汽车纵向动力学基础21汽车动力性及评价指标课件

汽车纵向动力学基础2.1 汽车动力性及评价指标一、汽车的动力性：一、汽车的动力性：汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的，所能达到的平均行驶速度。基本概念：基本概念：动力性的评价指标 汽车的驱动力与各种行驶阻力 汽车行驶的驱动附着条件重点内容：重点内容：驱动力-行驶阻力平衡图 分析汽车动力性的方法 动力特性图 （图解法）功率平衡图二、汽车动力性指标 从获取尽可能高的平均速度考虑，动力性指标有：最高车速加速时间最大爬坡度 1.最高车速uamax 在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度（km/h）。2.加速时间t 表示汽车的加速能力。常用：原地起步加速时间：汽车以1档或2档起步，并以最大加速强度换至最高档后达到某一距离（0 402.5m或0 400m）或车速（0 96.6km/h或0 100km/h）所需要的时间（s）。超车加速时间：用最高档或次高档由某一较低车速（30km/h或40km/h）全力加速至某一高速所需时间（s）。如：部分轿车的原地起步加速过程曲线 3.最大爬坡度imax 汽车的上坡能力。以1档满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示。是极限爬坡能力。轿车：一般不强调货车：imax=30%（约16.5）越野汽车：imax=60%有时也以汽车在一定坡道上必须达到的车速来表示爬坡能力。如：美国对轿车爬坡要求，能以104 km/h车速通过6%的坡道。2.2 汽车行驶驱动力与行驶阻力 根据沿行驶方向作用于汽车的各种外力，可以计算汽车的最高车速、加速度、最大爬坡度。由力平衡关系得：Ft=F Ft驱动力；F行驶阻力之和 汽车行驶方程 2.2.1、汽车的驱动力 1.定义 发动机产生的转矩，经传动系至驱动轮，转矩Tt对地面产生圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。2.表达式 Ft=Tt/r r车轮半径 驱动轮转矩Tt与发动机转矩Ttq的关系为：故：2.2.2发动机的速度特性 发动机的功率Pe、转矩Tqt及燃油消耗率b与曲轴转速n之间的函数关系。用试验曲线或拟合多项式表达。功率曲线为：发动机外特性曲线发动机外特性曲线：发动机节气门置于全开位置发动机部分负荷特性曲线发动机部分负荷特性曲线：发动机节气门置于部分开启位置 台架试验特性曲线台架试验特性曲线：发动机台架试验时所获得的曲线。使用外特性曲线使用外特性曲线：带上全部附件时的外特性。与台架试验特性相差515%。汽油机和柴油机的外特性曲线2.2.3 传动系机械效率 传动系各部件（变速器、万向节、主减速器）的摩擦导致的功率损失。由试验测得。汽车各部件的传动效率 机械变速器的轿车：T=0.90.92 货车、客车：T=0.820.85变速器传动效率与传递转矩、润滑油温度关系 2.2.4汽车的驱动力图 发动机外特性确定的是发动机输出转矩和转速关系。经传动系到达车轮后，可表示为驱动力与车速间的关系。由式（1）得各档位的Ft值。发动机转速n与汽车行驶速度ua间的关系单位 ua:km/h n:r/min r:m2.2.5 汽车的行驶阻力汽车行驶时的各种阻力：滚动阻力以符号Ff表示；空气阻力以符号Fw表示；坡度阻力以符号Fi表示；加速阻力以符号Fj表示；因此汽车行驶的总阻力为：F=Ff+Fw+Fi+Fj 一、坡度阻力 当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力坡度阻力Fi，Fi=Gsin 其中，G作用于汽车上的重力（N），G=mg，m为汽车质量（kg），g为重力加速度。一般路面上坡度较小，此时 Fi=Gsin Gtg=Gi 由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力，且均与汽车重力成正比，故可把这两种阻力合在一起称作道路阻力，以F表示，即F=Ff+Fi=fGcos+Gsin，当不大时，cos1，sini，F=Gf+Gi=G(f+i)，令f+i=，称为道路阻力系数道路阻力系数F=G。