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1、第一章 汽车的动力性1.3 确定一轻型货车的动力性能（货车可装用 4 挡或 5 挡变速器，任选其中的一种进行整车性能计算） ：1）绘制汽车驱动力与行驶阻力平衡图。2）求汽车最高车速，最大爬坡度及克服该坡度时相应的附着率。3）绘制汽车行驶加速度倒数曲线，用图解积分法求汽车用 2 档起步加速行驶至 70km/h 的车速时间曲线，或者用计算机求汽车用 2 档起步加速行驶至 70km/h 的加速时间。轻型货车的有关数据：汽油发动机使用外特性的 Tq-n 曲线的拟合公式为2 3 419.313 295.27( ) 165.44( ) 40.874( ) 3.8445( )1000 1000 1000 1
2、000qn n n nT式中， Tq 为发动机转矩（ N?m） ;n 为发动机转速（ r/min ） 。发动机的最低转速 nmin=600r/min, 最高转速 nmax=4000r/min 。装载质量 2000kg 整车整备质量 1800kg 总质量 3880kg 车轮半径 0.367m 传动系机械效率 t=0.85 滚动阻力系数 f=0.013 空气阻力系数 迎风面积 CDA=2.77m 2主减速器传动比 i0=5.83 飞轮转动惯量 I f=0.218kg?m2二前轮转动惯量 I w1=1.798kg ?m2四后轮转动惯量 I w2=3.598kg ?m2变速器传动比 ig( 数据如下表
3、 ) 档 档 档 档 档四档变速器 6.09 3.09 1.71 1.00 - 五档变速器 5.56 2.769 1.644 1.00 0.793 轴距 L=3.2m 质心至前轴距离（满载） a=1.974m 质心高（满载） hg=0.9m 分析：本题主要考察知识点为汽车驱动力行使阻力平衡图的应用和附着率的计算、等效坡度的概念。只要对汽车行使方程理解正确，本题的编程和求解都不会有太大困难。常见错误是未将车速的单位进行换算。2）首先应明确道路的坡度的定义 tani 。求最大爬坡度时可以对行使方程进行适当简化，可以简化的内容包括两项 cos 1和 sin tan ，简化的前提是道路坡度角不大，当坡
4、度角较大时简化带来的误差会增大。计算时，要说明做了怎样的简化并对简化的合理性进行评估。3）已知条件没有说明汽车的驱动情况，可以分开讨论然后判断，也可以根据常识判断轻型货车的驱动情况。解： 1）绘制汽车驱动力与行驶阻力平衡图汽车驱动力 Ft=riiT togtq行驶阻力 Ff+F w Fi +F j G?f + 2D21.12ACau +G ?i+ dtdum发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为：0ginr0.377uai由本题的已知条件 , 即可求得汽车驱动力和行驶阻力与车速的关系 , 编程即可得到汽车驱动力与行驶阻力平衡图。2）求汽车最高车速，最大爬坡度及克服该坡度时相应的附着率由 1）
5、得驱动力与行驶阻力平衡图， 汽车的最高车速出现在 5 档时汽车的驱动力曲线与行驶阻力曲线的交点处，Uamax 99.08m/s2。汽车的爬坡能力，指汽车在良好路面上克服 wf FF 后的余力全部用来（等速）克服坡度阻力时能爬上的坡度，此时 0dtdu ， 因此有wfti FFFF ， 可得到汽车爬坡度与车速的关系式： GFFFi wftarcsintan； 而汽车最大爬坡度 maxi 为档时的最大爬坡度。利用 MATLAB 计算可得， 352.0maxi 。如是前轮驱动， 1C qb hgqL L；相应的附着率 1C 为 1.20，不合理，舍去。如是后轮驱动， 2C qa hgqL L；相应的
