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文檔簡介
3.1汽車的動力性
3.2汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性
3.3汽車的制動性
3.4汽車的通過性
3.5汽車的舒適性
復(fù)習(xí)思考題
第3章汽車的主要性能3.1汽車的動力性3.1.1汽車動力性的評價指標(biāo)
1.汽車的最高車速最高車速是指滿載的汽車行駛于平直良好路面(混凝土或瀝青)上所能達(dá)到的最高行駛速度。它對于長途運輸車輛的平均行駛速度影響較大。
2.汽車的加速性能
(1)最高擋或次高擋加速性能,也稱超車加速性能。它是通過汽車用最高擋或次高擋由某一預(yù)定中速全力加速至另一預(yù)定高速時所經(jīng)過的時間或距離來評定的。這段時間越短,超車加速能力越強,從而可以減少超車過程中的并行時間,有利于保障行車安全。
(2)起步連續(xù)換擋加速性能,也稱原地起步加速性能。它是通過汽車以起步擋起步,并以大的加速度且選擇恰當(dāng)?shù)膿Q擋時刻逐步換至最高擋后,加速到某一高速(80%vmax以上)所需時間與距離來評定的。原地起步加速時間是衡量高擋次轎車動力性能的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為高速轎車的0~100km/h的加速時間應(yīng)在10s以內(nèi),跑車或競賽汽車的加速時間可達(dá)4s左右。
3.汽車的上坡性能汽車的上坡性能通常用最大爬坡度來評定。最大爬坡度imax是指滿載的汽車用變速器最低擋位在良好路面上等速行駛時所能克服的最大道路縱向坡度。一般最大爬坡度在30%,即16.7°左右。需要進(jìn)一步加以說明的是:imax代表了汽車的極限爬坡能力,它應(yīng)比實際行駛中遇到的道路最大坡度超出很多,這是因為應(yīng)考慮到在實際坡道行駛時,在坡道上停車后順利起步加速、克服松軟坡道路面的大阻力、克服坡道上崎嶇不平路面的局部大阻力等要求的緣故。越野汽車要在壞路或無路條件下行駛,因而爬坡能力是一個很重要的指標(biāo),它的最大爬坡度可達(dá)60%或更高。
3.1.2汽車的驅(qū)動力和行駛阻力
確定汽車的動力性,需要掌握沿汽車行駛方向作用于汽車的各種外力,即驅(qū)動力與行駛阻力。根據(jù)這些力的平衡關(guān)系,建立汽車行駛方程式,就可以估算汽車的最高車速、加速能力和上坡能力。汽車行駛時,其驅(qū)動力一定要克服行駛阻力,其行駛方程式為Ft=∑F式中:Ft——驅(qū)動力(N);∑F——行駛阻力之和(N)。圖3-1汽車驅(qū)動力的產(chǎn)生
1.汽車的驅(qū)動力
1)驅(qū)動力的產(chǎn)生汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系傳至驅(qū)動輪,驅(qū)動輪便產(chǎn)生一個作用于路面的圓周力F0,路面則對驅(qū)動輪產(chǎn)生一個反作用力Ft(Ft與F0大小相等,方向相反),即驅(qū)動汽車的外力,稱為汽車的驅(qū)動力(如圖3-1所示),其數(shù)值為
Ft=F0=(3-1)式中:Mt——作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩(N·m);
r——車輪半徑(m)。作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩Mt是由發(fā)動機產(chǎn)生并經(jīng)傳動系傳至驅(qū)動輪上的,由傳動過程可知
Mt=Meiki0ηT
(3-2)式中:Me——發(fā)動機的有效轉(zhuǎn)矩(N·m);
ik——變速器的傳動比;
i0——主減速器的傳動比;
