1、汽车理论第5版课后题答案第1章汽车的动力性1.1试说明轮胎滚动阻力的定义，产生机理和作用形式。答：车轮滚动时，由于车轮的弹性变形、路面变形和车辙摩擦等原因所产生的阻碍汽车行驶的力称为轮胎滚动阻力。 产生机理和作用形式：（1）弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形是主要的，由于轮胎有内部摩擦，产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。由于弹性迟滞，地面对车轮的法向作用力并不是前后对称的，这样形成的合力Fz并不沿车轮中心（向车轮前进方向偏移 a）。如果将法向反作用力平移至与通过车轮中心的垂线重合， 贝U有一附加的滚动阻力偶矩Tf Fz a。为克服该滚动阻力偶矩，需要在车轮中心加一推力 F
2、p与地面切向反作用力构成一力偶矩。（2）轮胎在松软路面上滚动时，由于车轮使地面变形下陷，在车轮前方实际形成了具有一定坡度的斜面，对车 轮前进产生阻力。（3 ）轮胎在松软地面滚动时，轮辙摩擦会引起附加阻力。（4）车轮行驶在不平路面上时，引起车身振荡、减振器压缩和伸长时做功，也是滚动阻力的作用形式。1.2滚动阻力系数与哪些因素有关？答：滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料和气压有关。这些因素对滚动阻力系数的具体 影响参考课本P9。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
3、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Tq19313 漪27祇）16544（為2 40.874（总）3 3-8445（1000）4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 整车整备质量 总质量车轮半径2000kg1800kg388
4、0kg0.367m传动系机械效率滚动阻力系数空气阻力系数池风面积主减速器传动比n t=0.85f=0.013CDA=2.77m2 i0=5.83I档n档川档档V档四档变速器6.093.091.711.00-五档变速器5.562.7691.6441.000.793轴距L=3.2m飞轮转动惯量 二前轮转动惯量 四后轮转动惯量 变速器传动比If=0.218kg?m2Iw1=1.798kg ?m2Iw2=3.598kg ?m2 ig（数据如下表）质心至前轴距离（满载）质心高（满载）a=1.974mhg=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
5、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 i tan 。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= Ttqigio七r行驶阻力 Ff+Fw + Fi+Fj = G?f +CDAu2+G?i+
6、21.12du m 一 dt发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为:ua0.377r nigio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）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。F t F f F wi tan arcs in ；而汽G汽车的爬坡能力，指汽车在良好路面上克服 Ff Fw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-一0,因此有Fi Ft Ff Fw ,可得到汽
7、车爬坡度与车速的关系式: dt车最大爬坡度imax为I档时的最大爬坡度。利用 MATLAB计算可得，imax 0.352。如是前轮驱动，C 1 = q ;相应的附着率C 1为1.20，不合理，舍去。b hgqL L如是后轮驱动，C 2 = q ；相应的附着率C 2为0.50。a hgqL L3）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I档n档川档档V档2 21 Iw Ifigi。 T1 2 2 mr mr1.38291.10271.04291.02241.0179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:结2
8、6.0s。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n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果用MATLAB!出汽车加速时间曲线如图五所示。如图所示，汽车用H档起步加速行驶至 70km/h的加速时间约为1.4空车、满载时汽车动力性有无变化？为什么？答：动力性会发生变化。因为满载时汽车的质量会增大，重心的位置也会发生改变。质量增大，滚动阻力、坡度 阻力和加速阻力都会增大，加速时间会增加，最高车速降低。重心位置的改变会影响车轮附着率，从而影响最大爬坡 度。1.5如何选择汽车发动机功
9、率？答：发动机功率的选择常先从保证汽车预期的最高车速来初步确定。若给出了期望的最高车速，选择的发动机功1 Gf c a率应大体等于，但不小于以最高车速行驶时的行驶阻力功率之和，即 Pe 丄（一Uamax D famax）。t 3600 76140在实际工作中，还利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机应有功率。不少国家还对车辆应有的 最小比功率作出规定，以保证路上行驶车辆的动力性不低于一定水平，防止某些性能差的车辆阻碍车流。1.6超车时该不该换入低一挡的排挡？答：超车时排挡的选择，应该使车辆在最短的时间内加速到较高的车速，所以是否应该换入低一挡的排挡应该由 汽车的加速度倒数曲线决定。
10、如果在该车速时，汽车在此排档的加速度倒数大于低排挡时的加速度倒数，则应该换入 低一档，否则不应换入低一挡。1.7统计数据表明，装有 0.52L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 片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坡度及极限最大加速度（在
