第三章汽車的動力性

第三章汽車的動力性第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車的動力性是指汽車在良好的路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的、所能達到的平均行駛速度。表示了汽車以最大可能的平均行駛速度運送貨物或乘客的能力。汽車的動力性是汽車各種性能中最重要、最基本的性能。第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車的動力性良好的路面直線行駛平均行駛速度運輸效率等最基本的性能縱向受力行駛方程式動力性評價指標第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1汽車驅(qū)動力和行駛阻力通過對汽車驅(qū)動力和行駛阻力的分析，確定行駛方程式，就了解汽車的運動狀況，從而估算汽車的最高車速、加速度和最大爬坡度。第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車動力傳動過程第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)動機變速器減速器等傳動系驅(qū)動輪驅(qū)動力行駛阻力滾動阻力坡度阻力加速阻力空氣阻力第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡關(guān)系式稱為汽車的行駛方程式。汽車行駛方程式為： Ft=ΣF 式中:Ft——汽車的驅(qū)動力；ΣF——汽車行駛阻力之和。第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、汽車的驅(qū)動力汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系傳至驅(qū)動輪，驅(qū)動輪便產(chǎn)生一個作用于路面的圓周力F0，路面則對驅(qū)動輪產(chǎn)生一個反作用力Ft(Ft與F0大小相等，方向相反)，即驅(qū)動汽車的外力，稱為汽車的驅(qū)動力，其數(shù)值為Ft＝F0＝Tt/r式中：Tt——作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩(N·m)；r——車輪半徑(m)。第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-1汽車驅(qū)動力TractiveForce第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入功率×機械效率＝輸出功率第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月傳動系的機械效率發(fā)動機所發(fā)出的功率Pe經(jīng)傳動系傳至驅(qū)動輪的過程中，為了克服傳動系各部件中的摩擦，會消耗掉一部分功率PT。傳動系的機械效率為：ηT＝1—PT／Pe 傳動系的機械效率因受到多種因素的影響而有所變化，但在進行汽車動力性的初步分析時可把它看作一個常數(shù)。第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月傳動系的功率損失由傳動系中的部件——變速器、傳動軸、萬向節(jié)、主減速器等的功率損失所組成。其中變速器和主減速器的功率損失所占比重最大，其余部件的功率損失較小。傳動系功率損失可分為機械損失和液力損失兩大類。機械損失是指齒輪傳動副、軸承、油封等處的磨擦損失。機械損失與嚙合齒輪的對數(shù)、傳遞的轉(zhuǎn)矩等因素有關(guān)。液力損失指消耗于潤滑油的攪動、潤滑油與旋轉(zhuǎn)零件之間的表面摩擦等功率損失。液力損失與潤滑油的品種、溫度、箱體內(nèi)的油面高度以及齒輪等旋轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

a、機械損失是齒輪傳動副、軸承、油封等處的摩擦損失。該損失與嚙合齒輪的對數(shù)、傳遞的轉(zhuǎn)矩等因素有關(guān)。b、液力損失是消耗于潤滑油的攪動、潤滑油與旋轉(zhuǎn)零件之間的表面摩擦等功率損失。液力損失與潤滑油的品種、溫度、箱體內(nèi)的油面高度以及齒輪等旋轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)速有關(guān)。第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月機械效率的檢測在專門的試驗臺上測得。直接檔時，嚙合的齒輪不傳遞扭矩，因此比其他檔位效率高。同一檔位轉(zhuǎn)矩增加時，潤滑油損失所占比例減少，機械效率較高；轉(zhuǎn)速低時攪油損失少，比轉(zhuǎn)速高時機械效率要高。0.9~0.92轎車（有級）0.82~0.85貨車與客車0.8~0.85越野車第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）車輪半徑輪胎的尺寸及結(jié)構(gòu)直接影響著汽車的動力性。車輪處于無載荷作用時的半徑，稱為自由半徑ro。

