汽车系统动力学纵向动力学性能分析课件

主讲：胡爱军汽车系统动力学1汽车系统动力学汽车系统动力学主讲：胡爱军汽车系统动力学1汽车系统动力学第五章第五章 纵向动力学性能分析纵向动力学性能分析5.15.1动力的需求与供应动力的需求与供应5.25.2动力性动力性5.35.3燃油经济性燃油经济性5.45.4驱动与附着极限和驱动效率驱动与附着极限和驱动效率5.55.5制动性制动性2汽车系统动力学汽车系统动力学第五章 纵向动力学性能分析5.1动力的需求与供应5.2动力1.1.车辆对动力的需求车辆对动力的需求5.15.1动力的需求与供应动力的需求与供应车辆行驶阻力车辆行驶阻力 车辆行驶阻力包括车辆行驶阻力包括车轮滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、车轮滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻力（平动分量和转动分量）。加速阻力（平动分量和转动分量）。加速阻力转动分量加速阻力转动分量坡度阻力坡度阻力加速阻力平动分量加速阻力平动分量3汽车系统动力学汽车系统动力学1.车辆对动力的需求5.1动力的需求与供应车辆行驶阻力加速等效转动惯量等效转动惯量 等效转动惯量必须考虑所有传动部件的转动惯量，包括所有等效转动惯量必须考虑所有传动部件的转动惯量，包括所有车轮车轮。等效的原则是保持动能一致等效的原则是保持动能一致。5.15.1动力的需求与供应动力的需求与供应4汽车系统动力学汽车系统动力学等效转动惯量等效转动惯量必须考虑所有传动部件的转动惯量，旋转质量换算系数旋转质量换算系数若若 i i大于大于2 2，表明用来加速旋转质量的动力需求高于平动加速。，表明用来加速旋转质量的动力需求高于平动加速。戴姆勒戴姆勒-奔驰奔驰1632K1632K：1 1档档10.1210.12；2 2档档3.183.18；8档1.085.15.1动力的需求与供应动力的需求与供应定义由车辆参数描述的旋转质量换算系数定义由车辆参数描述的旋转质量换算系数mv是整车整备质量是整车整备质量车辆的总加速阻力车辆的总加速阻力总的车辆加速阻力总的车辆加速阻力5汽车系统动力学汽车系统动力学旋转质量换算系数若i大于2，表明用来加速旋转质量的动力需车辆行驶阻力曲线车辆行驶阻力曲线车辆总行驶阻力车辆总行驶阻力反映了不同驱动工况下车辆所需的驱动力矩，也称动力需求特性曲线。反映了不同驱动工况下车辆所需的驱动力矩，也称动力需求特性曲线。5.15.1动力的需求与供应动力的需求与供应对于高速行驶的乘用车，空气阻力起主导作用对于高速行驶的乘用车，空气阻力起主导作用。除空气阻力外，其它阻力分量均与车重成正比。除空气阻力外，其它阻力分量均与车重成正比。6汽车系统动力学汽车系统动力学车辆行驶阻力曲线车辆总行驶阻力反映了不同驱动工况下车辆所需2.车辆的动力供应车辆的动力供应驱动力定义为地面作用于驱动轮胎接地印迹内纵向作用力的的驱动力定义为地面作用于驱动轮胎接地印迹内纵向作用力的的合力。合力。车辆沿前进方向的动力供求平衡方程车辆沿前进方向的动力供求平衡方程5.15.1动力的需求与供应动力的需求与供应7汽车系统动力学汽车系统动力学2.车辆的动力供应驱动力定义为地面作用于驱动轮胎接地印迹内纵1.概述概述5.25.2动力性动力性PNmax为汽车能产生的最大功率为汽车能产生的最大功率特性曲线。