《汽車動(dòng)力學(xué)》課件

汽車動(dòng)力學(xué)汽車動(dòng)力學(xué)是研究汽車運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，它包含了汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)、汽車動(dòng)力學(xué)和汽車控制三個(gè)主要方面。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)深入了解汽車動(dòng)力學(xué)原理，掌握車輛運(yùn)動(dòng)特性分析方法，為汽車設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。課程內(nèi)容涵蓋汽車運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)、車輪滾動(dòng)特性、車身運(yùn)動(dòng)分析、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、工況工作分析、車輛動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能、發(fā)展趨勢(shì)等方面。學(xué)習(xí)方法理論講解結(jié)合案例分析，并通過(guò)仿真軟件模擬車輛運(yùn)動(dòng)，幫助學(xué)生深入理解和掌握相關(guān)知識(shí)。1.汽車運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)學(xué)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述，如速度、加速度和位移等。動(dòng)力學(xué)分析汽車的受力情況，研究運(yùn)動(dòng)變化的原因及規(guī)律。1.1基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)速度車輛在行駛過(guò)程中的速度，通常以公里每小時(shí)（km/h）或米每秒（m/s）表示。加速度車輛速度變化率，反映車輛加速或減速的快慢，單位為米每平方秒（m/s2）。角度車輛行駛過(guò)程中方向改變的角度，包括轉(zhuǎn)向角、俯仰角、橫擺角等。1.2牛頓運(yùn)動(dòng)定律慣性定律物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非受到外力的作用。加速度定律物體的加速度與合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向與合外力的方向一致。作用力與反作用力定律兩個(gè)物體之間的相互作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。1.3動(dòng)量及角動(dòng)量動(dòng)量動(dòng)量是物體質(zhì)量和速度的乘積，表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量。角動(dòng)量角動(dòng)量是物體繞軸旋轉(zhuǎn)的慣性，它是物體質(zhì)量、角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的乘積。2.車輪滾動(dòng)特性車輪是汽車與地面接觸的關(guān)鍵部件，其滾動(dòng)特性直接影響車輛的動(dòng)力性能、操控穩(wěn)定性和行駛安全。切向力與法向力切向力是驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，法向力則是車輪與地面之間的垂直作用力。輪胎抓地力輪胎抓地力是車輛行駛過(guò)程中輪胎與地面之間的摩擦力，決定車輛的加速、減速和轉(zhuǎn)向能力。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過(guò)車輪的轉(zhuǎn)向角來(lái)改變車輛行駛方向，并與輪胎抓地力共同作用實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制。2.1切向力與法向力1切向力輪胎與路面之間產(chǎn)生的平行于路面的力。2法向力輪胎與路面之間產(chǎn)生的垂直于路面的力。3影響因素輪胎的材質(zhì)、氣壓、路面狀況等都會(huì)影響切向力與法向力的大小。2.2輪胎抓地力摩擦力輪胎抓地力主要依靠輪胎與路面之間的摩擦力。摩擦力的大小取決于輪胎的材料、路面的性質(zhì)以及載荷。影響因素輪胎氣壓、胎面花紋、路面狀況以及車輛速度等因素都會(huì)影響輪胎抓地力。2.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向輪是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)駕駛員的操控改變車輪方向。轉(zhuǎn)向軸連接轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向機(jī)，將轉(zhuǎn)向輪的旋轉(zhuǎn)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)。轉(zhuǎn)向機(jī)將轉(zhuǎn)向輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為車輪的轉(zhuǎn)向角度，負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)向力的大小。轉(zhuǎn)向拉桿連接轉(zhuǎn)向機(jī)和轉(zhuǎn)向節(jié)，將轉(zhuǎn)向機(jī)的旋轉(zhuǎn)傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)，最終控制車輪轉(zhuǎn)向。3.車身運(yùn)動(dòng)車輛行駛時(shí)的姿態(tài)車身運(yùn)動(dòng)主要包括縱向、橫向和垂直運(yùn)動(dòng)?？v向運(yùn)動(dòng)是指汽車沿行駛方向的運(yùn)動(dòng)，橫向運(yùn)動(dòng)是指汽車在垂直于行駛方向的運(yùn)動(dòng)，垂直運(yùn)動(dòng)是指汽車上下顛簸的運(yùn)動(dòng)。影響因素車身運(yùn)動(dòng)受到多種因素的影響，包括路面狀況、車輛速度、轉(zhuǎn)向角度、輪胎抓地力、懸架系統(tǒng)等。3.1平面運(yùn)動(dòng)分析1縱向運(yùn)動(dòng)加速、減速和制動(dòng)2橫向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向、側(cè)傾和滾動(dòng)3組合運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)的加速和減速3.2轉(zhuǎn)向特性轉(zhuǎn)向角度轉(zhuǎn)向角度指的是方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，它直接影響車輛的轉(zhuǎn)向軌跡。轉(zhuǎn)向力矩轉(zhuǎn)向力矩指的是作用于轉(zhuǎn)向軸上的力矩，它決定了轉(zhuǎn)向操作的輕重程度。轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向半徑指的是車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中所形成的圓周的半徑，它反映了車輛的轉(zhuǎn)向靈活性。橫向穩(wěn)定性側(cè)傾當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，車身會(huì)向外傾斜，稱為側(cè)傾。側(cè)傾會(huì)影響車輛的操控穩(wěn)定性和乘坐舒適性?？