6、附着率 2C 为 0.50。3）绘制汽车行驶加速度倒数曲线，求加速时间求得各档的汽车旋转质量换算系数 如下表所示：汽车旋转质量换算系数 档 档 档 档 档220221 mriiImrI Tgfw 1.3829 1.1027 1.0429 1.0224 1.0179 利用 MATLAB 画出汽车的行驶加速度图和汽车的加速度倒数曲线图：忽略原地起步时的离合器打滑过程，假设在初时刻时，汽车已具有档的最低车速。由于各档加速度曲线不相交（如图三所示） ， 即各低档位加速行驶至发动机转速达到最到转速时换入高档位； 并且忽略换档过程所经历的时间。 结果用 MATLAB画出汽车加速时间曲线如图五所示。 如图所
7、示， 汽车用档起步加速行驶至 70km/h 的加速时间约为 26.0s 。第 4 页 共 24 页1.7 统计数据表明，装有 0.5 2L 排量发动机的轿车，若是前置发动机前轮驱动（ F.F. ）轿车，其平均的前轴负荷为汽车总重力的 61.5 ； 若是前置发动机后轮驱动 (F.R.) 轿车， 其平均的前轴负荷为汽车总重力的 55.7 。 设一轿车的轴距 L=2.6m，质心高度 h=0.57m。试比较采用 F.F 及 F.R. 形式时的附着力利用情况，分析时其前轴负荷率取相应形式的平均值。确定上述 F.F 轿车在 0.2 及 0.7 路面上的附着力，并求由附着力所决定的极限最高车速与极限最大 爬
8、 坡 度 及 极 限 最 大 加 速 度 （ 在 求 最 大 爬 坡 度 和 最 大 加 速 度 时 可 设 Fw=0） 。 其 它 有 关 参 数 为 ：m=1600kg, CD=0.45, A=2.00m2, f =0.02, 1.00 。分析：分析本题的核心在于考察汽车的附着力、地面法向反作用力和作用在驱动轮上的地面切向反作用力的理解和应用。应熟知公式（ 1-13）（ 1-16）的意义和推导过程。分析 1）比较附着力利用情况，即比较汽车前（ F.F ） 、后轮 (F.R.) 地面切向反作用力与地面作用于前（ F.F） 、后轮 (F.R.) 的法向反作用力的比值。解题时应注意，地面法向发作
9、用力包括静态轴荷、动态分量、空气升力和滚动阻力偶矩产生的部分，如若进行简化要对简化的合理性给予说明。地面作用于车轮的地面切向反作用力则包括滚动阻力和空气阻力的反作用力。2） 求极限最高车速的解题思路有两个。 一是根据地面作用于驱动轮的地面切向反作用力的表达式 （ 1 15） ， 由附着系数得到最大附着力，滚动阻力已知，即可求得最高车速时的空气阻力和最高车速。二是利用高速行驶时驱动轮附着率的表达式，令附着率为附着系数，带入已知项，即可求得最高车速。常见错误：地面切向反作用力的计算中滚动阻力的计算错误，把后轮的滚动阻力错计为前轮或整个的滚动阻力。3） 最极限最大爬坡度时依然要明确道路坡度的定义和计
10、算中的简化问题， 具体见 1.3 题的分析。 但经过公式推导本题可以不经简化而方便得求得准确最大爬坡度。解： 1. 比较采用 F.F 及 F.R. 形式时的附着力利用情况i 对于前置发动机前轮驱动（ F.F.）式轿车，空气升力 W1 2Z 1F 2 Lf rC A u ，由 m=1600kg，平均的前轴负荷为汽车总重力的 61.5，静态轴荷的法向反作用力 Fzs1 = 0.615X1600X9.8 = 9643.2N ，汽车前轮法向反作用力的简化形式为：Fz1= Fzs1-Fzw1 9643.2- 221 rLf uAC地面作用于前轮的切向反作用力为：Fx1 = Ff2+Fw = Gf385.