11、求最大爬坡度和最大加速度时可设Fw=0） o其它有关参数为：2m=1600kg, 0=0.45, A=2.00m , 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
12、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。1 - 15),由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（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。具体见1.3题的分析。但经过公式推导3）最极限最大爬坡度时依然要明确道路坡度的定义和计算中的简化问题,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
13、.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FZW1 2 CLf 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 = 9643.2CLf A U：2地面作用于前轮的切向反作用力为：Fx1 = Ff2+Fw =0.385Gf +21.15Ua=120.7+C d A21.15附着力利用情况:Fz1120.7CdA21 159643.2 2 CLf A U2ii对于前置发动机后轮驱
14、动（F.R.）式轿车同理可得:174.7-CDAua221.15 a6946.22CLrA u：以此可得旦2 皂,前置发动F Z1 F Z2Cd A 221.15Ua由此可推出其极限最高车速:Uamax = 206.1 km/h。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,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式轿车进行动力性分析1）附着系数 0.2时i求极限最高车速：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 Fj= g=z1=1928.6 N。令加速度
15、和坡度均为零，则由书中式（ 1- 15）有：F FxFw+Ff?则 Fw F 1 斥2 = 1928.6-0.02X0.385X1600X9.8= 1807.9 Nii 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。前轮的地面反作用力 Fz1 Fz G（bcos电sin最大附着力F1二中刃由书中式（1- 15）,有 F 1=E（1=Fi+Ff2Gsi nb af以上三式联立得：imax tan = 0.095。L hgiii求极限最大加速度：令坡度阻力和空气阻力均为 0, FZ1= 9643.2 NF 1= gFz1 = 1928.6N由书中式（1- 15） F 1 =Fx1 =F
16、f2 mamax解得 amax 1.13。2）当附着系数二0.7时，同理可得:最咼车速： uamax = 394.7 km/h。最大爬坡度：imax0.347。amaxFt maxS mFtmaxMemaxgi1 mr=6597.4 N ;刀lw2mr2.2I fi1 i0 mmr2=1.42;最大加速度：amax 4.14方法二：忽略空气阻力与滚动阻力，有：K / Iq ，最大爬坡度imax q，最大加速度amax q.g1/ hg/L所以 0.2 时，imax 0.118, amax 1.16m/s2。20.7 时，imax 0.373,amax 3.66m/s1.8 一轿车的有关参数如下
17、：总质量 1600kg;质心位置：a=1450mm,b=1250mm, hg=630mm ;发动机最大扭矩 Memax=140Nm2, I 档传动比 h=3.85 ; 主减速器传动比 i=4.08 ; 传动效率n m=0.9 ;车轮半径 r=300mm ;飞轮转动惯量 lf=0.25kg m2；全部车轮惯量Hw=4.5kg m2（其中后轮Iw=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 -为
18、前轴负荷率，求原车得质心位置改变后，该车的前轴负荷率。L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：忽略滚动阻力和空气阻力，若发动机能够充分发挥其扭矩则2解得 amax 2.91m/s。前轮驱动汽车的附着率 C 1等效坡度q 弘竺 0.297。g贝U有，Cl= 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 01= 0.6 ,代入 q=0.297 , hg=0.63m , L=2.7m ,解得b1524mm，则前轴负荷率
19、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：2.17,三档：1.41，四档：1.00,五档：0.86。质心高度 hg= 0.57m, CDA=1.5m2，轴距 L=2.300m，飞轮转动惯量lf=0.22kg m2，四个车轮总的转动惯量 lw=3.6kg m2,车轮半径r = 0.367m。该车在附着系数 0.6的路面上低速滑行曲线和直接档加速曲线如习题图 1所示。图上给出了滑行数据的拟合直线 v=19.76-0.59T , v的单位km/
20、h ,T的单位为s,直接档最大加速度 amax= 0.75m/s2 （ua= 50km/h）。设各档传动效率均为 0.90，求：1） 汽车在该路面上的滚动阻力系数。2） 求直接档的最大动力因数。3）在此路面上该车的最大爬坡度。解：1 ）求滚动阻力系数汽车在路面上滑行时，驱动力为 0，飞轮空转，质量系数中该项为 0。刀Iw3.6=1 w 1 mr2 1.012。2152 0.3672duGf行驶方程退化为：duGf m 一 0 ,减速度：dtdtm根据滑行数据的拟合直线可得： du 059 0.164m/s2。dt 3.6解得：f g曙 0.0169。2）求直接档最大动力因数f 22直接档:1.
