第七章总体动力学.ppt

车辆总体动力学主要研究汽车的车辆总体动力学主要研究汽车的动力性动力性和拖拉机带和拖拉机带机具作业时机具作业时水平受力情况水平受力情况及及力的转移变化、平衡规力的转移变化、平衡规律律汽车的动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的汽车的动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能汽车运输效率的高低主要取决于动力性汽车运输效率的高低主要取决于动力性动力性好，汽车就会具有较高的力性好，汽车就会具有较高的行驶速度行驶速度、较好的、较好的加加速能力速能力和和上坡能力上坡能力 拖拉机实际工作时必然带有农具，农具的各种作用拖拉机实际工作时必然带有农具，农具的各种作用力对拖拉机的性能产生一定影响力对拖拉机的性能产生一定影响第一节第一节 车辆行驶原理车辆行驶原理车辆的车辆的行驶方程行驶方程为：为：汽车的行驶阻力有汽车的行驶阻力有滚动阻力滚动阻力、、空气阻力空气阻力、、加速阻力加速阻力和和坡度阻力坡度阻力拖拉机牵引农机具作业时，速度较低，拖拉机牵引农机具作业时，速度较低，可可忽略空气阻力忽略空气阻力，但要增加带动农机具工作所必须克服，但要增加带动农机具工作所必须克服的阻力，即的阻力，即牵引阻力牵引阻力  由于作用在车轮上的转矩由于作用在车轮上的转矩T Tt t是由发是由发动机产生并经过传动系统传递到车轮动机产生并经过传动系统传递到车轮上的，因此有：上的，因此有：一、驱动力一、驱动力汽车的汽车的驱动力驱动力为：为： 对装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置的对装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置的车辆，上式中应计入相应的传动比和机械效率，因而车辆，上式中应计入相应的传动比和机械效率，因而驱动力为：驱动力为： 驱动力的产生需要驱动力的产生需要两个条件两个条件：： 1.依靠发动机提供转矩依靠发动机提供转矩，经过传动系统改变大小，经过传动系统改变大小和方向后，传递给驱动轮一定的驱动力矩，进而提供和方向后，传递给驱动轮一定的驱动力矩，进而提供引发驱动力的沿轮胎切向方向的作用力，引发驱动力的沿轮胎切向方向的作用力，这是产生驱这是产生驱动力内部条件动力内部条件。

2.依靠驱动轮与地面的相互作用依靠驱动轮与地面的相互作用，把驱动轮对地，把驱动轮对地面的作用力转化为地面对驱动轮切向方向的反作用力，面的作用力转化为地面对驱动轮切向方向的反作用力，这是产生驱动力的外部条件这是产生驱动力的外部条件二、行驶阻力二、行驶阻力汽车的汽车的行驶总阻力行驶总阻力为：为：车辆要加速行驶，驱动力必须车辆要加速行驶，驱动力必须大于大于滚动阻力、坡度阻滚动阻力、坡度阻力和空气阻力之和力和空气阻力之和 1.1.滚动阻力滚动阻力车车轮轮滚滚动动时时，，轮轮胎胎与与路路面面的的接接触触区区域域产产生生相相应应的的轮轮胎胎和和支支承承路路面面的的变变形形当当弹弹性性轮轮胎胎在在硬硬路路面面（（混混凝凝土土路路、、沥沥青青路路））上上滚滚动动时时，，轮轮胎胎的的变变形形是是主主要要的的此此时时由由于于轮轮胎胎有有内内部部摩摩擦擦而而产产生生弹弹性性迟迟滞滞损损失失，，使使轮轮胎胎变变形形时时对对它它所所做做的的功功不不能能全全部部收收回回这这种种损损失失即即称称为为弹弹性性轮轮胎胎的的迟迟滞滞损损失失 轮胎径向变形曲线轮胎径向变形曲线 滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷的乘积：滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷的乘积：这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶，这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶，表现为对汽车行驶的一种阻力。

表现为对汽车行驶的一种阻力 2、空气阻力、空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力 空气阻力分为空气阻力分为压力阻力压力阻力与与摩擦阻力摩擦阻力两部分作用在汽车两部分作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力称为压力阻力；外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力称为压力阻力；摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力驶方向的分力压力阻力可分为四部分：形状阻力、干扰阻压力阻力可分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力力、内循环阻力和诱导阻力• 形状阻力形状阻力占压力阻力的大部分，与车身主占压力阻力的大部分，与车身主体形状有很大关系，约体形状有很大关系，约58%；；• 干扰阻力干扰阻力是车身表面凸起物如后视镜、门是车身表面凸起物如后视镜、门把、引水槽、悬架导向杆、驱动轴等引起的把、引水槽、悬架导向杆、驱动轴等引起的阻力，约阻力，约14%；；• 发动机冷却系、车身通风等所需空气流经发动机冷却系、车身通风等所需空气流经车体内部时构成的阻力即为车体内部时构成的阻力即为内循环阻力，内循环阻力，约约12%；；• 诱导阻力诱导阻力是空气升力在水平方向的投影，是空气升力在水平方向的投影，约约7%。

