大学精品课件:第二章 汽车的动力性 各种外力.ppt
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1、第二章第二章汽车的动力性汽车的动力性(作用于汽车的各种外力作用于汽车的各种外力)本章首先阐述汽车驱动力、各种行驶阻力、本章首先阐述汽车驱动力、各种行驶阻力、附着力及地面法向反作用力,建立驱动与附着力及地面法向反作用力,建立驱动与附着条件及汽车驱动力平衡方程。附着条件及汽车驱动力平衡方程。这些内容是分析汽车动力性的基础。这些内容是分析汽车动力性的基础。汽车在行驶过程中受到各种外力的作用汽车在行驶过程中受到各种外力的作用 沿汽车行驶方向作用于汽车的外力有驱动力和行沿汽车行驶方向作用于汽车的外力有驱动力和行驶阻力;驶阻力;在垂直于地面方向作用于汽车的外力,有重力垂在垂直于地面方向作用于汽车的外力,有
2、重力垂直于地面方向的分力和地面对车轮的法向反作用直于地面方向的分力和地面对车轮的法向反作用力;力;汽车横向平面内水平方向上的侧向力。汽车横向平面内水平方向上的侧向力。汽车的运动状态取决于作用在汽车上的各种外力汽车的运动状态取决于作用在汽车上的各种外力之间的关系。之间的关系。汽车的动力性决定于汽车的驱动力、行驶阻力及汽车的动力性决定于汽车的驱动力、行驶阻力及附着力之间的关系。附着力之间的关系。第一节第一节 汽车的驱动力汽车的驱动力 一、汽车的驱动力一、汽车的驱动力(一一)驱动力的产生驱动力的产生 动力传递路线:发动机(动力传递路线:发动机()离合器离合器()变速器(变速器()万向节传动轴(万向节
3、传动轴()主减速器(主减速器()差速器(差速器()半轴半轴车轮(车轮()作用于驱动轮上的转矩:作用于驱动轮上的转矩:N.mnTPtqe、离变、gi传主、0i差tTr、TgtqtiiTT0差主传变离T汽车的传动系统汽车的传动系统轿车的传动系统轿车的传动系统驱动力驱动力 驱动力:驱动力:N (1-1)则:则:N 式中式中:发动机的有效扭矩,发动机的有效扭矩,N Nm m;变速器传动比;变速器传动比;主减速器传动比主减速器传动比;传动系的机械效率传动系的机械效率;作用于驱动轮的转矩,作用于驱动轮的转矩,N Nm m;车轮半径,车轮半径,m m。rTFttriiTrTFTgtqtt0tqTgi0iTt
4、Tr图图1-11-1汽车的驱动力汽车的驱动力汽车发动机产生的扭汽车发动机产生的扭矩矩T Tt t经传动系传至驱动经传动系传至驱动轮,驱动轮便产生一轮,驱动轮便产生一个作用于路面的圆周个作用于路面的圆周力力F F0 0,路面则对驱动轮,路面则对驱动轮作用一个反作用力作用一个反作用力F Ft t,F Ft t与与F F0 0大小相等,方向大小相等,方向相反。相反。F Ft t即为驱动汽车的外力,即为驱动汽车的外力,称为汽车的驱动力。称为汽车的驱动力。(二二)与发动机扭矩与发动机扭矩 的关系的关系 是由发动机产生经传动系传至驱动轮的扭矩,由传动过程可是由发动机产生经传动系传至驱动轮的扭矩,由传动过程
5、可知:知:N Nm m (1-2)(1-2)将式将式(1-2)(1-2)代入代入 得汽车的驱动力得汽车的驱动力 N.mN.m (1-31-3)由上式可知,由上式可知,汽车的驱动力与发动机的扭矩、传动系的各传汽车的驱动力与发动机的扭矩、传动系的各传动比及传动系的机械效率成正比,与车轮半径成反比。动比及传动系的机械效率成正比,与车轮半径成反比。因为因为 N.mN.m 故故 N N 式中:式中:发动机在转速为发动机在转速为n n时的功率,时的功率,kWkW。tTtqTTgtqtiiTT0rTFttriiTFTktqt0nPTetq9550nriiPFTket09550eP二、汽车的驱动力图二、汽车的
