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14汽车的行驶的附着条件与附着率pdf

归档日期:07-01       文本归类:地面照射率      文章编辑:爱尚语录

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  1.4 汽车的行驶的附着条件与附着率 1.4.1 汽车行驶的附着条件 附着力是路面对驱动轮切向反力的极限值,在硬路面上,它与驱动轮法向反作用力Fz 2 成正比,即 F F F ϕ X max ϕ Z 式中,ϕ称为附着系数,它是由路面与轮胎决定的。由作用在驱动轮上的转矩T 引起的地 t 面切向反作用不能大于附着力,否则将发生驱动轮滑转现象,即对于后轮驱动的汽车 T −T t f 2 F F =≤ ϕ X 2 Z 2 r 这就是汽车行驶的附着条件。 对于前轮驱动汽车,其前驱动轮的附着率亦不能大于地面附着系数。 驱动轮地面法向反作用力与汽车的总体布置、行驶状况及道路的坡度有关。式中ϕ 为 附着系数,它与路面的种类和状况、车轮运动状况、胎压及花纹有关,行驶车速对附着系数 也有影响。 在一般动力性分析中只取附着系数的平均值,见表 1-3。 1.4.2 汽车的附着力与地面法向反作用力 汽车的附着力决定于附着系数以及地面作用于驱动轮的法向反作用力。附着系数主要 取决于路面的种类和状况,行驶车速对附着系 数也有影响。 图 1-13 为汽车加速上坡时的受力图。图 中,G 为汽车重力;α为道路坡度角;h 为 g 汽车质心高;T 、T 为作用在前、后轮上的滚动阻力偶矩;T 为作用于横置发动机飞轮 f 1 f 2 j e 上的惯性阻力偶矩;T 、T 为作用在前、后车轮上的惯性阻力偶矩;FZw1 、FZw2 为作 j w1 j w2 用于车身上并位于前、后轮接地点上方的空气升力;FZ 1 、FZ 2 为作用在前、后轮上的地面 F F a 法向反作用力; X 1 、 X 2 为作用在前、后轮上的地面切向反作用力;L 为汽车轴矩; 、 b 为汽车质心至前、后轴之距离。 若将作用在汽车上的诸力对前、后轮与道路接触面中心取力矩,则得 ⎛ h ⎞ ⎛ h I I i i ⎞ f ⎫ b g G g ∑ w f g o du r F G F G ⎜ cosα=− sin α⎟−⎜ + ± ⎟ − − cosα ⎪ Z 1 ⎝L L ⎠ ⎜⎝g L Lr Lr ⎟⎠dt Zw1 L ⎪⎬ (1-10) ⎛a h ⎞ ⎛G h ∑I I i i ⎞du rf ⎪ g g w f g o FZ 2 G ⎜⎝L cosα=+ L sin α⎟⎠+⎜⎜⎝g L + Lr ± Lr ⎟⎟⎠dt −FZw2 +G L cosα⎭⎪ 在式(1-10)中不能再计入F 对前、后轮与道路接触面中心的距。从式(1-10)可以看出, w 前、后轮地面法向反作用力是由四个部分构成的。分别为: (1)静态轴荷的法向反作用力 即汽车重力分配到前、后轴的分量产生的地面法向反作 用力。它们分别为 b h F G g Zs 1 ( cosα=− sin α) L L a h g FZs 2 G ( cosα=+ sin α) L L (2 )动态分量 即加速过程中产生的惯性力、惯性阻力偶矩造成的地面法向反作用力部 分。它们分别为 G h g ∑I g I i i du FZd 1 =− ( g + w ± f g 0 ) g L G Lr G Lr dt G hg g ∑I w g I f ig i0 du FZd 2 ( =+ ± ) g L G Lr G Lr dt 平移质量的惯性力为 G du ;旋转轴线垂直于汽车纵向垂直平面的旋转质量惯性阻力偶 g dt 距,即车轮的惯性阻力偶矩 ∑Iw du (数值较小,一般可忽略不计)与横置发动机飞轮的惯 r dt I i i du 性阻力偶矩 f g 0 ( 曲轴旋转方向与车轮旋转方向一致时取“+ ”号) 。 r dt (3 )空气升力 由于流经汽车顶部与底部的空气流速不一样,产生了作用于汽车的空 气升力。常将空气升力分解为作用于前轮接地点与后轮接地点的前、后空气升力。可用试验 确定的前、后空气升力系数 C 、C 来计算前、后升力 Lf Lr 1 2 FZw1 CLf Aρur 2 1 2 FZw2 CLr Aρur 2 式中,A 为迎风面积,即汽车行驶方向的投影面积。 