ηT——傳動系的機械效率。將式(3-2)代入式(3-1)中,得Ft=由上式可知,汽車的驅(qū)動力與發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩、傳動系各擋的傳動比及傳動系的機械效率成正比,與車輪半徑成反比。因為Me=式中,Pe是發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為n(r/min)時的功率(kW),所以有的Ft=
2)傳動系的機械效率發(fā)動機輸出的功率Pe經(jīng)傳動系傳至驅(qū)動輪的過程中,部分功率用于克服傳動系各部件中的摩擦,因而消耗了一部分功率。驅(qū)動輪得到的功率僅為(Pe-PT),PT表示傳動系中損失的功率,則傳動系的機械效率為ηT==1-傳動系內(nèi)損失的功率PT是在離合器、變速器、萬向傳動機構(gòu)、主減速器、驅(qū)動輪軸承等處損失功率的總和。離合器在不打滑的情況下,其功率損失很小。萬向傳動機構(gòu)的傳動效率取決于兩傳動軸間的夾角,現(xiàn)代汽車的這個夾角很小,如果滾針潤滑正常,則功率損失很小。當(dāng)汽車各部軸承潤滑調(diào)整正常時,功率損失也很小。傳動系的功率損失主要在變速器和主減速器這兩個部位上。損失的功率可分為機械損失功率和液力損失功率兩大類。機械損失是指齒輪傳動副、軸承、油封等處的摩擦損失,與傳動副的數(shù)量、機械制造質(zhì)量及傳遞的轉(zhuǎn)矩有關(guān)。液力損失是指消耗于潤滑油的攪動、潤滑油與旋轉(zhuǎn)零件表面的摩擦等功率損失,與潤滑油的品種、溫度、箱體內(nèi)的油面高度以及齒輪等旋轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)速有關(guān)。雖然ηT受到多種因素的影響,但對汽車進(jìn)行初步的動力性分析時可把它取為常數(shù)。一般轎車取0.9~0.92,單級主傳動貨車取0.9,雙級主傳動貨車取0.85,4×4汽車取0.85,6×6汽車取0.8。傳動系的機械效率可在專門的試驗臺上測出。
2.汽車的行駛阻力汽車在水平道路上勻速行駛時必須克服來自地面的滾動阻力Ff和來自空氣的空氣阻力Fw。當(dāng)汽車在坡道上上坡行駛時,還必須克服重力沿坡道的分力Fi,稱為上坡阻力。汽車加速行駛時還需要克服其慣性力Fj,稱為加速阻力。因此,汽車行駛的總阻力為∑F=Ff+Fw+Fi+Fj上述諸阻力中,滾動阻力和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的,上坡阻力和加速阻力僅在一定行駛條件下存在。在水平道路上等速行駛時就沒有上坡阻力和加速阻力。
1)滾動阻力汽車車輪在滾動時,由于車輪與地面的變形以及兩者之間的相互作用所產(chǎn)生的能量損失稱為滾動阻力。滾動阻力產(chǎn)生的原因主要有如下幾個方面:
(1)道路塑性變形損失。車輪滾動時會推移土壤,輪胎與路面之間產(chǎn)生摩擦,土壤受擠壓產(chǎn)生塑性變形等都要消耗一定的能量。
(2)輪胎彈性遲滯損失。汽車行駛時,輪胎在徑向、切向及側(cè)向都會產(chǎn)生變形,并處于變形、恢復(fù)的循環(huán)中,其中有一部分能量要消耗在輪胎組織的內(nèi)摩擦(稱為彈性遲滯損失)上,使輪胎發(fā)熱,并向大氣散出熱量。
(3)其他損失。汽車行駛時,還包括從動輪軸承、油封處的損失,懸架零件間的摩擦和減振器內(nèi)的損失等。滾動阻力的大小一般用下列公式計算:Ff=Gf式中:G——汽車重力(N);