箓?cè)傾能力汽車抗側(cè)傾能力取決于懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括彈簧剛度、減震器阻尼以及防傾桿等因素。穩(wěn)定性分析通過(guò)車輛動(dòng)力學(xué)模型和仿真軟件，可以分析車輛在不同工況下的橫向穩(wěn)定性，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。4.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到車輪，并使車輛運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的心臟，它將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到車輪，包括變速箱、離合器、傳動(dòng)軸等。驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)橋負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳遞到車輪，并根據(jù)需要改變扭矩大小和轉(zhuǎn)向方向。4.1發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)特性發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩是關(guān)鍵指標(biāo)。了解發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線和轉(zhuǎn)速-功率曲線。分析發(fā)動(dòng)機(jī)效率，包括燃油消耗率和排放特性。4.2傳動(dòng)系統(tǒng)分析1動(dòng)力傳遞路徑發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車輪，包括離合器、變速器、傳動(dòng)軸、差速器等部件。2齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用齒輪傳動(dòng)，通過(guò)不同齒輪組合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞和速度變化。3效率分析傳動(dòng)系統(tǒng)效率受摩擦損失、齒輪嚙合損失等因素影響，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高傳動(dòng)效率。4.3制動(dòng)系統(tǒng)摩擦制動(dòng)大多數(shù)汽車使用摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，利用摩擦力將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。再生制動(dòng)一些混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車使用再生制動(dòng)系統(tǒng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，提高能源效率。工況工作分析了解汽車在不同工況下的工作狀態(tài)，是評(píng)估車輛性能的關(guān)鍵。城市工況頻繁的啟動(dòng)、加速和制動(dòng)，以及擁堵的路況。高速公路勻速行駛為主，偶爾加速超車。爬坡及加速發(fā)動(dòng)機(jī)需要克服更大的阻力，對(duì)動(dòng)力性能要求較高。5.1城市工況頻繁啟停城市道路擁堵，車輛頻繁啟停，導(dǎo)致燃油消耗增加。低速行駛城市道路限速較低，車輛長(zhǎng)時(shí)間低速行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)效率低。復(fù)雜路況城市道路狀況復(fù)雜，包含各種彎道、坡道，對(duì)車輛的操控性和動(dòng)力性提出挑戰(zhàn)。高速公路工況穩(wěn)定速度高速公路行駛以相對(duì)穩(wěn)定的速度為主，車輛處于巡航狀態(tài)。低加速和制動(dòng)高速公路行駛中加速和制動(dòng)頻率較低，車輛保持平穩(wěn)行駛。長(zhǎng)距離高速公路行駛距離較長(zhǎng)，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性要求較高。5.3爬坡及加速爬坡性能汽車在坡道上行駛時(shí)的動(dòng)力性能,主要指標(biāo)包括爬坡能力和爬坡速度。加速性能汽車在平坦道路上加速行駛時(shí)的動(dòng)力性能，主要指標(biāo)包括加速時(shí)間和加速距離。車輛動(dòng)力性能最高車速車輛在平坦道路上所能達(dá)到的最高速度，反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和車輛的空氣阻力。加速性能車輛從靜止?fàn)顟B(tài)加速到某一速度所需的時(shí)間，反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和車輛的質(zhì)量。爬坡性能車輛在一定坡度上行駛的能力，反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和車輛的重量。6.1最高車速因素影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率功率越大，最高車速越高空氣阻力阻力越小，最高車速越高滾動(dòng)阻力阻力越小，最高車速越高傳動(dòng)效率效率越高，最高車速越高加速性能加速性能是指車輛從靜止?fàn)顟B(tài)加速到一定速度所需要的時(shí)間，通常以0-100公里/小時(shí)的加速時(shí)間來(lái)衡量。6.3爬坡性能30%最大爬坡度車輛滿載時(shí)能爬上的最大坡度，通常用百分比表示。20%爬坡能力車輛在特定坡度上行駛時(shí)的速度和動(dòng)力儲(chǔ)備。10%爬坡時(shí)間車輛從靜止?fàn)顟B(tài)爬上特定坡度所需的時(shí)間。40%爬坡速度車輛在特定坡度上行駛的最高速度。經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能燃油經(jīng)濟(jì)性汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性是衡量其燃油效率的關(guān)鍵指標(biāo)。排放特性汽車排放物對(duì)環(huán)境造成污染，因此需要嚴(yán)格控制汽車的排放水平。7.1燃油經(jīng)濟(jì)性定義燃油經(jīng)濟(jì)性衡量一輛車在消耗一定量燃油的情況下能夠行駛的距離。影響因素發(fā)動(dòng)機(jī)效率、車身重量、空氣阻力等因素都會(huì)影響燃油經(jīng)濟(jì)性。評(píng)估指標(biāo)常用指標(biāo)包括百公里油耗和燃油效率。7.2排放特性尾氣排放汽車尾氣排放是車輛運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體，包括一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物和顆粒物等。排放標(biāo)準(zhǔn)為了控制汽車尾氣污染，各國(guó)制定了相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同車型和排放物質(zhì)設(shè)定了限值。排放控制技術(shù)為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商采用了多種排放控制技術(shù)，例如催化轉(zhuǎn)化器、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)等。汽車動(dòng)力學(xué)發(fā)展趨勢(shì)汽車動(dòng)力學(xué)不斷發(fā)展，以適應(yīng)不斷變化的消費(fèi)者需求和技術(shù)進(jìn)步。未來(lái)趨勢(shì)包括：新能源汽車、智能駕駛和輕