图 1-14a 给出了几种车身形式的前、后空气升力系数。图 1-14b 是德国、日本轿车的CD 、 与C 值。可以看出, C 值降低时 C 有所增加,这对于后轮驱动汽车的动力性、操纵稳 Lr D Lr 定性是很不利的。因此,车身开发部门在降低C 值的同时还要防止 C 的增加。 D Lr 车身前部压低,尾部肥厚向上的楔形造型,可以降低空气升力。合适的前保险杠下面的 阻风板与后行李箱盖上的后扰流板能进一步减小前、后空气升力,如图 1-15 所示。 rf (4 )滚动阻力偶矩产生的部分 即式(1-10)中最后一项G cosα 。由于此项甚小,可 L 以忽略不计。 汽车前、后轮地面法向反作用力,忽略掉旋转质量惯性阻力偶矩与滚动阻力偶矩之后, 便简化为 G h du ⎫ g =− − F F F Z 1 Zs 1 Zw1 ⎪ g L dt ⎪ ⎬ (1-11) G h du F F =−F + g ⎪ Z 2 Zs 2 Zw 2 g L dt ⎭⎪ 1.4.3 作用在驱动轮上的地面切向反作用力 图 1-16 是前轮驱动汽车的从动轮、驱动轮与车身在加速过程中的受力图。G 、G 为 w1 w2 驱动轮、从动轮的重力;m 、m 为驱动轮、从动轮的质量;W 车身重力;m 车身质量; 1 2 B B F 、F 为驱动、从动轴作用于驱动、从动轮的平行于路面的力;T ′为半轴作用于驱动轮 p 1 p 2 t 的转矩;T 、T 为作用在前、后轮上的滚动阻力偶矩;T 、T 为作用在前、后轮的 f 1 f 2 j w1 j w2 惯性阻力偶矩;FZ 1 、FZ 2 为作用在前、后轮上的地面法向反作用力;FX 1 、FX 2 为作用在 ′ ′ 前、后轮上的地面切向反作用力;L 汽车轴距;a 、b 为车身质心至前、后轴的距离。 由从动轮受力图有 du F m G F =+ sinα+ p 2 2 dt w 2 X 2 与 F r T +T X 2 f 2 j w2 T T 即 FX 2 f 2 =+ jw 2 r r T 的数值很小可忽略不计,故 j w2 F F X 2 f 2 du F F G m 所以 =+ sinα+ p 2 f 2 w 2 2 dt 由车身受力图有 du F F F W m =+ + sinα+ p 1 p 2 w B B dt du F F W G m m =+ +( + )sinα+( + ) f 2 w B w 2 B 2 dt 考虑驱动轮的受力平衡可得 du F F G m =+ sinα+ X 1 p 1 w 1 1 dt 代入F 得 p 1 du F F F G m =+ + sinα+ X 1 f 2 w dt ′ F =+F +F +F (1-12) f 2 w i j 同理,对于后轮驱动汽车,地面作用于驱动轮的切向反作用力为 ′ F F +F +F +F (1-13) X 2 f 1 w i j 注意此处的F ′为m du 。 j dt 1.4.4 附着率 附着率是指汽车直线行驶状况下,充分发挥驱动力作用时要求的最低附着系数。不同的 直线行驶工况,要求的最低附着系数是不一样的。在较低行驶车速下,用低速挡加速或上坡 行驶,驱动轮发出的驱动力大,要求的(最低) 附着系数大。此外,在水平路段上以极高车 速行驶时,要求的附着系数也大。下面就分析这两种行驶工况下的附着率。 1.4.4.1 加速、上坡行驶时的附着率 根据上面求得的前、后轴地面法向反作用力与驱动轮地面切向反作用力,可以确定前驱 动轮或后驱动轮的附着率。 对于后轮驱动汽车,其后驱动轮的附着率为 ′ F F +F +F +F C X 2 f 1 w i j (1-14) ϕ2 F G h du Z 2 g F −F + Zs 2 Zw 2 g L dt 在加速、上坡时,主要的行驶阻力为加速阻力与坡度阻力,空气阻力与滚动阻力可忽略 不计,故后驱动轮的附着率简化为 1 1 du ′ i + Fi +Fj cosα g dt C ϕ2 G h du a h 1 1 du FZs 2 + g + g (i + ) g L dt L L cosα g dt 1 1 du i + q 式中, 可以理解为包含加速阻力在内的等效坡度,以 表示,则 cosα g dt q C ϕ2 a h g + q L L 由于C 为加速、上坡行驶时要求的地面附着系数,故在一定附着系数ϕ 的路面上行驶 ϕ2 时,汽车能通过的(最大)等效坡度为 a L q 1 h g − ϕ L 同理可以求得前轮驱动汽车的前驱动轮附着率为 q C ϕ1 b h g − q L L 一定ϕ值路面上,能通过的等效坡度为 b L q 1 h g + ϕ L 对于四轮驱动汽车,前、后驱动力的分配是根据中央差速器的结构确定的。