f——滾動阻力系數(shù)。滾動阻力系數(shù)f表示單位車重的滾動阻力。汽車在不同路面或不同的運行條件下行駛時的滾動阻力系數(shù)是不一樣的。滾動阻力系數(shù)的大小由試驗確定。其影響因素主要有以下幾個方面:①路面的類型、平整度、堅硬程度和干燥狀況。表3-1是車速在50km/h以下時,不同路面上的滾動阻力系數(shù)f的數(shù)值。表3-1不同路面上的滾動阻力系數(shù)f的數(shù)值②輪胎的結(jié)構(gòu)。在保證輪胎有足夠的強度和壽命的前提下,減少簾布層數(shù),可以使胎體減薄,從而減小滾動阻力系數(shù);子午線輪胎比普通輪胎的滾動阻力系數(shù)小,而且車速的變化對它的影響較??;胎面花紋磨損的輪胎,比新輪胎的滾動阻力系數(shù)小。③輪胎的氣壓。氣壓降低時,在硬路面上輪胎變形大,滾動阻力系數(shù)增大;氣壓過高,在軟路面上行駛時,路面產(chǎn)生很大的塑性變形,并會留下輪轍,也使?jié)L動阻力系數(shù)增大。④行車速度。車速在50km/h以下時,滾動阻力系數(shù)變化不大;在100km/h以上時,滾動阻力系數(shù)增長較快。當(dāng)車速達(dá)某一高速,如150~200km/h左右時,滾動阻力系數(shù)迅速增長,因為這時輪胎將出現(xiàn)駐波現(xiàn)象,即輪胎周緣不再是圓形而呈明顯的波浪狀。這時車輛的滾動阻力會顯著增加。此外,前輪定位失準(zhǔn)以及車輪受到側(cè)向力作用時,地面會對輪胎產(chǎn)生側(cè)向反作用力,引起輪胎的側(cè)向變形。例如,在轉(zhuǎn)彎行駛時,滾動阻力系數(shù)將大幅度增加。
2)空氣阻力汽車是在空氣介質(zhì)中行駛的。汽車相對于空氣運動時,空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力,用符號Fw表示??諝庾枇煞譃槟Σ磷枇蛪毫ψ枇纱蟛糠?。
(1)摩擦阻力是由空氣的粘性在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向上的分力。摩擦阻力與車身表面粗糙度及表面積有關(guān),其大小約占空氣阻力的8%~10%。
(2)壓力阻力是作用在汽車外形表面上的法向壓力的合力在行駛方向上的分力。它主要包括形狀阻力、干擾阻力、誘導(dǎo)阻力和內(nèi)循環(huán)阻力。根據(jù)空氣動力學(xué)原理,在汽車行駛速度范圍內(nèi),空氣阻力Fw數(shù)值的大小通常用下列公式計算:Fw=式中:CD——空氣阻力系數(shù),是單位動壓在每平方米迎風(fēng)面積上產(chǎn)生的空氣阻力;
A——汽車的迎風(fēng)面積(m2);
va——汽車與空氣的相對速度(km/h)。上式表明:空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)CD及迎風(fēng)面積A成正比。因為A值受到使用空間的限制,不易進(jìn)一步減少,所以降低CD是降低空氣阻力的主要手段。CD值的大小與汽車外形有很大的關(guān)系,良好的流線型對于高速行駛的汽車至關(guān)重要。目前轎車的CD值已降至0.30左右,預(yù)計在不久的將來可降至0.2。CD值可通過風(fēng)洞試驗來測定。
3)上坡阻力當(dāng)汽車上坡行駛時,汽車的重力在平行于路面方向的分力,稱為汽車的上坡阻力,如圖3-2所示。圖3-2汽車的上坡阻力上坡阻力Fi的大小可由下列公式計算:Fi=Gsinα式中:G——車輛重量(N);
α——行駛路面與水平路面的夾角(°)。道路坡度i常用坡高與底長之比的百分?jǐn)?shù)來表示,即i=×100%=tanα當(dāng)α<10°~15°時,sinα≈tanα,故Fi≈Gtanα=Gi當(dāng)α<10°~15°時,sinα≈tanα,故Fi≈Gtanα=Gi由于滾動阻力Ff和上坡阻力Fi均與道路條件有關(guān),而且均與車重成正比,因此常把這兩種阻力合在一起稱為汽車的道路阻力。
