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汽车的特征参数、性能指标与行驶原理


第三章 汽车总体构造
主要内容: –汽车总体构造的组成部分 –汽车的总体布置形式 –汽车的特征参数 –汽车的主要性能指标 –汽车行驶的基本原理

三、汽车的特征参数
1. 发动机参数 – 排量、压缩比、最大功率、最大扭矩 2. 质量参数 – 整备质量、载质量、总质量 3. 尺寸参数 – 长、宽、高、轴距、轮距、接近角、离去角、前悬、 后悬等

1、汽车发动机参数
? (1)排量 发动机排量是指发动机各汽缸工作容积的总和,其 汽缸工作容积是指活塞从上止点到下止点所扫过的容积。 轿车常以发动机排量进行分类,高档轿车发动机排量较 高。

1、汽车发动机参数
? (2)压缩比 压缩比是指汽缸总容积与燃烧室容积的比值,其中 汽缸总容积是指活塞在下止点时其顶部以上的容积,而 燃烧室容积是指活塞在上止点时其顶部以上的容积。 压缩比的大小反映了气体在汽缸内被压缩的程度。 压缩比越大,在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高, 燃烧速度也愈快,因而发动机发出的功率就愈大,动力 性也愈好;另外,压缩比越大,其发动机的热效率就越 高,经济性就越好。但压缩比过大时,易产生不正常燃 烧现象,使发动机负荷增加,寿命降低,油耗增大,排 放污染加剧。目前一般车用汽油机的压缩比约为6—11, 柴油机的压缩比约为16—21。

1、汽车发动机参数
? (3)最大功率 最大功率是指发动机未带附件(如水泵、发电机等)、油 门全开时所能发出的极限功率。通常发动机最大功率越大, 其汽车的最高车速也越高。因此,最大功率是进行汽车动 力性分析的一个重要参数。 ? (4)最大转矩 最大转矩是指发动机油门全开时曲轴能对外输出的极限 转矩。通常在传动系统参数一定时,发动机最大转矩越大, 其汽车的爬坡能力、加速能力也越大。因此,最大转矩也 是进行汽车动力性分析的一个重要参数。

2、质量参数
? (1)整备质量 汽车完全装备好(但不包括货物、驾驶员及乘客)的质 量。除了包括发动机、底盘和车身外,还包括燃料、润滑 油、冷却水、随车工具和备用轮胎等的质量。 ? (2)载质量 货车在硬质、良好的路面上行驶时所允许的最大额定 装载质量。客车和轿车的载质量一般以乘坐人数表示,其 额定载客人数即为车上的额定座位数。 ? (3)总质量 汽车在满载时的总质量,即汽车装备质量与所载质量 之和。

3.尺寸参数
汽车的主要尺寸参数有车长、车宽、车高、轴距、轮 距、前悬、后悬、接近角、离去角和离地距等。

(1)车长 车长是指汽车长度方向两极端点间的距离。 车长是对汽车的用途、功能、使用方便性等影响最大 的参数,因此一般以车长来划分车身等级。车身长意味着 纵向可利用空间大,但太长的车身会给调头、停车造成不 便。一般中小型乘用车长4m左右,接近5m长的可算作大 型车了。按我国有关规定,公路车辆的极限总长是:货车、 越野车、客车≤12m,铰接式客车≤18m,汽车带挂车 ≤20m。

3.尺寸参数
(2)车宽 车宽是指汽车宽度方向两极端点间的距离。 车宽主要影响乘坐空间和灵活性。对于乘用车,如果 要求横向布置的三个座位都有宽阔的乘坐感(主要是足够 的肩宽),那么车宽一般都要达到1.8m。近年来,由于 对安全性的要求,车门壁的厚度有所增加,因此车宽也普 遍增加。日本对车宽的限制比较严,大部分在1.8m以下, 欧洲车则倾向增大车宽。但是车身太宽会降低在市区行走、 停泊的方便性,因此对于轿车来说车宽2m是一个公认的 上限。接近或超过2m的车都会很难驾驶。按我国有关规 定,公路车辆的极限总宽≤2.5m。

3.尺寸参数
(3)车高 车高是指汽车最高点至地面间的距离。 车高直接影响重心(操控性)和空间。大部分轿车高度在 1.5m以下,与人体的自然坐姿高度相比低很多,主要是出于 降低全车重心的考虑,以确保高速拐弯时不会翻车。MPV、 面包车等为了营造宽阔的乘坐(头部空间)和载货空间,车身一 般比较高(1.6m以上),但随之使整车重心升高,过弯时车身 侧倾角度大,这是高车身的一个重大缺陷。 此外在日本、中国香港等国家和地区,大部分的室内停 车场都有高度限制,一般为1.6m,这也是确定车高的重要考 虑因素。按中国的有关规定,公路车辆的极限总高≤4m。