汽車靜止時，在車重作用下，輪胎產(chǎn)生以徑向變形為主的變形，車輪中心到輪胎與道路接觸面間的距離稱為靜力半徑rs。車輪的靜力半徑小于其自由半徑。如以車輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)與實際車輪滾動距離之間的關(guān)系換算得出車輪半徑，則稱其為車輪的滾動半徑。第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

rr=S/2πn

式中n——車輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)；

S——在轉(zhuǎn)動n圈時車輪滾動的距離。動力學(xué)分析時，應(yīng)該用靜力半徑（自由半徑）；而作運動學(xué)分析時，應(yīng)該用滾動半徑，但一般分析中常不計它們的差別。第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）汽車的驅(qū)動力圖一般用驅(qū)動力與車速之間的函數(shù)關(guān)系曲線Ft—Va來全面表示汽車的驅(qū)動力，稱為汽車驅(qū)動力圖。汽車驅(qū)動力圖直觀地表示變速器處于各檔位時，驅(qū)動力隨車速變化的規(guī)律。第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于驅(qū)動力圖由發(fā)動機外特性變換后得到的，它表示使用各個檔位時不同車速下汽車所能發(fā)出驅(qū)動力的極限值。在汽車行駛中，加速踏板常處于部分行程位置，相應(yīng)驅(qū)動力也位于驅(qū)動力圖相應(yīng)曲線的下面。

第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、汽車的行駛阻力汽車在道路上行駛必須克服來自地面與輪胎相互作用而產(chǎn)生的滾動阻力和來自車身與空氣相互作用而產(chǎn)生的空氣阻力。滾動阻力用Ff表示，空氣阻力用Fw

表示。當汽車在坡道上行駛時，還要克服重力沿坡道的分力，稱為坡度阻力，以符號Fi表示。汽車直線行駛的時候還需要克服加速阻力，以符號Fj表示。因此，汽車直線行駛時其總阻力為:

ΣF=Ff+Fw+Fi+Fj

在上式中，滾動阻力和空氣阻力在任何時候都存在，坡度阻力和加速阻力在特定的條件下才存在。第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車行駛時所需要的功率取決于行駛阻力：當勻速加速第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）滾動阻力車輪滾動時，車輪和路面在接觸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生法向和切向的相互作用力，以及相應(yīng)的輪胎和支承路面的變形。這種變形取決于輪胎和地面的相對剛度。輪胎在硬路面上滾動時，輪胎變形是變形的主要成份；而當輪胎在松軟地面滾動時，主要變形為地面的沉陷變形。無論是輪胎還是路面的這些變形都伴隨著能量損失。這些能量損失是產(chǎn)生滾動阻力的根本原因。第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月遲滯損失在彈性車輪在硬路面上滾動時，車輪的變形是主要的，這種損失稱為彈性物質(zhì)的遲滯損失。這種彈性遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪運動一種的阻力偶。輪胎在滾動時，有兩種變形：第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月滾動阻力系數(shù)是車輪在一定條件下滾動時所需推力與車輪負荷之比，即單位汽車重力所需之推力。在分析阻力的時候，不必具體考慮車輪滾動時所收到的滾動阻力偶矩，只要知道滾動阻力系數(shù)就可以求出阻力。注意：驅(qū)動力，滾動阻力Ff是無法在受力圖上表現(xiàn)出來，只是為了便于計算分析，而引進的。（力偶）第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月滾動阻力與路面的類型與路況、行駛車速以及輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、充氣壓力、磨損情況等有關(guān)。滾動阻力系數(shù)f的數(shù)值