若令后轴的 转距分配系数为 T t 2 T +T t 1 t 2 式中,T 为前驱动轴的驱动转矩;T 为后驱动轴的驱动转矩。 t 1 t 2 如是前轮驱动汽车,则 0 ;如是后轮驱动汽车, 1 。四轮驱动汽车中,Audi 的 0.5 ,BMW325i 的 0.63 ,M.B.4Matic 的 0.65 。 根据值,在忽略滚动阻力、空气阻力与旋转质量的影响后,可以确定前、后轮的切 向反作用力为 1 du FX 1 (1 =−)G (sinα+ ) g dt 1 du FX 2 =G (sinα+ ) g dt 故前、后驱动轮的附着率分别为 (1 −)q C ϕ1 b h g − q L L q C ϕ2 a h g + q L L 前、后驱动轮的附着率常不相等。若 C C ,在一定附着系数ϕ 的路面上,该四轮 ϕ1 ϕ2 驱动汽车能达到的等效坡度为 b L q 1− h g + ϕ L 反之,C C ,则在一定ϕ值路面上能达到的等效坡度为 ϕ1 ϕ2 a L q h g − ϕ L 如果前、后驱动力的分配可以根据运动状况自动调 节,而使前、后驱动力同时达到附着力的限值,则全部 附着力均可转化为驱动力,有 G du ϕG cosα G sinα =+ g dt 即 ϕ q 此时等效坡度等于地面附着系数。 图 1-17 给出了前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动汽车的等效坡度与地面附着系数的关系 曲线。正如所预期的一样,四轮驱动汽车的等效坡度,即加速与上坡能力大大超过单轴驱动 汽车。 为了完整表达汽车的动力性,还应给出达到相应加速度与爬坡度所要求的地面附着系 数,即附着率曲线 算例中后轮驱动轿车在 I、Ⅱ挡加速或爬坡行驶时相应 的附着率曲线a 可知,I 挡加速时最大的 C 值为 0.64,在ϕ 0.7 的良好路面上 ϕ2 汽车可以全力加速行驶。但从图 1-18b 中却可看出,在ϕ 0.7 的路面上,该车I 挡(节气门 全开时) 的爬坡能力基本上是无法实现的。不过Ⅱ挡的最大C 值为 0.45,相应的爬坡度达 ϕ2 23 %,远大于四级公路在山岭重丘区的最大纵向坡度9 %。所以,该车在良好路面上的附着 性能仍是令人满意的。 1.4.4.2 高速行驶时的附着率 汽车在良好道路上高速行驶时,道路的坡度与汽车加速度均很小。令式(1-14)中的i 0 、 du 0 ,便可求得高速行驶时后轮驱动汽车的后驱动轮附着率为 dt F +F C f 1 w ϕ2 F −F Zs 2 Zw2 图 1-19 给出了一(紧凑型)后轮驱动轿车后驱动轮地面切向反作用力、法向反作用力、 附着率与车速的关系曲线。图中的法向反作用力与附着率是按三种空气升力系数求得的,即 后升.力系数为 0.28, 1.05 与 0 。由图可以看出,随着车速的增加,后轮的法向反作用力下降, 而切向反作用力则按车 速的平方关系增大。因 此,附着率 C 随着车 ϕ2 速的提高而急剧增大。 图 1-19 中的例子表 明,在一般车速下C ϕ2 值甚小,汽车完全可以正常行驶。当车速达到 250km/h 、C 0.28 ,C 0.57 ,附着率 Lr ϕ2 C 0.28 C 0.15 接近于沥青路面的附着系数。当车速为 300km/h、 时, ; 时, C 0.99 Lr ϕ2 Lr C 0.74 这说明在极高车速下,即使是良好路面也不能满足附着性能的要求。 ϕ2 所以,为了保证安全行驶所要求的地面附着系数就远比附着率要高许多了。通过改善 车身形状,或者增加一些辅助的空气动力装置,可以降低空气升力系数,达到减小附着率以 改善操纵稳定性与动力性的目的;也可以通过调整汽车的总体布置,变动前、后轴的轴荷来 减小驱动轮的附着率。

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