3.尺寸参数
(4)轴距 轴距是指汽车前轴中心至后轴中心的距离。在车长被 确定后,轴距是影响乘坐空间最重要的因素,因为绝大多 数的两厢和三厢轿车,乘员的座位都是布置在前后轴之间 的。长轴距使乘员的纵向空间增大,直接得益的是对乘坐 舒适性影响很大的脚部空间。在行驶性能方面,长轴距能 提高直路巡航的稳定性,但转向灵活性下降,回旋半径增 大。

3.尺寸参数
(5)轮距 轮距是指同一车轴左右轮胎胎面中心线间的距离。轮 距直接影响汽车的前后宽度比例。与其他尺寸相比,轮距 更受机械布局(尤其是悬挂系统类型)的影响,是造型设计 师需要在早期确定的参数。一般轿车的前轮距比后轮略大 (相差约10~50mm),即车身前半部比后半部略宽,这与 气流动力学有关。但一些特殊布局的汽车,如法拉利的 512TR,由于后轴安放了大型的水平对置12缸发动机,使 其后轮距远大于前轮距,这就需要以特别的造型设计来配 合。在操控性方面,轮距越大,转向极限和稳定性也会越 高,很多高性能跑车车身翼子板都向外抛,就是为了尽量 扩大轮距。

3.尺寸参数
(6)前悬与后悬 前悬是指汽车最前端至前轴中心的距离。后悬是指汽 车最后端至后轴中心的距离。 车长一定,轴距越长,前、后悬便越短。除了一些小 型车要竭力增加轴距来扩大乘坐空间外,一般轿车的悬长 都不能太短,一来轴距太长会影响灵活性,二来要考虑发 动机和传动系统的布局。例如,FF轿车,发动机一般会安 置在前轴的前方,因此前悬必须有一定的长度;但前悬也 不应过长,以确保爬坡通过性,越野车为了保证爬坡、越 台的能力,前悬都很短。一些高性能跑车的前、后悬取值 主要是出于对前后重量平衡和动态重心转移的考虑。近年 为了满足严格的正面撞击测试法规,有加长前悬的趋势, 目的是容纳车架的撞击缓冲结构。后悬则可以比前悬稍长 一些。

3.尺寸参数
(7)接近角与离去角 接近角是指汽车前端突出点向前轮引切线与地面的 夹角。 离去角是指汽车后端突出点向后轮引切线与地面的 夹角。 接近角和离去角越大,表示汽车的通过性越好。

3.尺寸参数
(8)离地距 离地距是指车体最低点与地面的距离。 离地距必须确保汽车在行走崎岖道路、上下坡时的通 过性,即保证不刮底。但离地距高也意味着重心高,影响 操控性,一般轿车的最低离地距为130~200mm,符合正 常道路状况的使用要求。越野车离地距普遍大于200mm。 赛车由于安装了扰流车身部件,并且要降低重心,离地距 可以低至50mm甚至更低。

3.尺寸参数

Audi A2 A4

Audi A6 A8

四、汽车的主要性能指标
汽车性能是指汽车满足使用要求的程度,也是衡量汽车 好坏的重要指标。 通常用来评定汽车性能的指标有:动力性、燃油经济性、 制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等。汽车安全性也是 一个非常重要的性能,但国内外还没有统一的评定标准。 由于汽车的种类繁多,需要满足的使用要求各不相同, 在设计汽车时往往有针对性地满足一两项主要性能而把其他 性能放在次要位置。例如,家用经济型轿车需要强调燃油经 济性而把动力性放在较次要位置;跑车则强调动力性而把燃 油经济性放在次要位置等。因此,评价一辆汽车的优劣,要 综合考虑各方面的因素。

1.动力性
汽车的动力性用汽车在良好的路面上直线行驶时所能达 到的平均行驶速度来表示。汽车是一种高效率的运输工具, 运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性。所以, 动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。 从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发,汽车动力 性主要用以下三方面的指标来评定: (1)汽车的最高车速。最高车速是指在水平良好的路面(混 凝土或沥青)上汽车能达到的最高行驶车速。