特性曲线。车辆动力性由加速能力、爬坡能力和最高车速来衡量。车辆动力性由加速能力、爬坡能力和最高车速来衡量。驱动力平衡图驱动力平衡图表示某工况的动力供求关系。表示某工况的动力供求关系。8汽车系统动力学汽车系统动力学1.概述5.2动力性PNmax为汽车能产生的最大功率特性曲将某车速下的驱动力和行驶阻力将某车速下的驱动力和行驶阻力值与车速相乘得到的，即传递至值与车速相乘得到的，即传递至轮毂的功率轮毂的功率P PH H与行驶时需克服的与行驶时需克服的PDem，即将功率供应和功率需求即将功率供应和功率需求绘于同一图中。绘于同一图中。5.25.2动力性动力性驱动功率平衡图驱动功率平衡图9汽车系统动力学汽车系统动力学将某车速下的驱动力和行驶阻力值与车速相乘得到的，即传递至轮毂后备驱动力后备驱动力F Fx,exx,ex:车辆行驶时实际需要的驱动力车辆行驶时实际需要的驱动力F FDemDem与车辆与车辆所能提供的最大驱动力所能提供的最大驱动力F Fx x的差值。的差值。2.2.爬坡能力爬坡能力5.25.2动力性动力性10汽车系统动力学汽车系统动力学后备驱动力Fx,ex:车辆行驶时实际需要的驱动力FDem与假设车辆匀速行驶，全部后备驱动力都用于克服坡度阻力，可假设车辆匀速行驶，全部后备驱动力都用于克服坡度阻力，可以得到特定档位车速下的最大爬坡角。以得到特定档位车速下的最大爬坡角。2.2.爬坡能力爬坡能力5.25.2动力性动力性11汽车系统动力学汽车系统动力学假设车辆匀速行驶，全部后备驱动力都用于克服坡度阻力，可以得到3.3.加速能力加速能力重型货车低速档重型货车低速档 i i较大，对加速能力的影较大，对加速能力的影响也很大。响也很大。5.25.2动力性动力性车辆加速能力用可达到的最大加速度来表示。车辆加速能力用可达到的最大加速度来表示。车辆要想达到最大加速度，后备驱动力需全部用来克服加速阻力。车辆要想达到最大加速度，后备驱动力需全部用来克服加速阻力。若不考虑旋转质量的影响，若不考虑旋转质量的影响，i=1，加速能力曲线与后备，加速能力曲线与后备驱动力曲线一致驱动力曲线一致。12汽车系统动力学汽车系统动力学3.加速能力重型货车低速档i较大，对加速能力的影响也很大。后备功率后备功率3.3.加速能力加速能力5.25.2动力性动力性13汽车系统动力学汽车系统动力学后备功率3.加速能力5.2动力性13汽车系统动力学4.4.传动系统设计方案的影响传动系统设计方案的影响在设计传动系统时，必须校核每个档位的加速能力和爬坡能力。在设计传动系统时，必须校核每个档位的加速能力和爬坡能力。5.25.2动力性动力性不同坡度下的驱动力（功率）平衡图不同坡度下的驱动力（功率）平衡图14汽车系统动力学汽车系统动力学4.传动系统设计方案的影响在设计传动系统时，必须校核每个档位 单位里程燃油消耗量单位里程燃油消耗量B Btrtr和单位时间燃油消耗量和单位时间燃油消耗量B Btptp5.35.3燃油经济性燃油经济性1.1.燃油消耗量的计算燃油消耗量的计算 根据发动机万有特性图可得到燃油消耗率曲线根据发动机万有特性图可得到燃油消耗率曲线15汽车系统动力学汽车系统动力学单位里程燃油消耗量Btr和单位时间燃油消耗量Btp5.3燃 燃油消耗率的确定燃油消耗率的确定5.35.3燃油经济性燃油经济性1.1.