坡度阻力与坡度角度的换算二、加速阻力 汽车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部分。把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，并以系数作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质汽车质量换算系数量换算系数，因而汽车加速时的阻力:汽车旋转质量换算系数，（1）；m 汽车质量，单位为kg；行驶加速度。主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。根据推导 若不知道准确的If、Iw值，也可按下述经验公式估算值：=1+1+2i2g 式中12=0.030.05。故，汽车的行驶方程式行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj2.3 汽车行驶的驱动-附着条件与汽车的附着力2.3.1 汽车行驶的驱动条件一、驱动条件 FtFf+Fw+Fi 上式为汽车的驱动条件，可以采用增加发动机转矩、加大传动比等措施来增大汽车驱动力。汽车行驶除受驱动条件制约外，还受轮胎与地面附着条件轮胎与地面附着条件的限制。二、汽车行驶的附着条件 地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力附着力F，在硬路面上与驱动轮法向反作用力FZ成正比，常写成 FXmax=F=FZ其中，FZ作用于所有驱动轮上的地面法向反作用力；附着系数附着系数，由路面和轮胎决定。由作用在驱动轮上的转矩产生的地面切向反作用不能大于附着力，否则会发生驱动轮滑转，即：Ft FZ 对后轮驱动汽车：FX2/FZ2=C2 ，式中，C2后轮驱动汽车驱动轮的附着率附着率 对前轮驱动汽车，前轮驱动的附着率也不能大于地面附着系数。将驱动条件和附着条件连起来，有：Ff+Fw+FiFtFZ 此即汽车行驶的必要与充分条件，称为汽车行驶汽车行驶的驱动的驱动-附着条件附着条件。2.3.2 汽车的附着力汽车的附着力决定于附着系数和地面作用于驱动轮的法向反作用力 为了便于分析，将右图数据进行简化计算后得：汽车加速上坡受力图式中，第一项为汽车静止时前、后轴上的静载荷，第二项为汽车在行驶过程中产生的动载荷。动载荷的绝对值随道路坡度与汽车行驶加速度的增加而增大。因此，汽车的附着力与各行驶阻力有如下近似关系：故：因此，对于后轮驱动汽车的附着力为：前轮驱动的汽车的附着力为：对全轮驱动的汽车附着力为：不同驱动方式汽车的附着利用率曲线部分汽车的质心位置2.3.3 影响附着系数的因素一、路面 干燥硬实的混凝土或沥青路面的附着系数较大，路面潮湿时，轮胎与路面间的水起到润滑作用，附着系数降低。路面的情节程度对附着系数也有影响。路面被污物盖住时，附着系数会降低，特别是刚下雨时，附着系数会更低，但经过较长时间雨水冲洗后，附着系数会有所回升。轮胎与各种路面间的摩擦系数二、轮胎 轮胎的花纹、结构尺寸、橡胶成分和质量及帘线的材料等对附着系数都有影响。花纹细而浅的轮胎在硬路面上具有好的附着性能；花纹宽而深的轮胎在松软的路面上具有好的附着性能；增大轮胎与地面的接触面能提高附着能力；轮胎气压对附着系数影响也很大；轮胎的磨损也会影响它的附着能力；此外，轮胎胎面的橡胶性质也是影响轮胎附着能力的重要因素。三、车速 汽车的行驶速度对附着系数有一定的影响。随着行驶速度的提高，多数情况下附着系数是降低的。但是在结冰的路面上，适当的提高行驶速度，附着系数会略有提高。附着系数与轮胎气压关系1-干混凝土路面2-湿混凝土路面3-软路面 4-积雪路面附着系数与车速关系1-干燥路面 2-湿路面3-结冰路面2.4 汽车的动力性分析2.4.1 汽车驱动力行驶阻力平衡图一、汽车行驶方程式一、汽车行驶方程式 根据上面逐项分析的汽车行驶阻力，可以得到汽车的行驶方程式行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj或：为清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系，一般是将汽车行驶方程式用图解法来进行分析。