路面類型滾動阻力系數(shù)良好的瀝青或混凝土路面一般的瀝青或混凝土路面碎石路面良好的卵石路面坑洼的卵石路面壓緊土路：干燥的雨后的泥濘土路（雨季或解凍期）干砂濕砂結(jié)冰路面壓緊的雪道0.010～0.0180.018～0.0200.020～0.0250.025～0.0300.035～0.0500.025～0.0300.025～0.0350.050～0.1000.100～0.3000.060～0.1500.015～0.0300.030～0.050第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月對轎車輪胎試驗發(fā)現(xiàn)，車速低于100km/h，滾動阻力逐漸增加，但變化不大；當車速超過140km/h時，滾動阻力增加很快；當車速達到某一臨界車速（200km/h），滾動阻力迅速增加。此時，輪胎發(fā)生駐波現(xiàn)象，輪胎輪緣呈現(xiàn)明顯的波浪狀。除了阻力快速增加，輪胎溫度也很快增加100℃以上，胎面與簾布層脫落，數(shù)分鐘后就會出現(xiàn)爆胎。這是高速行駛車輛的一種很危險工況。輪胎的結(jié)構(gòu)、簾線和橡膠的品種對滾動阻力都有影響。子午線輪胎的滾動阻力系數(shù)較低。輪胎充氣壓力對f值有很大影響，氣壓降低時f值迅速增加，這是因為氣壓降低時，滾動的輪胎變形大，遲滯損失增加的緣故。第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月輪胎充氣壓力對滾動阻力系數(shù)f影響也較大。輪胎充氣壓力降低時，輪胎變形增大，遲滯損失增加，而使?jié)L動阻力Ff增加。據(jù)德國奧迪試驗表明，輪胎氣壓比規(guī)定壓力增加10％，可有較好的節(jié)油效果，且不降低輪胎的使用壽命。但是，輪胎充氣壓力不可過高，否則就會降低輪胎壽命和增加道路早期損壞。第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月驅(qū)動輪的滾動阻力大于從動輪的滾動阻力。這是因為在驅(qū)動力矩作用下，胎面與接觸地面存在一定的滑動，增加能量損耗。驅(qū)動力越大，滾動阻力系數(shù)越大。汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，輪胎發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，滾動阻力增加。例如，通用公司DFW1100型34.5噸半掛車汽車在半徑33m的圓周行駛試驗表明，轉(zhuǎn)彎行駛的滾動阻力比直線行駛時增加50%～100%。第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月影響滾動阻力的因素：1）車重：W↑輪胎變形↑f↑2）路面：路面塑性變形大f↑3）輪胎結(jié)構(gòu)：子午線胎比普通胎f↓剛度好變形小4）輪胎氣壓：氣壓↓變形↑f↑壞路f↑5）車速：當ua＜50km/hf≈c當ua＞100km/hf↑當ua↑，振動Hz↑，輪胎周向，側(cè)向扭曲變形↑第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）空氣阻力定義：汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。分類：空氣阻力分為壓力阻力與摩擦阻力兩個部分。據(jù)測試，一輛以每小時100公里速度行駛的汽車，發(fā)動機輸出功率的80％被用于克服空氣阻力，減少空氣阻力，就能有效地改善汽車的行駛經(jīng)濟性。壓力阻力定義：作用在汽車外形表面上的法向壓力的合力在行駛方向的分力稱為壓力阻力。分類：形狀阻力，干擾阻力，內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。摩擦阻力由于空氣的粘性在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力。第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車行駛空氣作用空氣阻力壓力阻力（法向力）摩擦阻力（切向力）形狀阻力內(nèi)循環(huán)阻力誘導(dǎo)阻力干撓阻力第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀阻力58%干撓阻力14%內(nèi)循環(huán)阻力12%誘導(dǎo)阻力7%摩擦阻力9%第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀阻力是壓力阻力的主要部分，與車身主體形狀有很大關(guān)系。干擾阻力是車身表面突起物如：后視鏡、門把、引水槽、懸架導(dǎo)向桿、驅(qū)動軸等引起的阻力。內(nèi)循環(huán)阻力是發(fā)動機冷卻和車身通風(fēng)等空氣流動引起的阻力。誘導(dǎo)阻力是空氣升力在水平方向的投影。第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）坡度阻力當汽車上坡行駛時，汽車重力沿坡道的分力表現(xiàn)為汽車坡度阻力

Fi；，即

Fi=Gsinα 式中：G——作用于汽車上的重力，N。汽車的坡度阻力第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月由于坡度阻力與滾動阻力均屬于與道路有關(guān)的阻力，而且均與汽車重力成正比，故可把這兩種阻力合在一起稱作道路阻力，以Fφ表示，即