1.动力性
(2)汽车的加速时间。 加速时间表示汽车的加速能力,它对平均行驶车速有很大 影响,特别是轿车,对加速时间更为重视。常用原地起步加速 时间和超车加速时间来表明汽车的加速能力。 原地起步加速时间是指汽车由1挡或2挡起步,并以最大的 加速度(包括选择恰当的换挡时机)逐步换至最高挡后达到某一 预定的距离或车速所需的时间。常用0~400m或0~100km/h 的时间(秒)来表示汽车原地起步加速能力。 超车加速时间是指用最高挡或次高挡由某一较低车速全力 加速至某一高速所需的时间。因为超车时汽车与被超车并行, 容易发生安全事故,所以超车加速能力强,并行距离短,行驶 就安全。对超车加速能力还没有统一的规定,采用较多的是用 最高挡或次高挡由30km/h或40km/h全力加速行驶至某一高速 如80km/h或100km/h所需的时间。

1.动力性
(3)汽车能爬上的最大坡度。 汽车的上坡能力用满载(或某一载质量)时汽车在良好路面 上的最大爬坡度表示。显然,最大爬坡度是指1挡最大爬坡度。 轿车最高车速大,加速时间短,经常在较好的路面行驶, 因此一般不强调它的爬坡能力。不过,由于轿车的1挡加速能 力大,因此其爬坡能力也强。 货车在各种道路上行驶,所以必须具备足够的爬坡能力, 一般在30%即16.7°左右。 越野汽车要在坏路或无路条件下行驶,因而爬坡能力是一 个很重要的指标,它的最大爬坡度可达60%即31°左右。

2.燃油经济性
在保证动力性的条件下,汽车以尽可能少的燃油消耗量 经济行驶的能力,称作汽车的燃油经济性。 汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里 的燃油消耗量或一定燃油量汽车行驶的里程来衡量。在中国 及欧洲,燃油经济性指标单位为L/100km,即行驶100km所消 耗的燃油体积数,该数值越大,汽车燃油经济性越差。美国 为MPG(mile/gal),这个数值越大,汽车燃油经济性越好。 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标,指 汽车在一定载荷(中国标准规定轿车为半载、货车为满载)下, 以最高挡在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。 常测出每隔10km/h或20km/h速度间隔的等速百公里燃油消耗 量,然后在图上连成曲线,称为等速百公里燃油消耗量曲线。

2.燃油经济性
等速行驶工况并没有全面反映汽车的实际运行情况,特 别是在市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速以及停车等 行驶工况。因此,在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基 础上,各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况来模拟实 际汽车运行状况,并以百公里燃油消耗量(或MPG)来评定相 应行驶工况的燃油经济性。 欧洲经济委员会(ECE)规定,要测量车速为90km/h和 120km/h的等速百公里燃油消耗量和按ECE-R.15循环工况的 百公里燃油消耗量,并各取1/3相加作为混合百公里燃油消耗 量来评定汽车燃油经济性。美国环保局(EPA)规定,要测量城 市循环工况(UDDS)及公路循环工况(HWFET)的燃油经济性, 并计算综合燃油经济性(单位:mile/gal)。

3.制动性
汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向的稳定性, 在下长坡时能维持一定车速的能力,以及在一定坡道上能长时 间停车不动的驻车性能,称为汽车的制动性。 汽车的制动性主要由下列三方面来评价: (1)制动效能。指在良好路面上,汽车以一定初速制动到 停车的制动距离或制动时汽车的减速度,它是制动性能最基本 的评价指标。 (2)制动效能的恒定性。即抗热衰退性能,指汽车高速行 驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度。 (3)制动时的方向稳定性。即制动时汽车不发生跑偏、侧 滑以及失去转向能力的性能,常用制动时汽车按给定路径行驶 的能力来评价。

3.制动性
世界各国对汽车的制动性能的要求有所不同。 中国对轿车的制动性能要求是,在干燥的水泥路面上,汽 车满载以80km/h的初速制动,制动距离≤50.7m,而制动时的 稳定性要求是不允许偏出3.7m通道。 美国的要求是,汽车以96.5km/h的初速制动时,制动距离 ≤65.8m,制动的稳定性要求是车轮不抱死偏出量小于3.66m。

4.操纵稳定性
汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳 的条件下,汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的 方向行驶,且当遭遇外界干扰(比如侧向力、转弯时的向心力 等)时,汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 随着道路的不断改善,特别是现代高速公路的发展,汽 车以l00km/h或更高车速行驶的情况是常见的。现代轿车设计 的最高车速一般常超过200km/h,有的运动型轿车甚至超过 300km/h。汽车的操控稳定性不仅影响到汽车驾驶的操控方便 程度,而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能,所 以人们称之为“高速车辆的生命线”。