6、驱动力图 表示汽车驱动力表示汽车驱动力 与车速与车速 之间函数关系的曲线即之间函数关系的曲线即 曲线,通常称为汽车的驱动力图。驱动力图曲线,通常称为汽车的驱动力图。驱动力图的作法如下:的作法如下:驱动力图的纵坐标为汽车的驱动力驱动力图的纵坐标为汽车的驱动力 ,横坐标为车,横坐标为车速速 。车速车速 与发动机转速与发动机转速 的换算关系如下。的换算关系如下。汽车的速度常用汽车的速度常用 表示,则表示,则 auatuF tFautFmin/rnau0602iirnugsm/hkm/060210003600iirnugahkm/0377.0iirnugahkm/做做 曲线图曲线图(汽车的驱动力图汽车
7、的驱动力图)(1 1)计算参数)计算参数 特性、特性、;(2 2)运用公式)运用公式 (3 3)在某一确定的档位)在某一确定的档位 下为定值。若已知下为定值。若已知 特性、特性、,便便可按式可按式 求出对应于不同发动机转速的求出对应于不同发动机转速的 值。值。(4 4)再按)再按 的对应关系,在的对应关系,在 坐标系内找出对应点,将所坐标系内找出对应点,将所得得各点连接成圆滑曲线,就得到汽车在该档位下的驱动力曲线。各点连接成圆滑曲线,就得到汽车在该档位下的驱动力曲线。nTtqgirit、0riiTFTktqt00377.0iirnugaginTtqrit、0tF,0riiTFTktqtnuaa
8、tuF atuF 发动机的速度特性发动机的速度特性 如将发动机的功率、转矩以及燃油消耗率凸与发如将发动机的功率、转矩以及燃油消耗率凸与发动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示,则此动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示,则此曲线称为发动机速度特性曲线或简称为发动机特曲线称为发动机速度特性曲线或简称为发动机特性曲线。性曲线。发动机节气门全开发动机节气门全开(或高压油泵在最大供油量位或高压油泵在最大供油量位置置),则此特性曲线称为发动机外特性曲线;,则此特性曲线称为发动机外特性曲线;节气门部分开启节气门部分开启(或部分供油或部分供油),则称为发动机部,则称为发动机部分负荷特性曲线。分负荷特性曲线。发动
9、机制造厂提供的发动机特性曲线,有时是在试验台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。备时的发动机特性曲线称为使用外特性曲线。发动机外特性曲线发动机外特性曲线使用外特性曲线的功率小于外特性的功率使用外特性曲线的功率小于外特性的功率 使用外特性曲线的功率小于外特性的功率。使用外特性曲线的功率小于外特性的功率。一般汽油发动机使用外特性的最大功率比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外特性的最大功率约小15152525;货车柴油机的使用外特
10、性最大功率约小货车柴油机的使用外特性最大功率约小5 51010;轿车与轻型汽车柴油机约小轿车与轻型汽车柴油机约小10101515。将外特性曲线转化成数据将外特性曲线转化成数据 为了便于计算,常采用多项式来描述由试为了便于计算,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验台测得的、接近于抛物线的发动机转矩曲线,即曲线,即 式中,系数式中,系数 可由最小二乘法来确可由最小二乘法来确定;拟合阶数定;拟合阶数 随特性曲线而异,一般在随特性曲线而异,一般在2 2、3 3、4 4、5 5中选取。中选取。kktqnananaaT2210kaaaa,210k例如,北京内燃机总厂生产的例如,北京