Fφ=Ff＋Fi=fGcosα＋Gsinα

第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）加速阻力汽車加速行駛時，需要克服其質(zhì)量加速運動時的慣性力，就是加速阻力Fj。汽車加速阻力可寫作：式中：δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，（δ＞1）；m——汽車質(zhì)量，單位為kg;——行駛加速度。第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車驅(qū)動力—行駛阻力行駛方程式汽車的基本參數(shù)汽車的動力性能最高車速加速能力爬坡能力第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車驅(qū)動力—行駛阻力驅(qū)動力行駛阻力爬坡能力的確定驅(qū)動力Ft空氣阻力Fw滾動阻力Ff爬坡能力等速第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、汽車行駛的驅(qū)動——附著條件與汽車的附著力

1.汽車行駛的驅(qū)動——附著條件汽車行駛的驅(qū)動力必須大于滾動阻力、坡度阻力和空氣阻力后才能加速行駛。若驅(qū)動力小于這三個阻力之和，則汽車無法開動，正在行駛的汽車將減速直至停車。所以汽車行駛的第一個條件為:

Ft≥Ff+Fw+Fi

上式是汽車行駛的必要條件，稱為汽車的驅(qū)動條件，但還不是汽車行駛的充分條件。通過加大發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、加大傳動比等措施來增大汽車驅(qū)動力，但是這些措施只有在驅(qū)動輪和地面不發(fā)生打滑現(xiàn)象時有效。

第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月如果打滑，無論如何增大轉(zhuǎn)矩，都不能增大地面的切向反作用力。這種現(xiàn)象說明，該切向反作用力受地面接觸強度的限制，即汽車行駛除受驅(qū)動條件制約，還受輪胎與地面附著條件的限制。2.汽車的附著力。汽車的附著力取決于附著系數(shù)以及地面作用于驅(qū)動輪的法向反作用力。驅(qū)動輪地面法向反作用力與汽車的總體布置、行駛狀況及道路的坡度有關(guān)。在一定附著系數(shù)的路面上，不同驅(qū)動方式的汽車具有不同的汽車附著力。

第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月附著力是由路面與輪胎決定的，切向反作用力不能大于附著力，大于后會發(fā)生驅(qū)動輪打滑的現(xiàn)象。第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月這就是汽車行駛必要與充分條件，稱為汽車行駛的驅(qū)動—附著條件。驅(qū)動力大動力性強驅(qū)動力大足夠的附著力（切向力）動力性強滿足輪胎與地面的附著條件第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、汽車的附著力附著力取決于附著系數(shù)以及地面作用于驅(qū)動輪的法向反作用力。汽車的附著力地面附著系數(shù)法向反作用力路面的種類和表面狀況行駛車速車輪的運動狀況汽車的總體布置行駛的狀況車身的形狀道路的坡度第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車的附著力主要取決于附著系數(shù)及地面作用在驅(qū)動輪的地面法向反作用力。附著系數(shù)主要取決于道路的種類和表面狀況，同時也與輪胎結(jié)構(gòu)，胎面花紋以及使用條件。一般動力性分析只需取附著系數(shù)的平均值。驅(qū)動輪地面法向反作用力與汽車的總體布置、行駛狀況及道路的坡度有關(guān)。2、汽車的附著力

第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月只有四輪驅(qū)動的汽車才能夠充分利用整部汽車的重力來產(chǎn)生汽車附著力。前輪驅(qū)動汽車的附著利用率不如后輪驅(qū)動的汽車，為克服此缺點，前輪驅(qū)動轎車的質(zhì)心位置都布置的偏前。第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、影響汽車動力性的因素

1.汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)對動力性的影響（1）發(fā)動機參數(shù)對汽車動力性的影響發(fā)動機的外特性、最大功率和最大轉(zhuǎn)矩對汽車動力性影響最大。在附著條件允許時，顯然，發(fā)動機功率轉(zhuǎn)矩越大，汽車的動力性就越好。但發(fā)動機功率過大，也是不合理的，一方面發(fā)動機功率過大將導(dǎo)致發(fā)動機尺寸、質(zhì)量、制造成本增加，特別是運行時的燃油經(jīng)濟性顯著下降；另一方面，汽車驅(qū)動力的提高受到附著條件的限制，不能無限地加大，所以過大地增大發(fā)動機功率也是無益的。