即在汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也算出并画上，作出汽车驱动力汽车驱动力-行驶阻力平衡图行驶阻力平衡图，并以此来确定汽车的动力性。汽车驱动力-行驶阻力平衡图 表征不同车速时驱动力和行驶阻力之间的关系。特征点：最高车速最高车速，仅有滚动阻力和空气阻力。小于最高车速时，汽车可用剩余驱动力加速或爬坡。需等速行驶时，发动机可工作在部分负荷特性。1.汽车加速能力的评价在水平良好路面上行驶时能产生的加速度：不易测量。加速时间：用直接档行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或80%umax所需时间。汽车加速度：再利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图可计算出各档节气门全开时的加速度曲线。高档位时的加速度要小些。由加速度图可求得从某一车速u1加速至另一较高车速u2所需的时间。因：dt=du/a，故 加速时间由积分计算或图解积分求出。用图解积分法时，将a-ua曲线转为1/a-ua曲线，曲线下两个速度区间的面积表示通过此速度区间的加速时间；常将速度区间分为若干间隔，通过确定面积1、2来计算总加速时间。2.汽车爬坡能力的确定 在良好路面上克服Ff+Fw后用来克服坡度阻力时所能爬上的坡度。此时，du/dt=0，即 Fi=Ft-(Ff+Fw)以Gsin作为坡度阻力，代入表达式，得：利用驱动力-行驶阻力平衡图，可求出汽车能爬上的坡道角。最大爬坡度imax为1档时的最大爬坡度，对货车尤其重要。紧凑型轿车的爬坡度曲线2.4.2、汽车的动力特性动力因数动力因数 将汽车行驶方程除以汽车重力，定义：汽车在各档下的动力因数与车速的关系曲线称为动力特动力特性图。性图。可以此图分析汽车动力性。如du/dt=0，则 D=f+i D曲线与f曲线间的距离表示汽车的上坡能力。根据最高车速的定义，可知根据最高车速的定义，可知所以显然，曲线与直接档的曲线的交点所对应的车速为最高车速评价汽车的加速能力是指汽车在水平良好路面上进行加速行驶，此时 ，得则上式表明，在动力特性图上某车速时，动力因数曲线和滚动阻力系数曲线间距离 的 倍，就是该车速时所能达到的加速度。2.4.3 汽车的功率平衡 汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力互相平衡，发动机功率和汽车行驶的阻力功率也总是平衡的。即在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。将汽车行驶方程式两边乘以行驶车速ua，经单位换算整理出汽车功率平衡方程式（单位为kw）汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi、空气阻力功率Pw、加速阻力功率Pj。发动机功率Pe、汽车常遇到的阻力功率 与车速的关系曲线汽车功率平衡图 阻力功率在低速时为斜直线，高速时斜率变大。5档时发动机功率曲线与阻力功率曲线的交点对应在良好路面上的最高车速。汽车在良好路面上以u等速行驶时，阻力功率为 ，对应的部分节气门开度的发动机功率曲线为虚线，而发动机能发出的功率为 ，二者之差可用于加速或爬坡，故称 为汽车的后备功率。后备功率。一般情况下，汽车维持等速行驶所需要的发动机功率不大。当需要爬坡或加速时，加大节气门开度，使汽车发出全部或部分功率。后备功率越大，汽车动力性越好后备功率越大，汽车经济性越差（发动机负荷率低，燃油消耗量高）紧凑型轿车各档位的后备功率2.4.4使用液力变矩器汽车的动力性计算 使用自动变速器的汽车，因在发动机后是液力变矩器和动力换档变速器，因此，汽车的动力性计算时，只需将发动机与液力变矩器看成一个新的动力装置，即计算得到涡轮轴上的转矩与转速变化关系，然后的计算完全同于机械式传动系统的性能能计算。2.5 汽车动力性的主要影响因素2.5.1 发动机性能参数的影响发动机的最大功率、最大转矩及外特性曲线的形状对汽车的动力影响最大。在附着条件允许的条件下，发动机功率和转矩愈大，汽车的动力性能就愈好。发动机外特性曲线的形状对汽车的动力性有明显的影响发动机外特性曲线形状对动力性的影响2.5.2 汽车结构参数的影响传动效率直接影响汽车的动力性，传动效率越高，传动功率损失越小，有效功率就越大，汽车的动力性就越好。