《汽车系统动力学第2版喻凡基本课件第5章节纵向动力学性能分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车系统动力学第2版喻凡基本课件第5章节纵向动力学性能分析（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 纵向动力学性能分析,第一节 动力的需求与供应 第二节 动力性 第三节 燃油经济性,第四节 驱动与附着极限和驱动效率,第五节 制动性,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,这里介绍的车辆行驶阻力,实际上代表了车辆对动力的需求（记为Fdem）。按行驶状态的不同,车辆行驶阻力可分为稳态匀速行驶状态下的阻力和瞬态加速时的阻力两部分。前者包括车轮滚动阻力、空气阻力和坡度阻力;后者主要是指加速阻力。,图5-1 车辆加速上坡时所受到的行驶阻力,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,在车辆加速上坡时,作用于车辆的行驶阻力如图5-1所示,主要包括车轮滚动阻力FR、空气阻力FD、坡度阻
2、力FG和加速阻力Fa。其中关于车轮滚动阻力和车辆的空气阻力,已在第三章第四节和第四章第七节做了详细介绍。 设车辆整备质量为mv,车辆装载质量为mc,当坡度角为G时,由重力导致的坡度阻力FG为: FG=(mv+mc)gsinG(5-1) 考虑一般道路坡度较小,所以近似有: FG=(mv+mc)gtanG=(mv+mc)giG 式中,iG为路面坡度。,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,当车辆非匀速行驶时,必须克服由加速(或减速)所产生的惯性力,这里统一记为“加速阻力”Fa,它包括车身质量加速(或减速)运动产生的平动(translational)分量Fa,t和车辆旋转部件加速(或减速)
3、产生的转动(rotational)分量Fa,r,分别为: Fa,t=(mv+mc)ax(5-2) Fa,r=(5-3) 式中,mv为车辆整备质量;mc为车辆装载质量;ax为车辆沿前进方向的加速度,等于;Ma为由旋转部件非匀速运动引起的惯性力矩;为所有旋转部件换算到驱动桥的总等效转动惯量;为驱动轮的角加速度;rd为驱动轮滚动半径。 由于tw=x/rd,故有=/rd,且=ax,因此,加速阻力的转动分量可写为: Fa,r=ax/(5-4),第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,对旋转质量总等效转动惯量来说,必须考虑所有动力装置和传动系统部件的转动惯量,对图5-2所示的典型车辆而言,具体包括
4、以下几方面: 1) 发动机、离合器:e+c; 2) 某特定传动比i时的传动系统(相对传动系统输入轴):Ti; 3) 驱动桥、差速器:dr; 4) 车轮(包括制动鼓或制动盘及半轴):w。 在计算车轮质量转动惯量时须特别注意:不管是前轮驱动还是后轮驱动,或者是四轮驱动,必须考虑所有的车轮。,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,图5-2 非匀速工况下需考虑的旋转质量的转动惯量,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,采用某特定传动比ig和后轮(或前轮)驱动桥主减速器传动比i0的乘积,可以得到相对于该驱动桥传动比i的简化等效旋转质量转动惯量i,但要求替代的等效系统的输出必须相同,即
5、: i=w+dr+(e+c+Ti)(5-5) 将加速阻力平动分量Fa,t和加速阻力转动分量Fa,r相加,并将式(5-2)和式(5-4)代入,即得到总的车辆加速阻力Fa: Fa=ax(5-6) 若定义一个仅与车辆参数有关的旋转质量换算系数i: i=+1(5-7) 则车辆总的加速阻力可写成以下形式: Fa=(imv+mc)ax(5-8),第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,由式(5-5)可知,旋转质量惯性矩是传动系统传动比的二次函数,因而其大小很大程度上由传动系统传动比决定。不同典型车型在不同档位的旋转质量换算系数i见表5-1。若旋转质量换算系数大于2时,表明更高的动力需求是用来加速旋