11、内燃机总厂生产的492Q492Q发动机,发动机,由试验测得的转矩特性为:由试验测得的转矩特性为:可由如下五次多项式来表示:可由如下五次多项式来表示:51641138241085607.81020898.110191286.61036485.1110913.039.160nnnnnTtq式中:式中:为发动机转矩为发动机转矩();为发动机转速为发动机转速()。tqTmN nmin/r经验公式计算发动机外特性:经验公式计算发动机外特性:1 1、计算汽油发动机外特性、计算汽油发动机外特性 已知给定最大功率已知给定最大功率 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 。maxePPnkwnnnnnnPPPPP
12、ee32max2 2、计算柴油发动机外特性、计算柴油发动机外特性 已知给定最大功率已知给定最大功率 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 。(1 1)直接喷射柴油机的外特性)直接喷射柴油机的外特性 maxePPnkwnnnnnnPPPPPee32max5.15.0(2 2)有预燃室的柴油机外特性)有预燃室的柴油机外特性 kwnnnnnnPPPPPee32max4.16.03 3、已知给定最大功率、已知给定最大功率 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 ;最大转矩最大转矩 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 计算。计算。maxePPnmaxtqTtqnmNnnnnTTTTtqtqPPtqtqt
13、q22maxmax)()(最大功率时相应的转矩。PTPePnPTmax9550n1n2n3n4n5n6n7n8n9Ttq1Ttq2Ttq3Ttq4Ttq5Ttq6Ttq7Ttq8Ttq9ntqTmN计算结果列表:计算结果列表:min/r对应于不同的档位,有不同的驱动力曲线,如图对应于不同的档位,有不同的驱动力曲线,如图1-21-2所示。由所示。由图可见,在不同档位下,图可见,在不同档位下,曲线对应的速度区间也不同。曲线对应的速度区间也不同。tF图图1-2 1-2 某汽车的驱动力图某汽车的驱动力图 三、传动系的机械效率三、传动系的机械效率 发动机产生的功率发动机产生的功率 ,经传动系传至驱动轮,
14、经传动系传至驱动轮的过程中,必须克服传动系各机构的各种阻的过程中,必须克服传动系各机构的各种阻力,因而消耗一部分功率,称为传动系的功力,因而消耗一部分功率,称为传动系的功率损失率损失 。由离合器,变速器、万向传动机构及主减由离合器,变速器、万向传动机构及主减速器的功率损失组成。其中变速器和主减速速器的功率损失组成。其中变速器和主减速器的功率损失所占比例最大。器的功率损失所占比例最大。传动系的机械效率为传动系的机械效率为 ePTPTPeTeTeTPPPPP1传动系的功率损失可分为传动系的功率损失可分为机械损失机械损失和和液力损失液力损失两大类。两大类。(1 1)机械损失)机械损失指齿轮传动副、轴
15、承,油封等指齿轮传动副、轴承,油封等处的摩擦损失。处的摩擦损失。机械损失与啮合传动的齿轮对数和传递的扭矩有机械损失与啮合传动的齿轮对数和传递的扭矩有关。也受制造和装配质量影响。关。也受制造和装配质量影响。(2 2)液力损失)液力损失指消耗于润滑油的搅动、润滑指消耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件表面的摩擦等功率损失。油与旋转零件表面的摩擦等功率损失。液力损失随润滑油、的粘度液力损失随润滑油、的粘度(粘度取决于润滑油粘度取决于润滑油品种和温度品种和温度)、箱件内油面的高度以及旋转件的、箱件内油面的高度以及旋转件的转速增加而增大。转速增加而增大。图图1-3 81-3 88 8驱动型汽车传动系总的功