4)加速阻力汽車加速行駛時,需要克服其質(zhì)量加速運動時的慣性力,就是加速阻力Fj。通常把汽車的質(zhì)量分為平移的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量兩部分。加速時不僅平移的質(zhì)量產(chǎn)生慣性力,旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量還要產(chǎn)生慣性力偶矩。為便于計算,一般把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力偶矩轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量的慣性力,并以系數(shù)δ作為計入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車質(zhì)量換算系數(shù),因而汽車加速阻力Fj可寫成Fj=δ式中:δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)(δ>1);
G——汽車總重力(N);
g——重力加速度(g=9.8m/s2);
dv/dt——行駛加速度(m/s2)。
δ主要與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量和車輪的轉(zhuǎn)動慣量以及傳動系的傳動比有關(guān)。3.1.3汽車行駛的驅(qū)動條件和附著條件
1.汽車行駛的驅(qū)動條件汽車行駛的過程中,受到各種行駛阻力的作用,為保證汽車的正常行駛,必須有一定的驅(qū)動力,以克服各種行駛阻力。表示汽車驅(qū)動力與行駛阻力之間關(guān)系的等式,稱為汽車的驅(qū)動力平衡方程,即Ft=Ff+Fw+Fi+Fj上式說明了汽車行駛中驅(qū)動力與各行駛阻力的平衡關(guān)系,若平衡關(guān)系不同,則汽車的運動狀態(tài)不同。當(dāng)Fj=Ft-(Ff+Fw+Fi)>0,即Ft>Ff+Fw+Fi時,汽車將加速行駛。當(dāng)Fj=Ft-(Ff+Fw+Fi)=0,即Ft=Ff+Fw+Fi時,汽車將等速行駛。當(dāng)Fj=Ft-(Ff+Fw+Fi)<0,即Ft<Ff+Fw+Fi時,汽車將無法起步或減速行駛直至停車。可見,汽車行駛的必要條件是:Ft≥Ff+Fw+Fi上式為汽車的驅(qū)動條件,它反映了汽車的行駛能力,但還不是汽車行駛的充分條件。
2.汽車行駛的附著條件可以采用增加發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和加大傳動比等措施來增大汽車的驅(qū)動力。但是這些措施只有在驅(qū)動輪與路面之間不發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象時才有效。如果驅(qū)動輪在路面滑轉(zhuǎn),則增大驅(qū)動力只會使驅(qū)動輪加速旋轉(zhuǎn),地面切向反作用力并不會增加。這種現(xiàn)象說明地面作用在驅(qū)動輪上的切向反作用力受地面接觸強度的限制,并不能隨意加大,即汽車行駛除受驅(qū)動條件制約外,還受輪胎與地面附著條件的限制。地面對輪胎切向反作用力的極限值稱為附著力Fφ,在硬路面上附著力取決于輪胎與路面間的相互摩擦,它與驅(qū)動輪法向作用力FZ成正比,常寫成Fφ=FZφ式中,φ稱為附著系數(shù),表示輪胎與路面的接觸強度,反映了輪胎與路面的摩擦作用。附著系數(shù)φ與光滑表面間的摩擦系數(shù)不同。當(dāng)輪胎與路面接觸時,路面的堅硬微小凸起能嵌入變形的輪胎中,增加了輪胎與路面的接觸強度,對輪胎在接地面積內(nèi)的相對滑動有較大的阻礙作用,輪胎與地面間的上述作用,通常被稱為附著作用。在松軟路面上,例如車輪在比較松軟的干土路面上滾動時,土壤的變形比輪胎的變形大,輪胎胎面花紋的凸起部分嵌入土壤,這時附著系數(shù)φ值,不僅取決于輪胎與土壤間的摩擦作用,同時還取決于土壤的抗剪切強度。