主减速器传动比的大小，对汽车动力性有很大的影响。变速器的头档传动比和变速器的档数对汽车的动力性有显著影响。液力变矩器是目前车上使用最多的无级变速器。降低空气阻力因数，即降低空气阻力系数和迎风面积，可相应提高汽车的动力性。汽车的总质量对汽车的动力性影响很大，减轻自身重量不仅可以提高动力性，对改善汽车燃油经济性也有重要意义。轮胎的尺寸和结构对汽车的动力性也有影响。2.5.3 汽车使用因素的影响 使用因素对汽车动力性有重要影响，一辆动力性良好的车，若长期使用、维护、调整不当，会使其动力性变坏的。发动机的技术状况是保证汽车动力性的关键。汽车底盘的技术状况直接影响传动系的机械效率。道路的附着系数大、滚动阻力系数小、弯道少，汽车的动力性就好。2.5.4 使用先进的自动变速器使用金属带式或金属链式无级自动变速器和电控机械式自动 变速器使用双离合式自动变速器此外，牵引力控制系统也可以提高汽车的动力性2.6 汽车制动动力学的研究内容一、汽车制动性能的内容使汽车减速，必要时可使其在短距离内停车在下长坡时维持一定车速对已停驶（特别是在坡道上停驶）的汽车，可使其可靠地驻留原地不动。二、汽车制动性能的评价制动效能，即制动距离和制动减速度制动效能的恒定性，即抗热衰退与水衰退性能制动时的方向稳定性，即制动时不发生跑偏、侧滑及不丧失转向的能力三、车轮上的制动力 由于车轮与路面间附着作用，车轮对路面作用一个向前的圆周力，称为制动器制动力，大小为：踏板力同时路面对车轮作用一个向后的作用力，称为地面制动力当踏板力在之间时，有当踏板力大于 时，有即得到最大地面制动力2.7 汽车的制动效能其恒定性2.7.1 制动距离与制动减速度 评价不同车辆的制动系统的制动效能可用制动距离这一指标，它是指在一定初速下，驾驶员开始踩下制动板，直到汽车停住为止所行驶过的距离，表达式为：减速度采用的平均减速度2.7.2 制动效能的恒定性制动效能的恒定性是指制动器抗热衰退河水衰退的一种性能热衰退对制动效能的影响大小以制动器的结构形式有密切关系 制动器的抗热衰退性能一般用一系列连续制动时制动效能德堡尺度来衡量。制动效能恒定性的另一重要内容就是要减少制动器涉水引起制动效能下降的水衰退现象。2.8 汽车制动时的方向稳定性汽车制动达不到稳定性通常有以下3种情况：制动跑偏制动时后轴侧滑制动时前轮失去转向能力2.8.1 制动跑偏一、制动跑偏 汽车直线行驶，转向盘不动的条件下，制动过程中发生汽车自行向左或右偏驶的现象称为制动跑偏。二、制动跑偏的原因汽车左右车轮，特别是转向轴（前轴）左右车轮上制动力不等悬架到导向杆系与转向杆系在运动上干涉，这一现象完全是由设计造成的2.8.2 制动时后轴侧滑 只要微小的侧向力就可以使车轮咽侧向力作用方向移动，称为车轮侧滑，当汽车出现后轴侧滑时，会使汽车急剧转动，形成不稳定工况，如不加以控制，会导致翻车的重大事故，是种危险工况。2.8.3 制动时前轴侧滑 制动时发生前轮抱死而后轮滚动，此时，前轮的附着系数为零，虽然转动转向盘可使前轮偏转，但不能产生地面对前轮的侧像反作用力，结果前轮只能演汽车纵轴线滑移，而整车不能转向，丧失转向能力。2.9 制动力分配及调节制动时，作用在质心上的惯性力为：忽略汽车的滚动阻力偶、空气阻力及旋转质量的惯性力矩，则有：对前、后轮接地点，分别求力矩的方程组上式表示，前后轮法向地面作用力是制动率的函数，其分配比例随制动率的大小而变2.9.1理想的前、后轮制动器制动力分配传统的制动器如能在附着系数为 的道路上制动时，使前、后轮制动到同步抱死，则总制动力和减速度将达到最大，这是制动系理想的设计目标。根据上述目标设计，使前、后轮的制动器制动力能同时达到各该轴的附着力的制动强度，则有方程式：此时，前、后轮轴附着力为由上式还可以得：联解上两式消去变量 得：2.9.2制动力分配系数和同步附着系数 前制动器制动力与汽车总制动力之比，称为制动器制动力分配系数，以 表示，即：式中，为汽车制动总力。由此可得：或最终得：2.9.3制动力分配系数为恒定时汽车在各种辅佐系数路面上的制动过程的分析 多数情况下，行使路面的附着系数大于或小于 ，此时制动 时往往是一轴上车轮先抱死，另一轴还在滚动，随踏板的压力增大，另一轴才抱死，设前轮先抱死，则有：对后轮接地点求力矩得：而所以有：整理得：同样的，设在某一制动强度下，后轮先开始抱死滑移此时对前轮接地点求力矩，得而此时代入上式，考虑到整理后得2.9.4轮胎道路附着性能和利用 在评价制动性时，只能一再保持汽车稳定的条件下所的最大可能的总制动力或减速度为依据，因此：而时分下列两种情况时分下列两种情况1、，在，在M点所对应的是前轮刚要抱死，后轮仍未抱死，此时点所对应的是前轮刚要抱死，后轮仍未抱死，此时 ，制动强度为制动强度为z。