4.操纵稳定性
汽车操纵稳定性涉及的问题较为广泛,需要采用较多的 物理参量从多方面来进行评价,一般常用汽车的稳定转向特 性来评价。转向特性包括不足转向、过度转向以及中性转向 三种状况。 不足转向特性的汽车,在固定方向盘转角的情况下绕圆 周加速行驶时,转弯半径会增大;过度转向特性的汽车在这 种条件下转弯半径则会逐渐减小;中性转向特性的汽车则转 弯半径不变。由于过度转向特性的汽车在转弯时容易发生剧 烈的回转,从而导致翻车事故的发生,因此在汽车设计中要 尽量杜绝汽车具有过度转向特性。 汽车的转向特性与汽车的前后桥轴荷分配、轮胎和悬架 种类以及转向结构形式等有关。易操控的汽车应当有适当的 不足转向特性,以防止汽车出现突然甩尾现象。

5.行驶平顺性
汽车行驶时,由路面不平以及发动机、传动系和车轮 等旋转部件激发汽车的振动。通常,路面不平是汽车振动 的基本输入,因此,平顺性主要是指路面不平引起的汽车 振动,其频率范围约为0.5~25Hz。 汽车的平顺性要求汽车在行驶过程中产生的振动和冲 击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内,因此,平顺 性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价,对于载货汽车 还包括保持货物完好的性能。由于平顺性主要是根据乘坐 的舒适度来评价的,所以它又称为乘坐舒适性。

6.通过性
汽车的通过性是指汽车能以足够高的平均车速通过各种 坏路和无路地带(如松软地面、凹凸不平地面等)及各种障碍 (如陡坡、侧坡、壕沟、台阶、灌木丛、水障等)的能力。 汽车的通过性主要取决于地面的物理性质及汽车的结构 参数和几何参数。同时,它还与汽车的其他性能,如动力性、 平顺性、机动性、稳定性、视野性等密切相关。 由于汽车与越野地面间的间隙不足而被地面托住、无法 通过的情况,称为间隙失效。当汽车中间底部的零部件碰到 地面而被顶住时,称为顶起失效。当汽车前端或尾部触及地 面而不能通过时,则分别称为触头失效或托起失效。 与间隙失效有关的汽车整车几何参数,称为汽车的通过 性几何参数。例如,最小离地间隙、纵向通过半径、横向通 过半径、接近角、离去角等。

五 汽车行驶的基本原理
要使汽车行驶,必须具备两个基本的行驶条件:驱动 条件和附着条件。 (一)驱动条件 汽车必须具有足够的驱动力,以克服各种行驶阻力, 才能得以正常行驶。这些阻力包括:滚动阻力、空气 阻力、坡度阻力和加速阻力。

1.牵引力的产生
当汽车行驶时,发动机的输出扭矩通过传动系传给驱动 车轮,使驱动车轮得到一个扭矩Mt,由于汽车轮胎与地面接 触,在扭矩的作用下,接触面上轮胎边缘对地面产生一个圆 周力 F0,它的方向与汽车行驶方向相反,根据作用力与反作 用力的关系,路面对轮胎边缘施加一个反作用力Ft,其大小 与F0相等方向相反。则Ft为外界对汽车施加的推动力,即牵 引力。

2.汽车行驶的阻力
汽车行驶总阻力ΣF包括滚动阻力Ff、空气阻力Fw、上 坡阻力Fi和加速阻力Fj : ΣF = Ff + Fw + Fi + Fj

2.汽车行驶的阻力
①滚动阻力 滚动阻力是由于车轮滚动时轮胎与路面两者在其接触 区域发生变形而产生的。车轮在硬路面上滚动时,驱动汽 车的一部分动力消耗在轮胎变形的内摩擦上,而路面变形 很小;车轮在软路面(松软的土路、沙地、雪地等)上滚动 时,路面变形较大,所产生的阻力就成为滚动阻力的主要 部分。滚动阻力以Ff表示,其数值与汽车的总质量、轮胎 的结构与气压以及路面的性质有关。

2.汽车行驶的阻力
②空气阻力 汽车在空气中向前行驶时,前部承受气流的压力而后部 抽空,产生压力差。此外,空气与车身表面以及各层空气 之间存在着摩擦,再加上引入车内冷却发动机和室内通风 以及外伸零件引起气流的干扰,就形成空气阻力。空气阻 力以Fw表示,它与汽车的形状、汽车的正面投影面积、汽 车与空气相对速度的平方成正比。可见,汽车速度很高时, 空气阻力相当可观,并将成为总阻力的主要部分。

2.汽车行驶的阻力
③坡度阻力 汽车在坡道上行驶时,其总重力沿坡道方向的分力称 为坡度阻力,以Fi表示。汽车只有在上坡时才存在坡度阻 力,但汽车上坡所作的功并没有白白耗费,而是转化为重 力势能。当汽车下坡时,重力势能促使汽车下坡并转化为 动能。

