汽車動力學基礎 課件 3 汽車驅動動力學

3.1.1汽車動力裝置工作特性車用動力裝置的理想工作特性第三章汽車驅動動力學3.1汽車的驅動力理想動力裝置特性應滿足在全車速范圍內為恒功率輸出，其輸出轉矩與轉速按雙曲線規(guī)律變化。

這樣的工作特性就能使低速行駛的車輛以更大的驅動力進行加速、爬坡或拖帶負荷。汽油發(fā)動機外特性曲線柴油發(fā)動機外特性曲線外特性曲線部分負荷特性曲線外特性曲線特點最大功率最大扭矩最高允許轉速實際動力裝置特性例題3.1應用Matlab軟件編制程序，擬合如表3.1所示的某發(fā)動機轉矩特性。表3.1發(fā)動機外特性具體參數(shù)轉速/（r/min）100015002000250030003500400045005000輸出轉矩/（Nm）157.18166.08170.02173.26174.18171.74169.34165.02161.08clearallclcn=[1000:500:5000];T=[157.18166.08170.02173.26174.18171.74169.34 165.02161.08];dt=polyfit(n,T,4);%對發(fā)動機輸出轉矩特性進行多項式擬合，階數(shù)取4n1=500:100:5500;T1=polyval(dt,n1);figureplot(n1,T1,'b-',n,T,'r+');%圖示發(fā)動機輸出轉矩特性xlabel('n_e（r/min）');ylabel('T_e（N·m）')gridon3.1.1汽車動力裝置工作特性圖3.5驅動電機特性曲線發(fā)動機和電動機由于自身的轉矩和轉速變化范圍較小，并不能很好滿足汽車起步、加速、上坡或倒車等工況的動力性和使用經濟性要求，因此需要配備合適的傳動系統(tǒng)。3.1.1汽車動力裝置工作特性驅動電機：新能源汽車重要的動力源，它不僅轉速易于調節(jié)，而且具有接近理想動力裝置的工作特性。恒轉矩區(qū)：隨著轉速的增加，電機功率上升，但輸出轉矩恒定，在基速時電機功率達到最大值。恒功率區(qū)：隨著電機轉速增加，電機輸出功率恒定，而轉矩隨轉速呈雙曲線下降。3.1.1汽車動力裝置工作特性騰勢電動汽車86kW永磁同步電機參數(shù)ModelSP85的310kW交流異步電機永磁同步電機在驅動效率和功率密度方面優(yōu)于三相異步電機。特斯拉在ModelS和X電動汽車上使用大功率的三相異步電機，在Model3上使用永磁同步電機。https:///question/33551965

3.1.2傳動系統(tǒng)的工作特性（1）機械變速器當變速器傳動比為等比級數(shù)時，方便駕駛人在相同發(fā)動機轉速范圍內（ne1

~ne2）進行換檔操作，當發(fā)動機轉速增大到一定數(shù)值（ne2）時升檔，或發(fā)動機轉速減小到一定數(shù)值（ne1）時降檔。汽車以各檔位行駛時，發(fā)動機可以總在最大功率點附近的同一轉速范圍內工作，有助于提高汽車的動力性能。便于和副變速器結合，構成更多檔位的等比級數(shù)變速裝置。3.1.2傳動系統(tǒng)的工作特性（1）機械變速器3.1.2傳動系統(tǒng)的工作特性3.1.2傳動系統(tǒng)的工作特性變速器與發(fā)動機的匹配更加理想。在停車情況下，輸出轉速為零，效率為零，液力變矩器的輸出扭矩最大，約為輸入扭矩的2.5倍，可使汽車在起步時具有更好的加速性能。隨著變速器轉速比的增加，變矩比K降低，傳動效率η相應提高。當轉速比i進一步增加，變矩比K接近1，但此時傳動效率η下降。當傳動比達到iK=1時，轉為按耦合器特性工作。為避免動力流失，變矩器還可用離合器鎖止，轉矩比K為1，效率η也達到最高，為100%。（2）液力變矩器汽車的驅動力-車速曲線3.1.3汽車驅動力圖汽車驅動力圖：根據(jù)發(fā)動機外特性確定的驅動力Ft與車速V之間的函數(shù)關系曲線。汽車驅動力隨車速先增大然后減小。1檔時，車輛驅動力最大，但車速范圍很小；檔位升高，驅動力減小，車速工作范圍擴大，5檔時，盡管驅動力最小，但車速工作范圍最大。在車輛加檔加速過程中，相同功率點具有逐漸降低的轉矩，這就使得車輛具有較理想的動力特性。3.1.3汽車驅動力圖裝有液力變速器的汽車驅動力圖裝備自動變速器的車輛AT汽車處于低速檔時，由于變速器傳動比ig和液力變矩器變矩比K的增加，汽車驅動力較高速檔為大，且比裝有MT的大。AT汽車從速度為零開始，能連續(xù)不斷地發(fā)出驅動力，起步平順柔和無沖擊，而MT汽車在車速為零時，必須依靠離合器滑轉才能傳遞驅動功率。AT汽車在中、高速時，由于液力變矩器效率低，動力性并無改善。若液力變矩器裝有鎖止離合器，則汽車在高速行駛時，其驅動力與MT汽車的相等。汽車直線行駛時受到空氣的作用力，該力在行駛方向上的分力，稱為空氣阻力，分為壓力阻力和摩擦阻力兩部分。壓力阻力：形狀阻力、干擾阻力、內循環(huán)阻力、誘導阻力。誘導阻力內循環(huán)阻力干擾阻力形狀阻力摩擦阻力（2）空氣阻力