11、0 + 215.21 aD uAC 120.7 215.21 aD uAC附着力利用情况： 1122120.7 21.1519643.22DaXZLf rC A uFF C A uii 对于前置发动机后轮驱动（ F.R.）式轿车同理可得：2222174.7 21.1516946.22DaXZLr rC A uFF C A u一般地， CLr 与 CLf 相差不大， 且空气升力的值远小于静态轴荷的法向反作用力， 以此可得 1 21 2X XZ ZF FF F ， 前置发动机前轮驱动有着更多的储备驱动力。结论： 本例中，前置发动机前轮驱动（ F.F）式的轿车附着力利用率高。2对 F.F.式轿车进行
12、动力性分析1) 附着系数 0.2 时i 求极限最高车速 : 第 5 页 共 24 页忽略空气升力对前轮法向反作用力的影响， Fz1 9643.2 N 。最大附着力 1 z1F = F =1928.6 N。令加速度和坡度均为零，则由书中式（ 1 15）有： 1 X1 W f2F =F =F +F ，则 W 1 f2F F F = 1928.6-0.02X0.385X1600X9.8= 1807.9 N ，又 2W maxF21.15DaC A u由此可推出其极限最高车速： maxau = 206.1 km/h 。ii 求极限最大爬坡度 : 计算最大爬坡度时加速度为零，忽略空气阻力。前轮的地面反作
13、用力11 ( cos sin )sgz zhbF F GL L最大附着力 1 z1F = F由书中式（ 1 15） ，有 1 X1 i f2F =F =F +F sin cosaG G fL以上三式联立得： max tangb afiL h 0.095。iii 求极限最大加速度：令坡度阻力和空气阻力均为 0， Fz1 9643.2 N 1 z1F = F 1928.6N 由书中式（ 1 15） 1 X1 f2 maxF =F =F ma解得 maxa 1.13。2) 当附着系数 0.7 时，同理可得：最高车速： maxau = 394.7 km/h 。最大爬坡度： max 0.347i 。最大
14、加速度： maxa 4.14 方法二：忽略空气阻力与滚动阻力，有：/1/ /gb Lqh L，最大爬坡度 maxi q ，最大加速度 max .a q g所以 0.2 时， 2max max0.118, 1.16 /i a m s 。0.7 时， 2max max0.373, 3.66 /i a m s1.8 一轿车的有关参数如下：总质量 1600kg； 质心位置： a=1450mm,b=1250mm, hg=630mm； 发动机最大扭矩 M emax=140Nm 2， 档传动比 i1=3.85；第 6 页 共 24 页主减速器传动比 i0=4.08； 传动效率 m=0.9；车轮半径 r=30
15、0mm ；飞轮转动惯量 If=0.25kg m2；全部车轮惯量 I w=4.5kg m2(其中后轮 I w=2.25 kg m2,前轮的 Iw=2.25 kg m2)。若该轿车为前轮驱动，问：当地面附着系数为 0.6时，在加速过程中发动机扭矩能否充分发挥而产生应有的最大加速度？应如何调整重心在前后方向的位置（ b 位置） ，才可以保证获得应有的最大加速度。若令 bL为前轴负荷率，求原车得质心位置改变后，该车的前轴负荷率。分析： 本题的解题思路为比较由发动机扭矩决定的最大加速度和附着系数决定的最大加速度的大小关系。 如果前者大于后者，则发动机扭矩将不能充分发挥而产生应有的加速度。解：忽略滚动阻力
16、和空气阻力，若发动机能够充分发挥其扭矩则 max maxFtam；0 1maxmaxrmMe i iFt 6597.4 N；2 2w f 1 02 2I I1 mi imr mr= =1.42；解得 2max 2.91 /a m s 。前轮驱动汽车的附着率 1 qC b hgqL L；等效坡度 max 0.297aqg 。则有， C1 0.7540.6, 所以该车在加速过程中不能产生应有的最大加速度。为在题给条件下产生应有的最大加速度，令 C1 0.6，代入 q=0.297， hg=0.63m， L=2.7m ，解得 b 1524mm，则前轴负荷率应变为 b/L= 0.564 ，即可保证获得应有的最大加速度。1.9 一辆后轴驱动汽车的总质量 2152kg, 前轴负荷 52，后轴负荷 48，主传动比 i0=4.55，变速器传动比：一挡：3.79，二档：
