汽车驱动力和行驶阻力.ppt

1.2 汽车驱动力和行驶阻力,汽车动力传递路线：发动机离合器变速器副变速器传动轴主减速器差速器半轴轮边减速器车轮,问题1、汽车的动力传递路线？,图1-2 汽车驱动力,Tractive Force,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,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,发动机的速度特性,图1-3 汽油发动机外特性,Braking TorqueBraking Horsepower,发动机过渡工况的速度特性,在过渡工况，功率和转矩下降约5%6%。,外特性使用或制作方法,表格法（辅助插值）曲线族方法数学模型法,外特性及负荷特性数学描述,图1-4 汽油发动机外特性及部分负荷特性,外特性曲线：通常是在试验台上未带水泵、发电机等条件下测得。使用外特性曲线：即带有全部附件时的负荷特性，通常汽油机较外特性小15左右，而柴油机小10左右。,外特性与使用外特性,图1-6 发动机外特性和使用外特性,传动系机械效率T,主要损失部件 变速器和主减速器(含差速器)主要损失形式 液力损失和机械摩擦损失。液力损失：如搅动和磨擦。它与润滑油品种、温度、转速、油面高度等有关。机械损失：齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失,传动系机械效率的确定,通常，传动系机械效率是在专门的试验台上测得的，下图为某变速器在四档（直接档）、五档（超速档）工作时的传动效率。问题：为什么四档的效率较五档大？同一档位转矩增加时，润滑油损失减小，效率高；转速低时，搅油损失小，传动效率高。,1-1200r/min,2-1600r/min3-1900r/min,4-2200r/min,汽车传动系总成机械效率46档变速器T=0.9668档变速器T=0.95传动轴T=0.98主减速器T=0.96(单级)T=0.92(双级)汽车传动系机械效率轿车T=0.900.92商用车T=0.820.85越野车T=0.800.85,典型的传动系效率值,某汽车变速器的机械效率,车轮半径 r,自由半径r静力半径 rs滚动半径 rr=S/(2n)S滚动距离，n滚动圈数欧洲车轮委员会 rr=Fd/(2)其中:子午线轮胎 F=3.05 斜交轮胎 F=2.99动力学分析时，用静力半径；运动学分析时，用滚动半径。常不计它们的差别，而认为：rr=rs=r,定义：用Ft-ua曲线图来全面地描述汽车的驱动力。若已知外特性曲线、传动系传动比、传动系机械效率就可以计算驱动力。,汽车的驱动力图,汽车行驶阻力,滚动阻力Ff:轮胎内部摩擦产生的迟滞损失。这种迟滞损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶。,图1-9 轮胎径向变形曲线,图111,从动轮,滚动阻力系数,轮胎内部摩擦产生迟滞损失，这种损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶。,滚动阻力系数 车轮在一定条件下，滚动所需要推力Fp1与负荷W1之比，即单位重力的推力：,滚动阻力系数,阻力偶用滚动阻力描述,滚动阻力无法在受力图上画出，它是一个数值，在受力图上它是切向反力。,在实际计算时，可不必考虑阻力偶，而用滚动阻力替代,图112,驱动轮受力图,真正驱动车轮前进的力是地面切向反力Fx2。数值上等于汽车驱动力Ft与滚动阻力Ff之差。,驱动力与地面纵向（切向）力,滚动阻力系数的试验确定法牵引法、滑行法和转鼓法,1.速度ua对 f 的影响,对 f 的影响因素,2.轮胎的结构、材料、帘线对f 的影响也很大。子午线轮胎 f 小，天然橡胶 f 低。,f 的经验公式,一、车轮滚动阻力FR,Fg轮胎滚动阻力；Fs路面阻力；FQ轮胎侧偏引起的阻力。,1.轮胎滚动阻力Fg 1)弹簧轮模型通常以弹簧轮模型解释轮胎变形产生阻力（变形、与地面摩擦）的原因。在硬路面上，变形阻力是轮胎滚动阻力的主要组成。,(a)弹性车轮在硬路面上的滚动,一、车轮滚动阻力FR,弹性物质的迟滞损失,(b)迟滞损失造成的反力合力中心前移,2）轮胎滚动阻力各成分构成比例随车速的变化关系,一、车轮滚动阻力FR,变形阻力占9095%，摩擦阻力占210%，轮胎空气阻力所占比例很小。,轮胎滚动阻力在144km/h（40m/s）以上时增加较快，162km/h(45m/s)以上增加更快，180km/h(50m/s)达到某一临界车速时急剧增加，轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不再是圆形而呈现明显的波浪形。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度以上，胎面与轮胎帘布层脱落，几分钟内就会出现爆破现象，对高速行驶的车辆极为危险。