6、转质量,而非用于车辆的平动加速。,表5-1 不同典型车型在不同档位的旋转质量换算系数i,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,综上所述,代表车辆动力需求的车辆总行驶阻力FDem可写成: FDem=Fa+FG+FR+FD=(imv+mc)ax+(iG+fR)(mv+mc)g+CDAu2(5-9) 将各行驶阻力分量绘制在同一图中,就得到了车辆行驶阻力曲线图,如图5-3所示。由于反 映了不同驱动工况下车辆所需的驱动力矩,所以行驶阻力曲线也称为动力需求特性曲线。,图5-3 车辆上坡时的行驶阻力曲线图,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,各行驶阻力分量对总行驶阻力的影响程度与车辆的
7、行驶状态有关。通常,对野外高速行驶的乘用车而言,空气阻力起主导作用;而对商用货车,空气阻力的影响相对较小。图5-4所示为典型商用车在不同行驶条件下各阻力分量 引起的相对燃油消耗百分比。需强调的是,除空气阻力外,其他所有行驶阻力分量均与车重有关。这也意味着减小车重对节省能耗有显著意义。,第一节 动力的需求与供应,一 车辆对动力的需求,图5-4 典型商用车在不同行驶条件下各阻力分量引起的相对燃油消耗百分比,第一节 动力的需求与供应,二 车辆的动力供应,将地面给驱动轮胎接地印迹内纵向作用力的合力定义为驱动力Fx。若发动机至驱动轮毂的转矩损失为ML,变速器传动比为ig,主减速器传动比为i0,可得出由发
8、动机转矩Me传递至驱动轮毂的转矩MH为: MH=(Me-ML)i0ig(5-10) 若定义传动系统额定效率为t0 ,则发动机在额定工况下的转矩损失可表示为: ML=(1-t0)Me,0=(1-t0)(5-11) 式中,P0为发动机额定功率;n0为发动机额定转速;Me,0为发动机额定工况下的转矩。,第一节 动力的需求与供应,二 车辆的动力供应,影响转矩损失ML的因素很多,主要包括转速、转矩、传动比和油温等。图5-5所示为某轿车三档时在不同输入转矩下的传动效率试验数据1。 由图5-5可见,当发动机额定转矩Me,0为350Nm时,其传动效率约为0.95。除去传动过程中的转矩损失,将剩余的发动机转矩(
9、Me-ML)称为净转矩,记作Mn。一般情况下,可假定某特定档位车速下的转矩损失ML恒定。因而,净转矩Mn的变化曲线可近似地由发动机满载转矩特性曲线减去某一固定值而得出,如图5-6所示。,第一节 动力的需求与供应,二 车辆的动力供应,图5-5 不同输入转矩下传 动系统的传动效率,图5-6 发动机额定转矩和 净转矩随转速的变化,第一节 动力的需求与供应,二 车辆的动力供应,若驱动轮滚动半径为rd,根据净转矩Mn的定义,则可得到驱动力Fx为: Fx=MH/rd=Mnigi0/rd(5-12) 若车辆传动系统效率为t,则驱动力Fx为: Fx=Mnigi0/rd=tMeigi0/rd(5-13) 根据车
10、辆的动力需求式(5-9)和动力供应式(5-13),即得到车辆沿前进方向的动力供求平衡方程为: =(imv+mc)ax+(iG+fR)(mv+mc)g+CDAu2(5-14),第二节 动力性,一 概述,车辆的动力性由加速能力、爬坡能力和最高车速来衡量,也可通过对特定行驶工况下车辆动力需求与动力供应之间的比较来评定,而供求双方的平衡关系则由驱动轮轮胎与地面间的相互作用所决定。评价车辆动力性时,通常采用“驱动力平衡图”或“驱动功率平衡图”进行分析。 若同时考虑车辆在某一工况下的行驶阻力和驱动力,则可用图来表示该工况下的动力供求关系,这样的图称为驱动力与行驶阻力平衡图,简称驱动力平衡图。一个典型的水平
11、路面行驶工况下的驱动力平衡图如图5-7所示。,第二节 动力性,一 概述,图5-7 驱动力平衡图(水平路面行驶工况),第二节 动力性,一 概述,根据驱动力平衡图(图5-7),若分别将某特定车速u下的驱动力和行驶阻力值与车速u相乘,即得到传递至车轮轮毂的功率(即功率供应)PH和水平路面行驶时需克服的功率(即功率需求)PDem。将功率供应PH=Fxu和功率需求PDem=FDemu两项绘制于同一图中进行比较,即得到了驱动功率平衡图,如图5-8所示。根据已知的最大驱动力特性曲线,还可绘制出不同档位下行驶的满负荷功率曲线。此外,对水平路面行驶的车辆,可由驱动力平衡图或驱动功率平衡图中得出最高行驶车速ua,