通常用發(fā)動機比功率（即發(fā)動機最大功率與汽車總重力之比）來衡量汽車發(fā)動機功率匹配。發(fā)動機比功率的大小對汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性等有很大影響，是選擇發(fā)動機功率的重要依據(jù)之一。

第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）傳動系參數(shù)對汽車動力性的影響。

1）傳動效率傳動系機械效率越高，傳動損失功率越小，發(fā)動機有效功率更多地轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動力，汽車動力性好。可在潤滑油中加入減磨添加劑和選用粘度適當且受溫度影響小的潤滑油，對提高傳動效率有明顯效果。

2）主減速器傳動比變速器處于直接擋時，主減速器傳動比將直接影響汽車的動力性。若主減速器傳動比設(shè)置不當，在其它條件不變的情況下，會使汽車的最高車速降低，汽車的最高車速小于發(fā)動機最大功率相對應(yīng)車速，將使汽車發(fā)動機最大功率不能利用，同時汽車后備功率也明顯降低，汽車動力性全面變壞。

第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

3）變速器傳動比及檔數(shù)對汽車動力性的影響汽車以最低檔（Ⅰ擋）行駛時，必須保證汽車具有足夠的驅(qū)動力，以使汽車具有克服最大行駛阻力的能力。如其它條件相同，I擋的傳動比直接影響汽車起步加速性能和最大爬坡能力?，F(xiàn)代汽車大多仍保持變速器的最小傳動比為1，即最高擋為直接檔；少數(shù)汽車變速器最小傳動比小于1，即最高擋為超速檔。利用超速擋的目的主要是提高汽車在良好道路上行駛的最高車速和高速時的燃油經(jīng)濟性。變速器檔位多，增加了發(fā)動機發(fā)揮最大功率附近高功率的機會，提高了汽車的加速能力和爬坡能力。

第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）空氣阻力系數(shù)Cd對汽車動力性的影響若兩汽車總重和驅(qū)動力相同，則空氣阻力Fw越小，克服道路阻力和加速阻力的能力越強，最高車速也提高，汽車的動力性越好。

空氣阻力系數(shù)Cd、迎風(fēng)面積以及車速決定了汽車空氣阻力的大小?？諝庾枇υ谄嚨退傩旭倳r，對汽車動力性影響較??；而在汽車高速行駛時，空氣阻力在汽車行駛阻力中占很大比重，對汽車動力性影響較大。所以改善汽車流線型，減少空氣阻力，對高速行駛汽車是非常必要的。

第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）汽車總重對動力性的影響汽車總重對汽車動力性影響很大。除空氣阻力外，其它行駛阻力都與汽車的總重成正比。動力因素與汽車總重成反比。因此，隨著汽車總重的增加，其動力性變差，汽車行駛的平均速度下降。如果能減輕汽車的自重，則可減小汽車行駛的滾動阻力、上坡阻力和加速阻力，使汽車動力性得到改善，而且燃油經(jīng)濟性也變好。第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）輪胎尺寸與型式對汽車動力性的影響汽車的驅(qū)動力Ft與輪胎半徑r成反比，而車速Va與輪胎半徑r成正比，因此，輪胎半徑對與動力性有關(guān)的驅(qū)動力和車速是矛盾的。現(xiàn)在，在良好路面上行駛的汽車，輪胎半徑有減小的趨勢。首先，汽車在良好路面上行駛時，附著力較大，用小直徑的輪胎，可得到較大的驅(qū)動力。車速的提高可以用減小主減速器傳動比來解決。輪胎尺寸和主減速器傳動比減小，使汽車質(zhì)心高度降低，提高了汽車的行駛穩(wěn)定性，有利于汽車的高速行駛。軟路面上行駛的汽車，車速不高，要求輪胎半徑大些，主要是為了增加輪胎與路面間的附著系數(shù)。

第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.使用因素對汽車動力性的影響