燃油消耗量的计算燃油消耗量的计算ML为转矩损失Vs为发动机排量，为发动机排量，i为每缸每转点火次数。为每缸每转点火次数。根据根据pme和和ne确定该工况的燃油消耗率确定该工况的燃油消耗率be(g/(kw.h)车辆匀速行驶所需发动机车辆匀速行驶所需发动机转矩转矩 所需发动机缸内平均有效压力所需发动机缸内平均有效压力 发动机转速发动机转速16汽车系统动力学汽车系统动力学燃油消耗率的确定5.3燃油经济性1.燃油消耗量的计算ML为5.35.3燃油经济性燃油经济性1.1.燃油消耗量的计算燃油消耗量的计算 对于循环行驶工况，须将过程划分成若干段稳定工况，对于循环行驶工况，须将过程划分成若干段稳定工况，分别计算燃油消耗量，再求和。分别计算燃油消耗量，再求和。若发动机处于不稳定工况，则只能求近似解。若发动机处于不稳定工况，则只能求近似解。单位时间的燃油消耗量单位时间的燃油消耗量 单位里程的燃油消耗量单位里程的燃油消耗量根据所需功率及燃油密度得：根据所需功率及燃油密度得：17汽车系统动力学汽车系统动力学5.3燃油经济性1.燃油消耗量的计算对于循环行驶工况，须将2.2.减少油耗的途径减少油耗的途径5.35.3燃油经济性燃油经济性 减少燃油消耗量的途径减少燃油消耗量的途径发动机的工作状况发动机的工作状况传动系统效率传动系统效率车辆行驶阻力车辆行驶阻力 MT车辆变速器传动比和主减速比的设计及换档时机的选择，车辆变速器传动比和主减速比的设计及换档时机的选择，AT车辆的换档控制策略对燃油消耗率有很大的影响。车辆的换档控制策略对燃油消耗率有很大的影响。车辆燃油消耗量车辆燃油消耗量18汽车系统动力学汽车系统动力学2.减少油耗的途径5.3燃油经济性减少燃油消耗量的途径发动5.45.4驱动与附着极限和驱动效率驱动与附着极限和驱动效率1.1.车辆所受的垂向力车辆所受的垂向力 车辆所受的垂向载荷车辆所受的垂向载荷Fz由静载由静载Fzs、动载、动载Fzd、坡道分量、坡道分量Fzg和空气动和空气动力学分量力学分量FL组成。组成。动载动载19汽车系统动力学汽车系统动力学5.4驱动与附着极限和驱动效率1.车辆所受的垂向力车辆所受5.45.4驱动与附着极限和驱动效率驱动与附着极限和驱动效率2.2.车辆所受的纵向驱动力车辆所受的纵向驱动力 前轮驱动车辆所需的驱动力前轮驱动车辆所需的驱动力 换算到驱动轮上的当量转动惯量换算到驱动轮上的当量转动惯量，应包括车轮、制动盘等应包括车轮、制动盘等所有相关旋转部件的转动惯量。所有相关旋转部件的转动惯量。20汽车系统动力学汽车系统动力学5.4驱动与附着极限和驱动效率2.车辆所受的纵向驱动力前轮5.45.4驱动与附着极限和驱动效率驱动与附着极限和驱动效率2.2.车辆所受的纵向驱动力车辆所受的纵向驱动力 后轮驱动车辆所需的驱动力后轮驱动车辆所需的驱动力 换算到驱动轮上的当量转动惯量换算到驱动轮上的当量转动惯量，应包括车轮、制动盘等应包括车轮、制动盘等所有相关旋转部件的转动惯量。所有相关旋转部件的转动惯量。21汽车系统动力学汽车系统动力学5.4驱动与附着极限和驱动效率2.车辆所受的纵向驱动力后轮附着率与附着系数不同，是车辆所需驱动力与法向载荷的比附着率与附着系数不同，是车辆所需驱动力与法向载荷的比值，是附着系数中已经利用了的部分。值，是附着系数中已经利用了的部分。5.45.4驱动与附着极限和驱动效率驱动与附着极限和驱动效率3.3.