2.汽车行驶的阻力
④加速阻力: 汽车加速行驶时,需要克服其自身质量加速运动的惯 性力,即加速阻力,以Fj表示。

3.驱动力与总阻力的关系
汽车的驱动力Ft与上述各项阻力之和(总阻力)存在如 下关系:

Ft ? Ff ? Fw ? Fi ? Fj

上式可改为

Fj ? Ft ? ( Ff ? Fw ? Fi )

汽车行驶的过程,是驱动力是否能克服各种阻力的 交替变化过程:当Fj=0时,汽车匀速行驶;当干Fj>0时, 汽车速度增加,同时空气阻力亦随车速的增加而急剧增 大,在某个较高速度处达到新的平衡然后匀速行驶;当 Fj<0时,汽车减速乃至停驶。这时,如果要维持较高的 车速,就需要加大发动机的输出功率或将变速器换入较 低的档位以维持较大的驱动力。 当汽车在平直的路面上以最高车速行驶时,只需克 服滚动阻力和空气阻力。

(二 )附着条件
汽车能否充分发挥其驱动力,还受到车轮与路面之 间附着作用的限制。在平控的干硬路面上,汽车附着性能 的好坏决定于轮胎与路面间摩擦力的大小。这个摩擦力阻 碍车轮的滑动,使车轮能够正常地向前滚动并承受路面的 驱动力。如果驱动力大于轮胎与路面间的最大静摩擦力时, 车轮与路面之间就会发生滑转。在松软的路面上,除了轮 胎与路面间的摩擦阻碍车轮滑转外,嵌入轮胎花纹凹处的 软路面凸起部还起一定的抗滑作用。通常把车轮与路面之 间的相互摩擦以及轮胎花纹与路面凸起部的相互作用综合 在一起,称为附着作用。由附着作用所决定的阻碍车轮滑 转的最大力称为附着力,与车轮所承受垂直于路面的法向 力G(称为附着重力)成正比,汽车行驶的附着条件

Ft ? F? ? G?

(二 )附着条件
驱动力的最大值一方面取决于发动机可能发出的最大 转矩和变速器换入最低档时的传动比,另一方面又受到轮 胎与地面的附着作用限制。 当汽车在平整硬路面上,车轮的附着作用是由于轮胎 与路面存在摩擦力。这个摩擦力阻碍车轮滑动,使车轮能 够正常地向前滚动并承受路面的反作用力——驱动力。如 果驱动力大于摩擦力,车轮与路面之间就会发生滑动。在 松软地面上,除了轮胎与地面的摩擦之外,还加上嵌入轮 胎花纹凹部的软地面凸起部的抗滑作用。由附着作用所决 定阻碍车轮滑动的力的最大值称为附着力,用FΦ表示。附 着力与车轮承受垂直于地面的法向力G(称为附着重力) 成正比: FΦ = G·Φ

(二 )附着条件
附着力是汽车所能发挥驱动力的极限,其表达式为: Ft≤FΦ 此式称为汽车行驶的附着条件。 在冰雪或泥泞的地面上,由于附着力很小,汽车的驱 动力受到附着力的限制而不能克服较大的阻力,导致汽车 减速甚至不能前进,即使加大节气门开度或换入低档,车 轮只会滑转而驱动力不会增大。为了增加车轮在冰雪路面 的附着力,可采用特殊花纹的轮胎、镶钉轮胎或者在普通 轮胎上绕装防滑链,以提高对冰雪路面的抓着作用。非全 轮驱动汽车的附着重力仅为分配到汽车驱动轮上的那一部 分汽车总重力,而全轮驱动汽车的附着重力则为全车的总 重力,因而其附着力较前者显著增大。

前三章小结
? 汽车及汽车工业的发展 ? 汽车的分类和编号规则 – 分类:商用车、乘用车 – 编号:规则,厂牌、类型和主要特征参数 ? 汽车的总体构造 – 发动机、 底盘、 车身、 电器与电子设备。 – 传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统。 – 汽车的总体布置形式:FF、FR、RR、MR、4WD ? 汽车特征参数与性能指标

前三章小结
? 汽车特征参数、性能指标与行驶原理 – 汽车的特征参数 ? 发动机参数(排量、压缩比、最大功率、最大扭矩) ? 质量参数(整备质量、载质量、总质量) ? 尺寸参数(长、宽、高、轴距、轮距、接近角···) ··· – 汽车的主要性能指标 ? 动力性、燃油经济性、 制动性、操纵稳定性、平顺 性和通过性 – 汽车的行驶原理 ? 牵引力、行驶阻力、附着力


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