4,a、b、c 为系数;、为指数
32、。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 Ben Wen 等人认为,SAE J12692000 中推荐的公式预测的只是80km/h 车速下的滚动阻力;而SAE J24521999 中推荐的公式,其物理意义更加明确,更加好用。利用回归方程可以方便地预测车速在115150km/h 范围内,在一定压力和载荷下的滚动阻力。附录B 和文献中给出了一些轮胎拟合的参数。为了控制汽车排放的温室气体CO2 的数量和节约燃料,欧洲联盟于2009 年7 月13日发布了第661 号法规,对C1 类、C2 类、C3 类轮胎的滚动阻力系数提出了限值要求,要求分两个阶段实施完成,即按照ISO 28580
33、:2009 标准测量的滚动阻力系数不能超过表1-3 的规定。2014 年11 月1 日起,禁止不符合第一阶段限值要求的新轮胎销售和使用(C3 类轮胎除外);2016 年11 月1 日起,按照第二阶段限值实施新型轮胎的型式认证。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力表1-3轮胎滚动阻力系数最高限值表1-4轮胎按滚动阻力分级第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 由表1-4 可以看出,A 级轮胎的滚动阻力系数已低到0.004、0.0065。在转弯行驶时,轮胎发生侧偏现象,滚动阻力大幅度增加。图1-16 中给出了总质量为34.5t的半挂车绕半径为33m 的圆周
34、行驶时,滚动阻力增加的情况。试验表明,这种由于转弯行驶增加的滚动阻力已接近直线行驶时的50%100%。但在一般的动力性分析中,常不考虑由转弯增加的阻力。图1-16转弯时的滚动阻力与车速的关系第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力2.空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力,称为压力阻力(图1-17);摩擦阻力是由于空气的黏性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。压力阻力又分为四部分:形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。形状阻力占压力阻力的大
35、部分,与车身主体形状有很大关系;干扰阻力是车身表面凸起物(如后视镜、手柄、引水槽、悬架导向杆、驱动轴等)引起的阻力;发动机冷却系、车身通风等所需空气流经车体内部时构成的阻力,即为内循环阻力;诱导阻力是空气升力在水平方向的投影。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力图1-17车身表面上的空气法向压力分布 在一般轿车中,这几部分阻力的大致比例为:形状阻力占58%,干扰阻力占14%,内循环阻力占12%,诱导阻力占7%,摩擦阻力占9%。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 在汽车行驶范围内,空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压力 成正比的形式,即 式
36、中,CD 为空气阻力系数,一般讲应是雷诺数Re 的函数,在车速较高、动压力较高而相应气体的黏性摩擦较小时,CD 将不随Re 而变化;为空气密度,一般=1.2258kg/m3;A 为迎风面积,即汽车行驶方向的投影面积(m2);ur为相对速度,在无风时即汽车的行驶速度(m/s)。本章只讨论无风条件下汽车的运动,ur 即为汽车行驶速度ua。如ua 以km/h、A 以m2计,则空气阻力(N)为第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 空气阻力是与CD 及A 值成正比的。A 值受到乘坐使用空间的限制,不易进一步减小,所以降低CD 值是降低空气阻力的主要手段。20 世纪50 70 年代初
37、,轿车CD 值维持在0.40.6 之间。但自70 年代能源危机后,为了进一步降低油耗,各国都致力于设法降低CD 值,至90 年代,不少轿车的CD 值已降到0.3 甚至更低一点。例如CITROENZX 富康轿车的CD 值为0.315,而Passat 轿车的CD 值已低到0.28。现代车身空气动力学工程师认为,低CD 值的轿车车身应具备下列特点(图1-18)。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 (1)车身前部发动机盖应向前下倾。面与面交接处的棱角应为圆柱状。风窗玻璃应尽可能“躺平”,且与车顶圆滑过渡。前立柱应圆滑,侧窗应与车身相平。尽量减少灯、后视镜等凸出物,凸出物的形状应