3、加速阻力、加速阻力车辆加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，车辆加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力就是加速阻力F Fj j 车辆的质量分为车辆的质量分为平移质量平移质量和和旋转质量旋转质量两部分4、坡度阻力、坡度阻力汽车重力沿坡道的分汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力力表现为汽车坡度阻力F Fi i 三、车辆行驶的驱动三、车辆行驶的驱动——附着条件附着条件（一）驱动条件（一）驱动条件汽车行驶的第一个条件：汽车行驶的第一个条件：也是也是必要条件必要条件 不是不是汽车行驶的汽车行驶的充分条件充分条件 只反映了汽车本身的行驶能力可以采用增加发动机只反映了汽车本身的行驶能力可以采用增加发动机转矩、加大传动比等措施来增大汽车驱动力但这些措施转矩、加大传动比等措施来增大汽车驱动力但这些措施只有在驱动轮与路面不发生滑转现象时才有效只有在驱动轮与路面不发生滑转现象时才有效 （二）附着条件（二）附着条件•地面与驱动轮接地表面之间的摩擦作用称地面与驱动轮接地表面之间的摩擦作用称为附着作用由此产生反力的极限值称为为附着作用由此产生反力的极限值称为附着力。

附着力•附着力被利用而表现出来的时候就成了驱附着力被利用而表现出来的时候就成了驱动力因此，驱动力的发挥受到附着力的动力因此，驱动力的发挥受到附着力的限制，实际发出的驱动力，只能小于或等限制，实际发出的驱动力，只能小于或等于附着力，而不能大于附着力于附着力，而不能大于附着力•汽车行驶的第二个条件：汽车行驶的第二个条件：也是充分条件充分条件汽车行驶的汽车行驶的驱动附着条件驱动附着条件（充分必要条件充分必要条件）当附着力足够大时，驱动力的最大允许值由最低工作当附着力足够大时，驱动力的最大允许值由最低工作挡位上发动机标定转矩来决定，此时若行驶总阻力超挡位上发动机标定转矩来决定，此时若行驶总阻力超过驱动力，则车辆由于发动机经常超载或频繁熄火而过驱动力，则车辆由于发动机经常超载或频繁熄火而无法正常工作无法正常工作当发动机转矩足以满足（即驱动力足够大）而附着力当发动机转矩足以满足（即驱动力足够大）而附着力不足时，驱动力的最大允许值由附着力决定若此时不足时，驱动力的最大允许值由附着力决定若此时行驶总阻力超过附着力，则车辆由于驱动轮产生严重行驶总阻力超过附着力，则车辆由于驱动轮产生严重滑转而不能正常工作。

滑转而不能正常工作 第二节第二节 拖拉机及其总体受力分析拖拉机及其总体受力分析一、轮式拖拉机总体受力分析一、轮式拖拉机总体受力分析（一）轮式拖拉机带牵引机具作业时的总体受力分析（一）轮式拖拉机带牵引机具作业时的总体受力分析 １．作用在拖拉机上的外力１．作用在拖拉机上的外力•（（1 1）拖拉机的使用重量）拖拉机的使用重量G G  •（（2 2）驱动力）驱动力F Ft t :  : F Ft t可认为是驱动轮对土可认为是驱动轮对土壤切向作用力的反作用力壤切向作用力的反作用力•（（3 3）牵引阻力）牵引阻力F FD D  :   : 牵引农具的总牵引阻牵引农具的总牵引阻力（图中未标出）作用在拖拉机的牵引装力（图中未标出）作用在拖拉机的牵引装置上，并与地面成置上，并与地面成γγ角习惯上将水平分角习惯上将水平分力力F FD D称为挂钩牵引阻力，简称牵引阻力称为挂钩牵引阻力，简称牵引阻力•（（4 4）从动轮及驱动轮的土壤反作用力从动轮及驱动轮的土壤反作用力２．牵引平衡方程２．牵引平衡方程水平方向的受力平衡方程：水平方向的受力平衡方程：３．前后轮垂直载荷的分配３．前后轮垂直载荷的分配当拖拉机不带农具静止于水平面时，其前后轮上的垂直载荷为：当拖拉机不带农具静止于水平面时，其前后轮上的垂直载荷为：结论：结论：1.1.拖拉机作业时，驱动轮增重，前轮减重。