21、027。亠 1 w I If i4 i0 mT1 2mr mr动力因数：Ddugdt 最大动力因数：Dmaxamaxg0.0169 空7 0.75 0.096。9.83）在此路面上该车的最大爬坡度由动力因数的定义，直接档的最大驱动力为:Ft max4FwDmax4G最大爬坡度是指一挡时的最大爬坡度： TtqmaiUmax，汽车后备功率小，动力性差，燃油经济性好。当主传动比较大时，则相反。最小传动比的选择则应使 Up与Umax相近，不可为追求单纯的的动力性或经济性而降低另一方面的性能。2.6试分析超速档对汽车动力性和燃油经济性的影响。答：汽车在超速档行驶时，发动机负荷率高，燃油经济性好。但此时，
22、汽车后备功率小，所以需要设计合适的次 一挡传动比保证汽车的动力性需要。2.7已知货车装用汽油发动机的负荷特性与万有特性。负荷特性曲线的拟合公式为：b Bo BiPe B2Pe2 B3巳3 B4FV其中，b为燃油消耗率g/（kW?h） ；Pe为发动机净功率（kW ）;拟合式中的系数随转速 n变化。怠速油耗Qid 0.299mL/s（怠速转速 400r/min ）。计算与绘制题1.3中货车的1） 汽车功率平衡图。2） 最高档与次高档的等速百公里油耗曲线3） 利用计算机求货车按 JB3352-83规定的六工况循环行驶的百公里油耗。计算中确定燃油消耗值 b时，若发动 机转速与负荷特性中给定的转速不相等
23、，可由相邻转速的两根曲线用插值法求得。注意：发动机净功率和外特性功率的概念不同。发动机外特性功率是发动机节气门全开时的功率，计算公式为Fe丄匹，在某一转速下，外特性功率是唯一确定的。发动机净功率则表示发动机的实际发出功率，可以根据汽车9550行驶时的功率平衡求得，和转速没有一一对应关系。解：（1）汽车功率平衡图发动机功率在各档下的功率Pe、汽车经常遇到的阻力功率Pf一Pw对车速Ua的关系曲线即为汽车功率平衡图,T其中:2 n 3Pe % 药 1030000“），nUaigb0.377rTtq为发动机转矩（单位为 N m）Pf Pw 1 GfUa Cd Au3t 3600 76140编程计算，汽
24、车的功率平衡图为:2)最高档和次高档的等速百公里油耗曲线先确定最高档和次高档的发动机转速的范围，然后利用C Q77 厂ua飞厂，求出对应档位的车速。由于汽车是等速行驶，因此发动机发出的功率应该与汽车受到的阻力功率折合到曲轴上的功率相等，即 巳也 电丛。然后根据不3600 T同的Pe和n，用题中给出的拟合公式求出对应工况的燃油消耗率。先利用表中的数据，使用插值法，求出每个 n值所对应下的功率求出对应的耗油量燃油消耗率b。利用公式:QsPb1.02Ua g即可求出对应的车速的百公里油耗对应的拟合式系数：B。，B1,B2,B3,B4。在这里为了保证曲线的光滑性，使用了三次样条插值。利用求得的各个车速
25、(L/100km)o实际绘出的最高档与次高档的等速百公里油耗曲线如下:单七 n：i：1 tr-* :. t i-p(i=：b-从图上可以明显看出，第三档的油耗比在同一车速下，四档的油耗高得多。这是因为在同一车速等速行驶下，汽车所受到的阻力基本相等，因此 Fe基本相等，但是在同一车速下，三档的负荷率要比四档小。这就导致了四档的油耗较小。但是上图存在一个问题，就是在两头百公里油耗的变化比较奇怪。这是由于插值点的范围比节点的范围要来得大， 于是在转速超出了数据给出的范围的部分，插值的结果是不可信的 。但是这对处在中部的插值结果影响不大。而且在完成后(3)按JB3352-83规定的六工况循环行驶的百公
26、里油耗。从功率平衡图上面可以发现，III档与IV档可以满足六工况测试的速度范围要求。分为 III档和IV档进行计算。先求匀速行驶部分的油耗先使用pe 幻 Fw)Ua，求出在各个速度下，发动机所应该提供的功率。然后利用插值法求出，三个匀速行驶3600 tPbs速度对应的燃油消耗率 b。由Q 求出三段匀速行驶部分的燃油消耗量( mL )。102 ua g计算的结果如下:匀速行驶阶段：第一段第二段第三段匀速行驶速度/(km/h)254050持续距离/(m)50250250发动机功率Fe /(kw)4.70739.200813.4170燃油消耗率b/g/(kWgh)三档678.3233563.0756581.3972四档492.3757426.5637372.6138燃油消耗量Q/(ml)三档8.868144.964454.2024四档6.437134.0632