38、接近流线型。在保险杠下方的前面,应装有合适的扰流板。翼子板应与轮胎相平。(2)整车整个车身应向前倾斜1 2。水平投影应为“腰鼓”形,后端稍稍收缩,前端呈半圆形。(3)汽车后部最好采用舱背式(hatch back)或直背式(fast back)。应有后扰流板。若用折背式(notch back),则行李箱盖板至地面距离应高些,长度要短些,后面应有鸭尾式结构,参看图1-18b。(4)车身底部所有零部件应在车身下平面内且较平整,最好有平滑的盖板盖住底部。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。(5)发动机冷却进风系统仔细选择进风口与出风口的位置,应有高效率的散热器、精心设计的内部风道。第二节第二节 汽
39、车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 图1-18c 所示为克莱斯勒公司Dodge Intrepid ESX 车身的外形,其设计意图中的CD 值为0.2。这种车身的前发动机罩、后行李箱盖与车厢平顺圆滑地相连,总体造型浑然一体。目前,对货车与半挂车的空气阻力也很重视。不少半挂车的牵引车驾驶室上已装用导流板等装置,以减小空气阻力、节省燃油。值得指出的是,汽车的CD 值实际上随着车身的离地距离、俯仰角以及侧向风的大小而变化。一般给出的是额定载荷下(如轿车为半载),无侧向风时的空气阻力值。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力表1-5 汇总了一些汽车的空气阻力系数CD 和迎风面
40、积A 的数据。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力3.坡度阻力 当汽车上坡行驶时(图1-19),汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力,即Fi=Gsin(1-6)式中,G 为作用于汽车上的重力,G=mg,m 为汽车质量,g 为重力加速度。道路坡度是以坡高与底长之比来表示的,即i=h/s=tan根据我国公路路线设计规范,各级公路的设计车速见表1-6,公路的最大纵坡与车速的关系见表1-7。所以,一般道路的坡度均较小,此时sin tan=i故Fi=Gsin Gtan=Gi(1-7)第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力图1-19汽车的坡度阻力第二节第二节 汽
41、车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力 图1-20 所示为坡度i 与坡度角 的换算图。在坡度大时,近似等式有一定误差,坡度阻力应按式(1-6)计算。上坡时垂直于坡道路面的汽车重力分力为Gcos,故汽车在坡道上行驶时的滚动阻力为Ff=Gfcos。由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力,而且均与汽车重力成正比,故可把这两种阻力合在一起称作道路阻力,以F 表示,即F=Ff+Fi=Gfcos+Gsin当 不大时,cos1,sini,则F=Gf+Gi=G(f+i)令f+i=,称为道路阻力系数,则F=G图1-20坡度i与道路坡度角的换算图第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力
42、4.加速阻力 汽车加速行驶时,需要克服其质量加速运动时的惯性力,就是加速阻力Fj。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时,不仅平移质量产生惯性力,旋转质量也要产生惯性力偶矩。为了便于计算,一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力,对于固定传动比的汽车,常以系数 作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数,因而汽车加速时的阻力(N)可写作 式中,为汽车旋转质量换算系数,1;m 为汽车质量(kg);du/dt 为行驶加速度(m/s2)。主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。根据公式推导(详见下文)有第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶
43、阻力 式中,Iw 为车轮的转动惯量(kgm2);If 为飞轮的转动惯量(kgm2);i0 为主传动比;ig 为变速器的速比。在进行动力性初步计算时,若不知道准确的If、Iw 值,也可利用图1-21,根据档位与总传动比大致确定 值。图1-21汽车旋转质量换算系数a)轿车旋转质量换算系数与传动系总传动比ig i0 的关系b)货车旋转质量换算系数与传动系总传动比ig i0 的关系第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力三、汽车行驶方程式三、汽车行驶方程式根据上面逐项分析的汽车行驶阻力,可以得到汽车行驶方程式为 考虑到实际上正常道路的坡度角不大,cos1,sintan,故常将上式写为