拖拉机作业时，驱动轮增重，前轮减重2.2.驱动轮增加的重量等于前轮减少的重量驱动轮增加的重量等于前轮减少的重量3.3.驱动增重有利于提高拖拉机的附着性能驱动增重有利于提高拖拉机的附着性能（二）轮式拖拉机带悬挂机具时的受力分析（二）轮式拖拉机带悬挂机具时的受力分析 １．作用在拖拉机上的外力１．作用在拖拉机上的外力２．牵引平衡方程２．牵引平衡方程３．前后轮垂直载荷的分配３．前后轮垂直载荷的分配结论：结论：1.1.悬挂机组作业时，也存在驱动轮增重和从动轮减重现象悬挂机组作业时，也存在驱动轮增重和从动轮减重现象2.2.驱动轮增重大于从动轮减重从动轮减重小意味着操纵性驱动轮增重大于从动轮减重从动轮减重小意味着操纵性和稳定性较好，而驱动轮增重大，意味着拖拉机的附着性能和稳定性较好，而驱动轮增重大，意味着拖拉机的附着性能较好 3.3.其它条件相同时，悬挂机组作业时的附着性能和稳定性能其它条件相同时，悬挂机组作业时的附着性能和稳定性能比牵引机组好比牵引机组好二、四轮驱动拖拉机的受力特点二、四轮驱动拖拉机的受力特点四轮驱动拖拉机与两轮驱动拖拉机相比，在牵引附着四轮驱动拖拉机与两轮驱动拖拉机相比，在牵引附着性和机动性方面，具有很多优点。

性和机动性方面，具有很多优点1.1.四四轮驱动拖拉机的轮驱动拖拉机的性能特点性能特点 ：１）１） 牵引附着性能显著提高；牵引附着性能显著提高；２）减轻对土壤的压实和对土壤结构的破坏；２）减轻对土壤的压实和对土壤结构的破坏；３）３） 较好的操纵性和稳定性；较好的操纵性和稳定性；４）较好的通过性４）较好的通过性2. 2. 四轮驱动拖拉机的牵引动力学与寄生功率四轮驱动拖拉机的牵引动力学与寄生功率 •在上述第四种情况在上述第四种情况下，由于前轮作用下，由于前轮作用着与拖拉机行驶方着与拖拉机行驶方向相反的制动力向相反的制动力FrFr，它所形成的力矩，它所形成的力矩经分动器和中央传经分动器和中央传动等传给后轮动等传给后轮•因此，传至后轮的因此，传至后轮的动力有动力有两条线路两条线路，，一路是由发动机传一路是由发动机传来的，即正常的动来的，即正常的动力传递；另一路由力传递；另一路由前轮传来前轮传来功率由前驱动轮功率由前驱动轮→→分动器分动器→→后后驱动轮驱动轮→→机体机体→→前驱动轮循环前驱动轮循环的现象称为的现象称为功率循环功率循环，循环功，循环功率率NrNr称为寄生功率称为寄生功率 为了防止循环功率，为了防止循环功率，采取以下措施：采取以下措施：1.一个驱动桥的动力一个驱动桥的动力可以脱开。

可以脱开2.安装轴间差速器安装轴间差速器3.安装自由轮机构安装自由轮机构三、履带式拖拉机总体受力分析三、履带式拖拉机总体受力分析１．履带式拖拉机机组在纵垂面内所１．履带式拖拉机机组在纵垂面内所受的外力　　　　　　　　　　　２受的外力　　　　　　　　　　　２．牵引平衡方程式．牵引平衡方程式３．压力中心及载荷在支承面上的分布３．压力中心及载荷在支承面上的分布对牵引农具的履带式拖对牵引农具的履带式拖拉机则为：拉机则为：分析：分析：1.1.履带拖拉机和轮式拖拉机相同，作业时也存履带拖拉机和轮式拖拉机相同，作业时也存在力的转移情况，表现为压力中心的移动在力的转移情况，表现为压力中心的移动2.2.压力中心不仅与质心位置有关，也与农具的压力中心不仅与质心位置有关，也与农具的作用力有关履带拖拉机的质心布置在履带支作用力有关履带拖拉机的质心布置在履带支承面中点之前承面中点之前一般的履带拖拉机，一般的履带拖拉机，a>1/2L0a>1/2L0＋＋x xc c  第四节第四节 转向转向 动力学动力学•1.为了方便分析车辆转向时的受力情况，假设：为了方便分析车辆转向时的受力情况，假设：•1）四轮车辆的两前轮直接装在同一前轴上，）四轮车辆的两前轮直接装在同一前轴上，前轴中间与机体铰接；前轴中间与机体铰接；•α=β•2）车辆是低速转向，可以忽略离心惯性力。