16、率损失与行驶速驱动型汽车传动系总的功率损失与行驶速度和润滑油温度的关系。度和润滑油温度的关系。由图由图1-31-3可见,总的来说,提高可见,总的来说,提高车速使传动系损失增加。这是车速使传动系损失增加。这是由于车速升高时,液力损失和由于车速升高时,液力损失和由各总成传递的扭矩均有所增由各总成传递的扭矩均有所增加。加。当各总成润滑油温度降低时,当各总成润滑油温度降低时,粘度增大,传动系总的功率损粘度增大,传动系总的功率损耗也增大。耗也增大。其主要原因都是液力损失增加其主要原因都是液力损失增加了。了。1油温 2 3KTm320KTm290KTm275传动系的效率是在专门试验台上测得的。传动系的效率
17、是在专门试验台上测得的。CAl0BCAl0B汽车变速器汽车变速器IVIV档、档、V V档的传动效率试验,证明档的传动效率试验,证明了如下的结论:了如下的结论:(1 1)该变速器,在)该变速器,在IVIV档档 (直接档直接档)工作时,啮合齿工作时,啮合齿轮没有传递扭矩,因此,比轮没有传递扭矩,因此,比V V档档(超速档超速档)时的传动时的传动效率要高。效率要高。(2 2)同一档位下,传递扭矩增加时,液力损失所)同一档位下,传递扭矩增加时,液力损失所占比例减少,传动效率较高。占比例减少,传动效率较高。(3 3)在同一档位、同一扭矩下转速低时搅油损失)在同一档位、同一扭矩下转速低时搅油损失小,传动效
18、率比转速高时要高。小,传动效率比转速高时要高。提高传动效率措施:提高传动效率措施:(1 1)对于变速器所有的档位来说,)对于变速器所有的档位来说,较高的较高的档位,传动效率也较高档位,传动效率也较高。直接档的传动效。直接档的传动效率最高,所以应尽可能采用高速档行驶,率最高,所以应尽可能采用高速档行驶,最好为直接档。最好为直接档。(2 2)若)若将齿轮间的啮合间隙及轴承,油封将齿轮间的啮合间隙及轴承,油封的松紧度调整好,新出厂的汽车按规范走的松紧度调整好,新出厂的汽车按规范走合合,均可以提高传动系的机械效率。,均可以提高传动系的机械效率。提高传动效率措施提高传动效率措施(3 3)采用减少润滑油粘
19、度的办法来降低传动)采用减少润滑油粘度的办法来降低传动系的液力损失系的液力损失。综合各种试验研究的结果表明综合各种试验研究的结果表明在传动系总的损失中,因传递在传动系总的损失中,因传递扭矩造成的损失所占比重较小。对传动系损失有影响的基本扭矩造成的损失所占比重较小。对传动系损失有影响的基本因素是各总成结构型式和润滑油粘度。因素是各总成结构型式和润滑油粘度。这种方法通常有两种形式:这种方法通常有两种形式:选择合适的润滑油基础油,并向基础油中加入特种添加选择合适的润滑油基础油,并向基础油中加入特种添加剂。剂。对在使用中润滑油温度低于标准值的总成采取保温措施。对在使用中润滑油温度低于标准值的总成采取保
20、温措施。通常采用安装护板,利用绝热材料保温等办法来减少各总成通常采用安装护板,利用绝热材料保温等办法来减少各总成的散热。例如,采取保温措施可使的散热。例如,采取保温措施可使6 66 6驱动型汽车的油耗平驱动型汽车的油耗平均下降均下降3 34 4。改变各总成的结构参数是一条复杂而艰巨的途径。例如改变各总成的结构参数是一条复杂而艰巨的途径。例如用强制润滑代替飞溅润滑是减少液力损失的一种有效方法,用强制润滑代替飞溅润滑是减少液力损失的一种有效方法,但实施却不容易。但实施却不容易。提高传动效率措施提高传动效率措施(4 4)应按规范保养,按需要修理,以提高。)应按规范保养,按需要修理,以提高。在汽车使用