（1）滾動阻力3.2汽車的行駛阻力誘導阻力3.2汽車的行駛阻力（2）空氣阻力3.2汽車的行駛阻力溫度（oC）車窗百公里燃油消耗量（L）車流最高車速（km/h）31關閉4.8高峰755.1正常8531打開4.9高峰755.1正常8510關閉5.5高峰75（2）空氣阻力

汽車空氣阻力系數(shù)演變物體風阻系數(shù)垂直平面體1F10.6~1.3球體0.5SUV0.3~0.3跑車0.3~0.35轎車0.28~0.35概念車0.2飛機0.08雨滴0.05Cd=0.48Cd=0.288保時捷Taycan電動車TeslaModel3電動車電動汽車空氣阻力系數(shù)車型指導價萬元風阻系數(shù)奔馳EQS107.96-151.860.200保時捷Taycan88.80-180.800.22特斯拉ModelS85.999-105.9990.208蔚來ET744.80-52.600.208小鵬P721.99-40.990.236比亞迪漢EV20.98-27.950.233特斯拉Model325.17-33.990.23蔚來ET7電動車（2）空氣阻力

降低空氣阻力系數(shù)的措施（2）空氣阻力

蔚來ET7車身結構設計及對空氣阻力的影響（2）空氣阻力

風阻系數(shù)對于汽車設計而言是越小越好么道路阻力當α較小時，cosα≈1，sinα≈tanα≈i（3）坡度阻力

坡度阻力道路阻力系數(shù)ψ=fcosα+sinα設計速度（km/h）1201008060403020最大縱坡（%）3456789ωe=igi0v/rw汽車加速阻力（4）加速阻力

發(fā)動機飛輪的慣性力矩所有車輪的慣性力矩汽車的加速阻力汽車等效質量系數(shù)汽車的行駛方程式正常道路的坡度角不大，cosα≈1，sinα≈i，3.3.1汽車行駛方程式3.3基于動力裝置性能的汽車動力性計算該式只是表示各物理量之間的數(shù)量關系，有些項并不是真正作用于汽車上的外力。Ft必須大于Ff、Fw和Fi后，才能加速行駛，若Ft小于這三項之和，則汽車無法開動，或者正在行駛的汽車將減速。車輛驅動力等于滾動阻力及空氣阻力之和時，后備驅動力為零，車輛維持等速直線行駛；驅動力大于兩項阻力之和時，后備驅動力大于零，可使車輛加速或爬坡；車輛驅動力小于兩者之和時，行駛中的車輛將減速以達到平衡。3.3.2汽車驅動力與行駛阻力平衡圖3.3.3汽車功率的平衡在汽車行駛的每一瞬間，動力裝置發(fā)出的功率始終等于機械傳動損失功率與全部運動阻力所消耗的功率。后備功率后備功率越大，汽車動力性越好。（一）汽車動力性的定義汽車在良好路面上直線行駛時，由汽車受到的縱向外力決定的、所能達到的平均行駛速度。（二）汽車動力性指標及計算（1）汽車的最高車速Vmax

（2）汽車的加速時間t3.3.4汽車動力性指標的計算布加迪-馳龍，功率1500HP，在0-100km/h加速時間2.3秒；0-200km/h加速時間6.5秒；0-300km/h加速時間13.6秒；最高車速420km/h。由驅動力—行駛阻力平衡圖可以做出加速度曲線。