前后轴的附着率前后轴的附着率 驱动附着率驱动附着率f定义为纵向驱动力与法向力的比值。定义为纵向驱动力与法向力的比值。附着系数是车辆能得到的最大驱动力与法向载荷的比值。附着系数是车辆能得到的最大驱动力与法向载荷的比值。不同行驶工况，附着率是不同的；不同行驶工况，附着率是不同的；驱动轮才有附着率。驱动轮才有附着率。22汽车系统动力学汽车系统动力学附着率与附着系数不同，是车辆所需驱动力与法向载荷的比值，是5.45.4驱动与附着极限和驱动效率驱动与附着极限和驱动效率4.4.由路面附着限制的加速或爬坡能力由路面附着限制的加速或爬坡能力 若潜在的附着力全部用于克服加速或上坡阻力，则可列出平若潜在的附着力全部用于克服加速或上坡阻力，则可列出平衡方程。衡方程。计算出车辆在不同驱动形式和行驶工况下的各项性能表达式。计算出车辆在不同驱动形式和行驶工况下的各项性能表达式。前轮驱动汽车在水平路面的起步加速能力。前轮驱动汽车在水平路面的起步加速能力。23汽车系统动力学汽车系统动力学5.4驱动与附着极限和驱动效率4.由路面附着限制的加速或爬坡5.45.4驱动与附着极限和驱动效率驱动与附着极限和驱动效率5.5.驱动效率驱动效率 驱动效率决定着车辆的驱动能力和附着极限驱动效率决定着车辆的驱动能力和附着极限 驱动效率与车辆质心位置相关驱动效率与车辆质心位置相关主要取决于发动机位置主要取决于发动机位置和装载情况；和装载情况；定义：驱动轴静载与整车重量的比值定义：驱动轴静载与整车重量的比值与动态载荷的转移和上与动态载荷的转移和上坡时轴荷转移有关。坡时轴荷转移有关。24汽车系统动力学汽车系统动力学5.4驱动与附着极限和驱动效率5.驱动效率驱动效率决定着车5.55.5制动性制动性1.1.制动性的评价制动性的评价 车辆制动性能的评价车辆制动性能的评价制动效能制动效能 制动距离和制动减速度制动距离和制动减速度制动效能的稳定性制动效能的稳定性 连续制动时保持一定制动效能的能力连续制动时保持一定制动效能的能力制动时的方向稳定性制动时的方向稳定性 不跑偏、不侧滑、不失去转向能力不跑偏、不侧滑、不失去转向能力25汽车系统动力学汽车系统动力学5.5制动性1.制动性的评价车辆制动性能的评价制动效能5.55.5制动性制动性 制动强度与制动效率制动强度与制动效率 制动强度定义为车辆制动减速度与重力加速度的比值，是制动强度定义为车辆制动减速度与重力加速度的比值，是制动效能的评价指标。制动效能的评价指标。制动时，前、后轴的制动附着率分别定义为其制动力与相制动时，前、后轴的制动附着率分别定义为其制动力与相应轴荷的比值。应轴荷的比值。车轮将要抱死时的制动强度与附着率之比定义为制动效率。车轮将要抱死时的制动强度与附着率之比定义为制动效率。26汽车系统动力学汽车系统动力学5.5制动性制动强度与制动效率制动强度定义为车辆制动减速5.55.5制动性制动性2.2.直线制动动力学分析直线制动动力学分析 车辆制动时能得到的最大制动强度等于路面附着系数。车辆制动时能得到的最大制动强度等于路面附着系数。为了在不同附着系数的路面上得到最好的制动效果，需合理为了在不同附着系数的路面上得到最好的制动效果，需合理的分配前后轴制动力。的分配前后轴制动力。理想制动强度与前轴制动力的关系理想制动强度与前轴制动力的关系 忽略坡度和空气对轴荷的影响，有忽略坡度和空气对轴荷的影响，有27汽车系统动力学汽车系统动力学5.5制动性2.