12、max。,第二节 动力性,一 概述,图5-8 驱动功率平衡图(水平路面行驶工况),第二节 动力性,二 爬坡能力,现将车辆行驶时实际所需的驱动力FDem与车辆所能提供的最大驱动力Fx的差值定义为后备驱动力Fx,ex。后备驱动力可通过驱动力平衡图方便地确定,它与行驶车速的关系如图5-9所示。,图5-9 后备驱动力与爬坡能力的驱动力平衡图,第二节 动力性,二 爬坡能力,车辆上坡行驶时必须克服的坡度阻力见式(5-1)。在确定爬坡能力时,通常假设车辆为匀速行驶工况,因此全部后备驱动力Fx,ex都可用于克服坡度阻力。由此可得出某一特定档位车速下的最大爬坡角G,max,即: sinG,max=(5-15)
13、可以看出最大爬坡角正弦值与后备驱动力成正比关系。,第二节 动力性,三 加速能力,车辆的加速能力通常由可达到的最大加速度来表示。由于车辆加速时需同时考虑其平移质量和转动质量的影响,前面已经定义了一个传动系统传动比为i时的旋转质量换算系数i。因此,若车辆可能达到的最大加速度为amax,此时瞬时后备驱动力Fx,ex全部用来克服加速阻力,则可得到以下关系: Fx,ex=(imv+mc)amax(5-16) amax=(5-17) 若不考虑旋转质量的影响(即令i=1),则加速性能曲线与后备驱动力曲线一致。,第二节 动力性,三 加速能力,后备驱动力与加速能力的驱动力平衡图如图5-10所示。当考虑旋转质量的
14、影响时, 由于旋转质量换算系数i是随变速器档位的降低而增加的,因此最大加速度的变化曲线如图5-10中虚线所示。通常,重型货车的i对加速能力的影响比较显著,为了获得较强的爬坡能力,重型货车需在最低档位下工作,这时的旋转质量换算系数相对较高,1档的加速能力甚至还不如2档,如图5-11所示。因此,为实现车辆的最大加速能力,换档的最佳时机应是发动机达到最高转速,或在相邻的高档能提供比当前档更高加速度的情况下。,第二节 动力性,三 加速能力,图5-10 后备驱动力与加速能力关系的驱动力平衡图,第二节 动力性,三 加速能力,图5-11 重型货车旋转质量系数i 对加速能力的影响,第二节 动力性,三 加速能力
15、,图5-12 加速能力与后备功率关系的功率平衡图,第二节 动力性,三 加速能力,由于车辆的最大加速能力与其最大后备驱动力呈线性关系,因而在同一档位下二者变化趋势一致。后备功率Pex为: Pex=Fx,exu=(imv+mc)amaxu (5-18) 上式也意味着对匀加速行驶的车辆而言,其后备功率与车速成比例。图5-12所示为加速能力与后备功率关系的功率平衡图。 车辆的最大爬坡能力与加速能力分别由式(5-15)和式(5-17)确定,联立这两个方程,可得到车辆最大加速度为: amax=gsinG,max(5-19) 可见,车辆加速能力与爬坡能力之间的关系受旋转质量系数i的影响,因此两者之间的关系与
16、变速器的档位有关。,第二节 动力性,四 传动系统设计方案的影响,除了行驶阻力和发动机特性的影响外,传动系统的设计方案和控制策略对车辆动力性也有显著影响。因而,在传动系统整体方案的设计中,必须对每个档位下的加速能力和爬坡能力逐一进行校核,使每个档位下车辆对后备驱动力或后备功率的供应均能满足相应的需求。 车辆上坡或加速行驶时,可通过绘制驱动力(或驱动功率)平衡图来验证可用的驱动力(或驱动功率),还可分析各档位下的后备驱动力(或后备驱动功率)。图5-13所示为某车辆在不同坡度情况下的驱动力和驱动功率平衡图。,第二节 动力性,四 传动系统设计方案的影响,图5-13 不同坡度情况下的驱动力和驱动功率平衡图 a)驱动力平衡图 b)驱动功率平衡图,第二节 动力性,四 传动系统设计方案的影响,图5-14 旋转质量换算系数i对加速工 况下最佳换档时机的影响,第二节 动力性,四 传动系统设计方案的影响,当发动机在部分负荷下工作时,可通过改变发动机的工作点得到所需的功率。因此,有级变速器换