由加速度曲線作出加速度倒數(shù)曲線，再積分，即可求出加速時間。思考：從圖中看，在什么時候換擋可以使加速時間最短？（2）汽車的加速時間t汽車加速度倒數(shù)曲線V汽車加速度曲線V/(km/h)（3）汽車的最大爬坡度imax汽車I擋最大爬坡度一般貨車imax在30%即16.7°左右，越野汽車要在壞路或無路條件下行駛，最大爬坡度可達60%即31°左右。電動汽車不小于20%，即11.3o。（二）汽車動力性指標及計算汽車的爬坡度圖V/(km/h)汽車動力裝置經傳動系統(tǒng)作用在驅動輪上的轉矩Tt產生的驅動力Ft不能大于附著力Fφ，否則將發(fā)生驅動輪滑轉現(xiàn)象。3.4.1汽車行駛的附著條件3.4基于輪胎附著力的汽車動力性計算3.4.2汽車的地面法向反作用力3.4基于輪胎附著力的汽車動力性計算當汽車充分利用附著力進行加速和爬坡時，汽車前后軸載荷轉移達到最大值，汽車附著力用于克服各項行駛阻力。前輪驅動汽車3.4.3作用在驅動輪上的地面切向作用力前輪驅動汽車后輪驅動汽車全輪驅動汽車附著利用率是指汽車的附著力占全輪驅動汽車附著力的百分比。3.4.3作用在驅動輪上的地面切向作用力RWD汽車的附著利用率大于FWD汽車，4WD汽車的附著利用率最高。FWD汽車的附著利用率Cφ1隨著附著系數(shù)φ的增大而減小，RWD汽車的附著利用率則相反。為了滿足汽車行駛附著條件，F(xiàn)WD轎車的質心都偏前布置，滿載時前軸負荷應在55%以上。3.4.3作用在驅動輪上的地面切向作用力奧迪A6四驅性能測試（1）最大速度

車輛在平直路面勻速行駛時，當?shù)孛娓街εc滾動阻力及空氣阻力相平衡時，車速達到最大。前輪驅動車輛四輪驅動車輛后輪驅動車輛3.4.4汽車動力性指標的計算（1）最大速度

3.4.4汽車動力性指標的計算“尋血獵犬”搭載Rolls-RoyceEJ200噴氣式發(fā)動機，90000N的峰值推力，功率4027kW，也就是36臺布加迪BugattiChiron的動力總和。。在傳統(tǒng)汽車領域，如今跑得最快的汽車為HennesseyVenomGT，該車最高時速為440公里/小時。排名第二的是布加迪威龍SuperSport，該車平均極速為431km/h。而“尋血獵犬”的最高車速為805km/h。車輛在低附著的平直路面上以低速行駛時，才能達到最大加速度。驅動輪上的附著力全部用于克服加速阻力。（2）最大加速度

3.4.4汽車動力性指標的計算前輪驅動車輛后輪驅動車輛四輪驅動車輛特斯拉Cybertruck皮卡車三電機底盤DaggerGT百公里加速1.5秒（3）最大爬坡度3.4.4汽車動力性指標的計算車輛在坡道上以低速勻速行駛時，才能達到最大爬坡度，驅動輪上的附著力全部用于克服坡度阻力。前輪驅動車輛后輪驅動車輛四輪驅動車輛汽車以低檔位行駛在一些低附著系數(shù)路面時，發(fā)動機產生的驅動力容易大于地面附著力。此時，需要根據(jù)驅動輪上所受的地面附著力來計算這些檔位的汽車動力性能指標。例題3.33.4.4汽車動力性指標的計算某旅行車通過拖車運載貨物時需要進行爬坡，試推導這輛具有不同驅動形式的旅行車在沒有發(fā)生車輪滑轉情況下的最大爬坡度表達式，并計算當路面附著系數(shù)φ=0.3時的車輛最大爬坡度。例題3.33.4.4汽車動力性指標的計算以后面的拖車為對象得到掛鉤縱向作用力以拖車車輪接地點為支點，力矩平衡分析得到掛鉤垂向作用力3.4.4汽車動力性指標的計算以前面的旅行車為對象，取后輪接地點作支點，進行力矩平衡分析。取前輪接地點作支點，進行力矩平衡分析將F2x、F2z代入，3.4.4汽車動力性指標的計算前輪驅動（FWD）車輛，其總坡度阻力與路面對前驅動輪提供的附著力相平衡，即Fθ=φF1zf受附著力限制的FWD車輛最大爬坡度RWD車輛最大爬坡度=0.145rad=8.31o3.4.4汽車動力性指標的計算4WD車輛將F2z代入，最大爬坡度