21、过程中,由于机件磨损,配合在汽车使用过程中,由于机件磨损,配合情况变坏,传动系效率将不断下降。情况变坏,传动系效率将不断下降。实际使用中,传动系效率受各种因素影响实际使用中,传动系效率受各种因素影响而变化,但对汽车进行一般动力性分析时而变化,但对汽车进行一般动力性分析时可将它视为常值。可将它视为常值。传动系效率等于各总成传动效率的乘积传动系效率等于各总成传动效率的乘积。汽车的传动系效率汽车的传动系效率 货车、客车和越野汽车的传动系效率可根据货车、客车和越野汽车的传动系效率可根据其传动系的组合形式,按表其传动系的组合形式,按表1-11-1进行估算。也进行估算。也可把传动效率取为常数。可把传动效率
22、取为常数。单级主减速货车单级主减速货车 =0.90=0.90;双级主减速货车双级主减速货车 =0.85=0.85;4 44 4货车货车 =0.85=0.85;6 6 6 6货车货车 =0.80=0.80;有级机械变速传动的轿车有级机械变速传动的轿车 =0.90=0.900.92。TTTTT传动系各总成的传动效率传动系各总成的传动效率 表表1-11-1四、车轮半径四、车轮半径 r r 现代汽车装用的弹性充气轮胎,在径向、切向、横现代汽车装用的弹性充气轮胎,在径向、切向、横向都有弹性。故车轮半径因受力和运动状态不同而向都有弹性。故车轮半径因受力和运动状态不同而异。异。1 1、自由半径、自由半径 。
23、车轮无载荷情况下的半径。通车轮无载荷情况下的半径。通常指标准充气压力下的半径。常指标准充气压力下的半径。2 2、静力半径、静力半径 。车轮只承受法向载荷、不转动、。车轮只承受法向载荷、不转动、只有径向变形时轮轴中心至支承面间的距离。只有径向变形时轮轴中心至支承面间的距离。与法向载荷,轮胎的径向刚度及支承面刚度有关。与法向载荷,轮胎的径向刚度及支承面刚度有关。0rsrosrr sr车轮半径车轮半径 r r 3 3、动力半径、动力半径 。滚动的车轮除承受法向载荷外,还受扭。滚动的车轮除承受法向载荷外,还受扭矩作用,轮胎有径向和切向变形时,轮轴中心与支承面间的矩作用,轮胎有径向和切向变形时,轮轴中心
24、与支承面间的距离用距离用 表示。表示。与法向载荷、轮胎气压、及扭矩大小有与法向载荷、轮胎气压、及扭矩大小有关。由于轮胎的切向刚度大,而且高速滚动时又有离心力作关。由于轮胎的切向刚度大,而且高速滚动时又有离心力作用,使车轮半径略有增大,故用,使车轮半径略有增大,故 。4 4、滚动半径、滚动半径 。表示车轮旋转运动与平移运动的折算半径。表示车轮旋转运动与平移运动的折算半径。即车轮旋转转以后,轴心位移即车轮旋转转以后,轴心位移S S,由此折算出,由此折算出 。也与法也与法向载荷、胎内气压、扭矩、路面状况有关。向载荷、胎内气压、扭矩、路面状况有关。或或 F F计算常数,子午线轮胎计算常数,子午线轮胎F
25、 F=3.05;=3.05;斜交轮胎斜交轮胎F F=2.99=2.99;d d欧洲轮胎、轮辋技术协会会员生产的轮胎自由直径。欧洲轮胎、轮辋技术协会会员生产的轮胎自由直径。grgrgrgsrr rrwrnSr22Fdrrrrrr分析分析 弹性车轮在刚性路面上滚动,并受切向力作弹性车轮在刚性路面上滚动,并受切向力作用时,由于驱动力或制动力引起的轮胎变形用时,由于驱动力或制动力引起的轮胎变形不同,驱动力作用下的滚动半径减小,制动不同,驱动力作用下的滚动半径减小,制动力作用下的滚动半径增大。力作用下的滚动半径增大。作动力学分析时,应用静力半径;作动力学分析时,应用静力半径;作运动学分析时,应用滚动半径
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