直线制动动力学分析车辆制动时能得到的最大制理想的前后制动力分配关系理想的前后制动力分配关系 曲线形状取决于车辆质心位置和车辆装载情况。曲线形状取决于车辆质心位置和车辆装载情况。5.55.5制动性制动性2.2.直线制动动力学分析直线制动动力学分析28汽车系统动力学汽车系统动力学理想的前后制动力分配关系曲线形状取决于车辆质心位置和车辆 后轮抱死时，在侧向干扰力的作用下，前轮侧向力将产生不稳定力后轮抱死时，在侧向干扰力的作用下，前轮侧向力将产生不稳定力矩，使车辆侧偏角增加。矩，使车辆侧偏角增加。5.55.5制动性制动性3.3.制动稳定性分析制动稳定性分析 前轮先于后轮抱死时，在侧向干扰力的作用下，后轮侧向力能产生前轮先于后轮抱死时，在侧向干扰力的作用下，后轮侧向力能产生一个使车辆回正的稳定力矩，使车辆侧偏角减小。但车辆失去转向能一个使车辆回正的稳定力矩，使车辆侧偏角减小。但车辆失去转向能力。力。29汽车系统动力学汽车系统动力学后轮抱死时，在侧向干扰力的作用下，前轮侧向力将产生不稳定力 车辆在转弯制动时，轮胎必须提供足够的纵向力和侧向力。车辆在转弯制动时，轮胎必须提供足够的纵向力和侧向力。5.55.5制动性制动性4.4.转弯制动动力学分析转弯制动动力学分析 直线制动时的最佳制动效能，转弯时不一定能达到。直线制动时的最佳制动效能，转弯时不一定能达到。当转弯加剧时，无车轮抱死的制动减速度（制动效率）将减小。当转弯加剧时，无车轮抱死的制动减速度（制动效率）将减小。30汽车系统动力学汽车系统动力学车辆在转弯制动时，轮胎必须提供足够的纵向力和侧向力。5.5 车辆转弯制动时的受力状况车辆转弯制动时的受力状况转弯制动时，车辆的纵向减速度、侧向加速度和车身侧倾都会转弯制动时，车辆的纵向减速度、侧向加速度和车身侧倾都会使各个轮胎的垂向载荷发生变化。使各个轮胎的垂向载荷发生变化。5.55.5制动性制动性4.4.转弯制动动力学分析转弯制动动力学分析31汽车系统动力学汽车系统动力学车辆转弯制动时的受力状况转弯制动时，车辆的纵向减速度、侧 转弯制动工况下各轮制动效率的计算转弯制动工况下各轮制动效率的计算 根据车辆制动力分配特性求出制动管路压力，计算每个车轮根据车辆制动力分配特性求出制动管路压力，计算每个车轮的制动力，进而求出总制动力的制动力，进而求出总制动力F Fb b；5.55.5制动性制动性4.4.转弯制动动力学分析转弯制动动力学分析 求出车辆制动减速度求出车辆制动减速度a ax x=F=Fb b/m/m；对于给定侧向加速度，计算每个车轮的法向载荷；对于给定侧向加速度，计算每个车轮的法向载荷；计算各车轮的侧向力；计算各车轮的侧向力；计算各个车轮不发生抱死时的附着率；计算各个车轮不发生抱死时的附着率；根据根据a ax x和各车轮附着率和各车轮附着率f f，计算各车轮的制动效率。，计算各车轮的制动效率。32汽车系统动力学汽车系统动力学转弯制动工况下各轮制动效率的计算根据车辆制动力分配特性求nFIAT124FIAT124车转弯制动工况下的制动效率车转弯制动工况下的制动效率各车轮依次抱死。各车轮依次抱死。5.55.5制动性制动性4.4.转弯制动动力学分析转弯制动动力学分析33汽车系统动力学汽车系统动力学FIAT124车转弯制动工况下的制动效率各车轮依次抱死。5.