由之前的公式求得由之前的公式求得则则当当 确定时，有确定时，有联解上式，得联解上式，得或或2、，在，在M点所对应的是后轮刚要抱死，前轮仍未抱死，此时后轮制动力达点所对应的是后轮刚要抱死，前轮仍未抱死，此时后轮制动力达到地面附着力到地面附着力 。由之前的公式得由之前的公式得代入上式得，则代入上式得，则当当 一定时，有一定时，有联解上式，得联解上式，得2.9.5制动力调节装置及特性限压阀：装在后轮制动管路中，其作用是当前制动管路压力增长到一定程度后，即自动限制后轮制动管路压力作用。它的缺点是：由于限压阀弹簧预紧力为定值，故Ps值也是定值，故只适用一种载荷工况，如图所示，空载时，OBA线与理想特性线I差距很大，无法得到令人满意的效果。感载限压阀：其特点是阀门弹簧力并非定值，而是随汽车装载情况不同而变化，其限压作用起始点压力Ps也能随之而变化，故满载时，有折线 ，空载时特性折线变成 ，如图所示比例阀：是一种较限压阀为灵活的调节装置，用其代替限压阀后，工作特点是当主缸机前制动管路压力 继续增长时，侯制动管路压力 仍可随之增长，但其增量小于 的增量，比例阀一般采用差径活塞结构，如下图所示2.10汽车防抱死制动系统2.10.1汽车防抱死制动系统（汽车防抱死制动系统（ABS）的构成及功用）的构成及功用 汽车制动系中装用制动防抱死装置（汽车制动系中装用制动防抱死装置（Antilock Braking System,简称简称ABS）。其目的）。其目的是使汽车在紧急制动时，防止车轮完全抱死，充分利用车轮与地面间的峰值附着系数是使汽车在紧急制动时，防止车轮完全抱死，充分利用车轮与地面间的峰值附着系数和高的侧向力系数，使汽车制动减速度提高，制动距离缩短，保证汽车制动时的方向和高的侧向力系数，使汽车制动减速度提高，制动距离缩短，保证汽车制动时的方向稳定性，使后轴不会侧滑，前轮保持良好的转向能力，从而避免了因侧滑和转向失控稳定性，使后轴不会侧滑，前轮保持良好的转向能力，从而避免了因侧滑和转向失控引起的交通事故，有利于行驶安全。引起的交通事故，有利于行驶安全。制动防抱装置有电子控制式和机械式两种，目前使用最多的是电子控制防抱死装置。制动防抱装置有电子控制式和机械式两种，目前使用最多的是电子控制防抱死装置。车轮转速采集装置 由转速传感器和齿形转子组成，作用是获得车轮转速的信号，由下图可见，前轮上齿形转子装载轮彀上和车轮一起转动，转速传感器装置装载转向节上。车轮转动时，传感器产生与转速相对应的脉冲信号，单位时间的脉冲数和转速成正比，这束信号传导电子控制装置加以处理。电子控制装置 有三个部分组成：相位闭环、计算部分、逻辑处理部分。相位闭环把经过输入放大器放大的反映车速的脉冲信号变成数字，同时滤掉车轮和轴振动引起的高频噪声，输出车轮速信号和轮速变化信号；数字处理器接收上述信号并对它们进行计算及跟阀值进行比较，最后输出加速度信号和车轮滑移率信号到逻辑处理部分；逻辑处理部分根据上述信号产生激励电磁阀的指令信号，经过电流调节器以不同的电流激励电磁阀处于不同的阶段，以调节制动轮缸中的油压和制动力。执行装置 由3或4个电磁阀和一个电机驱动的泵组成。这些电磁阀有三个阶段：1.电磁阀中无激励电流。主油缸与车轮制动缸相同，车轮上制油压随踏板力一起增长。2.电磁阀中有一半激励电流。主油缸和轮缸之间的通道被切断，轮缸内油压保持定值。3.电磁阀中有最大激励电流。轮缸和回油箱接通，轮内油压下降。2.10.2防抱制动系统力学ABS制动力学基本方程即最有控制方法：在建立防抱制动系统力学模型时，常作以下假设：车轮承受载荷为常数忽略迎风阻力和车轮滚动阻力附着系数滑动律关系曲线用两条直线近似表示 定义滑移率为w车轮转动角速度车轮转动角速度u车体速度车体速度r车轮半径车轮半径附着系数和滑动率的关系曲线为：式中：式中：在此前提下，车轮的单轮模型可表示如图，车轮抱死过程中动力学方程为制动力矩可表示为制动缸压力函数制动力矩可表示为制动缸压力函数