车辆是低速转向，可以忽略离心惯性力•2.轮式车辆在直行时的受力如图所示：轮式车辆在直行时的受力如图所示：0.5Pfc0.5Pfc0.5Pfq0.5PfqPq1Pq2PT•3.等速转向行驶等速转向行驶•假定：假定：•1）车辆转向时各车轮的滚动阻力不变；）车辆转向时各车轮的滚动阻力不变；•2）两侧前轮的偏转角均为）两侧前轮的偏转角均为α；；α受力分析：受力分析：γα0.5Pfc0.5Pfc0.5Pfq0.5PfqP`q1P`q2P`TPBPfc力矩分析：力矩分析：γα0.5Pfc0.5Pfc0.5Pfq0.5PfqP`q1P`q2P`TPBMzcMzqPfc根据稳定的条件，转向力矩根据稳定的条件，转向力矩和阻力矩相平衡有：和阻力矩相平衡有：即：即：•在装有差速器的车辆上，在装有差速器的车辆上，有：有：•所以：所以：•由此可以求出车辆的转向力由此可以求出车辆的转向力PB：：• 转向力转向力PB是土壤对前轮产生的轴向反力，是土壤对前轮产生的轴向反力，其大小取决于前轮和土壤间的附着性能其大小取决于前轮和土壤间的附着性能即：即：——前轮的侧向附着系数；前轮的侧向附着系数；——前轮对土壤的垂直作用力。

前轮对土壤的垂直作用力结论：结论：拖拉机在抗压、抗剪强度弱的地面上（如水田拖拉机在抗压、抗剪强度弱的地面上（如水田土壤、沙滩及松软地面）转向时，因附着性能土壤、沙滩及松软地面）转向时，因附着性能变差、转向力变差、转向力P PB B不足而转向困难不足而转向困难 三、履带车辆转向理论分析三、履带车辆转向理论分析•（一）运动学分析（一）运动学分析•履带拖拉机的转向是因为其行走装置履带拖拉机的转向是因为其行走装置的两侧驱动力不同的两侧驱动力不同 履带车辆转向过程履带车辆转向过程ω•则，则， v1 、、 v2分别为：分别为：•车辆纵向对称轴中心的车辆纵向对称轴中心的平均线速度为：平均线速度为：若两侧驱动轮的角速若两侧驱动轮的角速度分别是度分别是ω1、、ω2，驱，驱动轮节圆半径动轮节圆半径r，，则有：则有：此时车辆的转向角速此时车辆的转向角速度度ω：：ω•（二）动力学分析（二）动力学分析•履带拖拉机转向时的阻力矩履带拖拉机转向时的阻力矩Mz可以看作由两部可以看作由两部分组成：分组成：•Mz1——转向时地面摩擦产生的阻力矩；转向时地面摩擦产生的阻力矩；•Mz2——牵引力牵引力P`T的横向分力相对转动中心形的横向分力相对转动中心形成的转向力矩。

成的转向力矩•1.无牵引负荷时无牵引负荷时•P`T=0 履带拖拉机的无牵引转向简图dXx假设履带对地面的假设履带对地面的压力均匀分布，压力均匀分布，其值为：其值为：式中式中Gs——车辆重量；车辆重量；b ——单侧履带宽度；单侧履带宽度；L0——履带接地长度履带接地长度P`q2P`q10.5Pfc0.5PfcMz1•2. 有牵引阻力有牵引阻力•有牵引阻力时，则其阻力矩为：有牵引阻力时，则其阻力矩为：带带牵牵引引负负荷荷转转向向x0γP`TP`q2P`q10.5Pfc0.5Pfc•四、手扶拖拉机转向理论分析四、手扶拖拉机转向理论分析•带尾轮的手扶拖拉机，尾轮除起支承作用带尾轮的手扶拖拉机，尾轮除起支承作用外，还可以借助尾轮偏转后产生的侧向力外，还可以借助尾轮偏转后产生的侧向力协助转向协助转向 思考题思考题•1.试述汽车行驶的充分必要条件？试述汽车行驶的充分必要条件？•2.汽车行驶阻力有哪些？汽车行驶阻力有哪些？•3.实说明四轮驱动拖拉机的性能特点实说明四轮驱动拖拉机的性能特点。