=0.23rad=13.15o例題3.4繞車橋中心點的力矩平衡方程為總的驅動力矩例題3.4Td=Ftrw/i0車廂側傾角近似等于Td除以側傾角剛度，橫向載荷轉移的大小是驅動力及一些其他車輛參數(shù)的函數(shù)。若坡度為零，且忽略滾動阻力和空氣阻力，右后輪垂直載荷FZ2r為FZ2/2-ΔFZ右后輪所受法向載荷由靜載荷、縱向轉移載荷和橫向轉移載荷組成。根據(jù)差速器的特性，有效驅動力取決于受較小法向載荷的車輪，不帶差速鎖的整體式后驅動橋帶差速鎖的整體式后驅動橋不帶差速鎖的整體式前驅動橋帶差速鎖的整體式前驅動橋差速鎖的奧秘3.5汽車能耗經濟性碳中和的重大意義：實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統(tǒng)性綠色革命，涉及理念轉型、經濟轉型、產業(yè)轉型、生活方式轉型等諸多方面，本質是推動經濟社會全面高質量、可持續(xù)發(fā)展。開創(chuàng)生態(tài)文明新時代：建設生態(tài)文明是邁向新發(fā)展階段所必須確立的發(fā)展方向。實現(xiàn)碳中和將轉變傳統(tǒng)的低效污染發(fā)展模式為綠色、低碳、循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展模式，實現(xiàn)我國全面、協(xié)調、安全、可持續(xù)發(fā)展。邁入能源可持續(xù)發(fā)展新階段：實現(xiàn)碳中和目標，有效降低油氣對外依存度，改變”一煤獨大“能源格局，切實保障我國能源安全；促進能源系統(tǒng)向清潔、低碳、高效、智能方向轉型升級。構建經濟高質量發(fā)展新格局：推動經濟轉型增效，引領全球綠色低碳技術和產業(yè)革命；到2060年第三產業(yè)比重提高到66％左右。碳中和情景下中國能源相關碳排放碳中和背后的經濟博弈3.5汽車能耗經濟性FuelEconomyPart01,Part02在我國及歐洲，燃料經濟性指標的單位是L/100km；美國采用消耗單位燃料所行駛的里程的評價方法，其單位是MPG或mile/usgal。電動汽車的經濟性常用一定運行工況下汽車行駛的電能消耗量或一定電量條件下汽車行駛的里程來衡量，主要包括能量消耗率和續(xù)駛里程兩個評價指標。3.5.1汽車能耗經濟性的評價指標3.5汽車能耗經濟性定義：在保證汽車動力性的條件下，汽車以盡量少的能源或能量消耗實現(xiàn)經濟行駛的能力。典型循環(huán)行駛試驗工況WLTCCLTC-P3.5.2傳統(tǒng)汽車燃料經濟性的計算（1）等速行駛工況燃料消耗量的計算汽油發(fā)動機萬有特性等速行駛時單位時間內的燃料消耗量（mL/s）等速百公里燃料消耗量（L/100km）（2）等加速行駛工況燃料消耗量的計算3.5.2傳統(tǒng)汽車燃料經濟性的計算（3）等減速行駛工況燃料消耗量的計算（4）怠速停車時的燃料消耗量（5）整個循環(huán)工況的百公里燃料消耗量例題3.5發(fā)動機負荷特性曲線的擬合公式解：1檔時，V=3.176km/h，則需要發(fā)動機提供功率該轉速及功率下發(fā)動機的燃料消耗率該工況下汽車百公里燃料消耗量3.5.2傳統(tǒng)汽車燃料經濟性的計算插電式混合動力汽車燃油消耗量3.5.3電動汽車能耗經濟性的計算（1）等速行駛工況電機應提供的功率電機轉速電機轉矩等速行駛時間tt內所消耗的電能電動汽車的行駛里程（W·h）（m）驅動電機系統(tǒng)的效率特性動力蓄電池ηb與SOC關系3.5.3電動汽車能耗經濟性的計算（2）等加速行駛工況電機應提供的功率加速時間等加速行駛時間tta內所消耗的電能電動汽車的行駛里程（W·h）（m）（3）等減速行駛工況電機回收的功率減速時間等減速行駛時間ttd內所消耗的電能電動汽車的行駛里程（W·h）（m）（4）停車工況