44、 式(1-10)表示无风天气、正常道路上行驶汽车的驱动力与行驶阻力的数量关系,在进行动力性分析时十分有用。但应指出,这个方程式并未经过周密的推导。为此,下面依据动力学中的功率方程,即汽车整体动能对时间的变化率等于所有作用力的功率,导出汽车旋转质量换算系数,并建立汽车行驶方程式。当车速为u(m/s)时,汽车的动能为第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力汽车受到的外力的功率(Nm/s)为P=-(Ff+Fw+Fi)u汽车内力的功率(Nm/s)主要是发动机气缸内气体推动活塞的功率,可写作式中,e 为发动机飞轮的角速度(1/s)。这一驱动功率还可写作 再则就是传动系中的摩擦损耗功率。
45、若Fr 表示传动系内各部分摩擦阻力转换到车轮周缘的(总)阻力,则传动系摩擦阻力的负功率为Pr=-Fru 下面先确定Fr 值,为此参看图1-22第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力图1-22加速时传动系统的受力情况a)发动机飞轮受力图b)驱动轮受力图 汽车加速或无级变速器速比变化时,发动机的旋转质量(主要为飞轮)也相应有角加速度de/dt,它们之间的关系可由下式求得:式中,为车轮角速度(1/s);ig 为有级或无级变速器传动比。第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力无级变速器传动比是随时间而变化的,故 忽略有级变速器齿轮或无级变速器旋转元件、传动轴与主减
46、速器齿轮的转动惯量,加速时半轴施加于驱动轮的转矩 Tt为若设传动系无任何摩擦阻力,则施加于驱动轮的转矩为故传动系中各处摩擦转换到驱动轮处的摩擦阻力转矩为显然,传动系中各处摩擦转换到车轮周缘的(总)摩擦阻力为第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力所以传动系中的摩擦损耗功率为依据动力学中的功率方程可列出下式:因此得出汽车行驶方程式如下:第二节第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车的驱动力与行驶阻力由此可知汽车的加速阻力为 对于装有有级式固定传动比变速器的汽车,dig/dt=0,加速阻力只有上式中前面一项mdu/dt,所以 为装有固定传动比变速器汽车的旋转质量换算系数。若为装有传动比
47、连续变化的无级变速器汽车,加速阻力还应包含上式中的第二项。第二项加速阻力是由于传动比变化率dig/dt 使发动机飞轮加速而产生的。第三节第三节 汽车的驱动力汽车的驱动力-行驶阻力平衡图行驶阻力平衡图与动力特性图与动力特性图一、驱动力一、驱动力-行驶阻力平衡图行驶阻力平衡图前面曾得到装用有级式固定传动比变速器汽车的行驶方程式为 此公式表明了汽车行驶时驱动力和外界阻力之间相互关系的普遍情况。当发动机的转速特性、变速器的传动比、主减速比、传动效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积以及汽车质量等初步确定后,便可利用此式分析在附着性能良好的典型路面(混凝土、沥青路面)上的行驶能力,即确定汽车在节气门
48、全开时可能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力。为了清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系,一般是将汽车行驶方程式用图解法来进行分析的。就是说在图1-8 所示汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也算出并画上,作出汽车驱动力-行驶阻力平衡图,并以此来确定汽车的动力性。第三节第三节 汽车的驱动力汽车的驱动力-行驶阻力平衡图行驶阻力平衡图与动力特性图与动力特性图 图1-23 所示为具有5 档变速器紧凑型轿车的驱动力-行驶阻力平衡图。图1-23 上既有各档的驱动力,又有滚动阻力以及滚动阻力和空气阻力叠加后得到的行驶阻力曲线。从图1-23 上可以清楚地看出不同车速时驱动力和行驶
49、阻力之间的关系。汽车以最高档行驶时的最高车速,可以直接在图1-23 上找到。显然,Ft5 曲线与Ff+Fw 曲线的交点便是uamax。因为此时驱动力和行驶阻力相等,汽车处于稳定的平衡状态。图1-23 中最高车速为175km/h。图1-23汽车驱动力-行驶阻力平衡图第三节第三节 汽车的驱动力汽车的驱动力-行驶阻力平衡图行驶阻力平衡图与动力特性图与动力特性图 从图1-23 中还可以看出,当车速低于最高车速时,驱动力大于行驶阻力。这样,汽车就可以利用剩余的驱动力加速或爬坡。当需要在119km/h 等速行驶时,驾驶员可以关小节气门开度(图1-23 中虚线),此时发动机只用部分负荷特性工作,相应地得到虚
50、线所示驱动力曲线,以使汽车达到新的平衡。汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价,但第一节中已经指出,由于加速度的数值不易测量,实际中常用加速时间来表明汽车的加速能力。譬如用直接档行驶时,由最低稳定速度加速到一定距离或80%uamax 所需的时间表明汽车的加速能力。现在根据图1-23 求出汽车的加速时间。由汽车行驶方程得第三节第三节 汽车的驱动力汽车的驱动力-行驶阻力平衡图行驶阻力平衡图与动力特性图与动力特性图 显然,利用图1-23 可计算得出各档节气门全开时的加速度曲线,如图1-24 所示。由图可以看出,高档位时的加速度要小些,档的加速度最大。但是有的越野汽车档 值甚大