,一、车轮滚动阻力FR,3）轮胎滚动阻力系数fg的定义单位轮荷的轮胎滚动阻力来定义无因次的滚动阻力系数fg,Fg轮胎滚动阻力 Z 轮胎载荷,可用FZ表示,一、车轮滚动阻力FR,即,根据力矩平衡式：,从而：,一、车轮滚动阻力FR,4）轮胎滚动阻力同车轮上的力及力矩的关系,结论：滚动阻力与偏心距和轮胎半径有关,一、车轮滚动阻力FR,2.各种路面上车轮滚动的附加阻力1）由路面不平产生的附加阻力fb：悬架系统的变形形成阻尼功并转化为热能，产生附加阻力，通常情况下可以忽略,一、车轮滚动阻力FR,2）由路面变形（柔性路面）产生的附加阻力,一、车轮滚动阻力FR,3）积水路面上的阻力轮胎排水产生排水阻力:,h 水层厚度；b 轮胎宽度；水的密度；v 挤水速度。,排水阻力系数 fs=Fs/Z，与车速的关系见后图,一、车轮滚动阻力FR,一、车轮滚动阻力FR,3.轮胎侧偏引起的附加阻力,侧偏附加阻力系数 fQ=FQ/Z,前束角为时，FQ1=2Ysin/2,侧偏附加阻力 FQ=Ysin Y 侧向力；侧偏角。,一、车轮滚动阻力FR,4.车轮阻力系数各分量与车速的关系,一、车轮滚动阻力FR,在实际计算中可由下表中选用。,一、车轮滚动阻力FR,从而有：,最后有：,二、空气阻力FW,长方体试验，给出了CW与气流速度、物体特征尺寸等因素的关系。,汽车直线行驶时受到的空气阻力在汽车行驶方向上的分力。分类：压力阻力和摩擦阻力 压力阻力主要受形状、扰动和诱导阻力组成。形状阻力主要与汽车的形状有关，约占58。计算公式为：,二、空气阻力FW,图中雷诺数：,试验表明：圆角半径对阻力影响很大。当圆角半径选择适当，空气阻力系数可以降低到0.15左右。,在无风条件下，va的单位为km/h；A的单位为m2；一般=1.2258Ns2m-4，则：,二、空气阻力FW,二、空气阻力FW,5070年代初，轿车CW在0.40.6左右；70年代能源危机后，为降低油耗，各国都致力于降低CW值；90年代，不少轿车的CW值已降到0.3甚至更低。如Passat轿车的CW已低到0.28；新设计车型:0.30以下.,1.空气阻力的组成 压差阻力、诱导阻力、表面阻力、内部阻力,二、空气阻力FW,1）压差阻力,空气阻力Fw正比于气流相对运动的动压力，作用在汽车外形表面上的法向力的合力在行驶方向的分力，约占9%。,2）诱导阻力车辆上下压差形成横向气流，导致车身表面产生涡流分离现象，产生所谓诱导阻力，即空气升力在水平方向的分力，占7。车尾的横向气流还形成两股很大的纵向涡流。,二、空气阻力FW,3）表面阻力车身表面气流的层流层、紊流区的摩擦力形成的阻力。车身长的车辆不可忽视。4）内部阻力流经散热器、发动机舱和车身内部的气流，由于动量损失形成的阻力。空气阻力各组成部分的比例大致为：压差和诱导阻力 50%90%表面阻力 3%30%内部阻力 2%11%,二、空气阻力FW,空气阻力系数CW需经试验测量得到：新设计轿车平均0.3左右；大客车0.40.9；货车及全挂列车0.50.85,空气阻力又可分为压力阻力和摩擦阻力压力阻力：压力阻力又分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。摩擦阻力：由于空气的粘度在车身表面产生切向力的合力在行驶方向的分力。,二、空气阻力FW,对一般轿车：压力阻力占91%。其中形状阻力占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%。,2.当空气流入角不为零时空气阻力的变化 经试验测定：无论轿车还是货车，在=2535时的空气阻力比=0时可高出65%。,二、空气阻力FW,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,坡道阻力,加速阻力Fj：平移质量惯性力Fjt，旋转质量惯性力Fjr,四、加速阻力Fj,车辆加速、减速时,四、加速阻力Fj,旋转部件转动惯量折算到车轮上的转动惯量以及车辆转动惯量的总和为：,式中 IR 全部车轮转动惯量；Ic传动轴、差速器等转动惯量(可忽略)；Im发动机、离合器、变速器转动惯量；ig变速器速比；i0主减速器速比,速度改变时必须考虑的旋转部件,汽车的总加速阻力：,四、加速阻力Fj,旋转质量系数,加速情况下汽车行驶阻力(动态行驶阻力)：,忽略传动轴、差速器等转动惯量，则上式可为：,四、加速阻力Fj,在干燥平直路面上则有：,加速情况下汽车行驶所需驱动功率,四、加速阻力Fj,功率与车速的关系,四、加速阻力Fj,汽车行驶方程式,从动轮受力分析,从动轮受力分析（续）,驱动轮受力分析,驱动轮受力分析（续）,小结,汽车行驶方程仅表示各个物理量之间的数量关系 汽车行驶方程有些项并不是外力 Ft不是作用于车轮的地面（切向）反作用力，仅为了计算方便才将其定义为驱动力 滚动阻力也不是作用于汽车上的阻力，而是以滚动阻力偶矩的形式作用于车轮上 作用在汽车上的惯性力是mdu/dt而不是mdu/dt 飞轮的惯性力矩作用在汽车的横截面上，而不作用于车轮上 Fj只是代表惯性力和惯性力矩的总效应,