因為只有當(dāng)嵌入輪胎花紋溝槽的土壤被剪切脫開基層時,輪胎在接地面積內(nèi)才產(chǎn)生相對滑動,車輪發(fā)生相對滑轉(zhuǎn)。顯而易見,地面的切向反作用力不得大于附著力,否則會發(fā)生驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn),即Ft≤Fφ上式稱為汽車的附著條件。驅(qū)動輪的附著條件還可以寫為Ft≤FZφ如將汽車的驅(qū)動條件和附著條件聯(lián)系在一起,可得出Ff+Fw+Fi≤Ft≤FZφ上式即為汽車行駛的驅(qū)動-附著條件,也是汽車行駛的充分和必要條件。3.1.4影響汽車動力性的主要因素
1.發(fā)動機參數(shù)的影響
(1)發(fā)動機最大功率的影響。發(fā)動機最大功率越大,汽車的動力性越好,最高車速、加速能力、爬坡能力必然也越好,但發(fā)動機功率不宜過大,否則在常用條件下,會因發(fā)動機負(fù)荷率過低而導(dǎo)致油耗的增加。單位汽車質(zhì)量所具有的發(fā)動機功率稱為比功率或功率利用因數(shù)。比功率與汽車的類型有關(guān)。
(2)發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的影響。發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩越大,ik、i0一定時,汽車的加速和上坡能力就越強。
2.主減速器傳動比的影響主減速器傳動比i0對汽車的動力性的影響,可利用汽車在直接擋時的功率平衡圖來分析。圖3-3所示是汽車主減速器傳動比變化時的功率平衡圖,圖中的三條等高曲線表示在三個不同主傳動比的情況下,發(fā)動機功率與車速的關(guān)系。由于主傳動比不同,故這三條功率曲線的形狀和對應(yīng)速度區(qū)域不同,但三條功率曲線的起始點、結(jié)束點及最大值點的高度對應(yīng)相等,總阻力功率曲線(Pf+Pw)/ηT是不變的,因為它只與汽車總重力、流線型、車速及道路阻力的大小有關(guān)。圖3-3主減速器傳動比變化時的功率平衡圖從圖3-3所示的三種情況看,i0應(yīng)與汽車的行駛阻力相適應(yīng),如果主減速器的傳動比選i02,阻力功率曲線與發(fā)動機功率曲線交在其最大功率點,則發(fā)動機在最大功率條件下工作。在這種特殊條件下,汽車的最高車速為v02,它等于發(fā)動機最大功率時的車速。當(dāng)i0>i02或i0<i02時,由于(Pf+Pw)/ηT曲線與Pe曲線相交在功率較低點,故最高車速均較低。當(dāng)i01>i02時,發(fā)動機的功率曲線位置向左移,雖然最高車速降低,但后備功率卻有較大增加,汽車加速與上坡能力增強;當(dāng)i03<i02時,發(fā)動機功率曲線右移,最高車速降低,后備功率減少,故汽車的動力性較差。
3.傳動系擋數(shù)的影響無副變速器和分動器時,傳動系擋數(shù)即為變速器前進(jìn)擋的擋數(shù)。變速器的擋數(shù)增加時,發(fā)動機在接近最大功率工況下工作的機會增加,發(fā)動機的平均功率利用率高,后備功率增大,有利于汽車加速和上坡,提高了汽車中速行駛時的動力性。擋數(shù)多,可選用最合適的擋位行駛,使發(fā)動機盡可能在大功率工況下工作,提高了功率利用的平均值。
4.變速器傳動比的影響變速器的傳動比對汽車的動力性影響最大。變速器的I擋傳動比ik1與主減速器的傳動比i0的乘積,決定了傳動系的最大傳動比。I擋的傳動比越大,汽車的牽引能力和爬坡能力就越強。只有在附著條件的限制之內(nèi),汽車的動力性才能充分發(fā)揮。變速器其余各擋的傳動比應(yīng)按等比級數(shù)分配,以保證汽車在換擋加速過程中功率利用程度最高。
5.汽車流線型的影響汽車流線型影響汽車的空氣阻力系數(shù),對汽車的動力性也有影響。因為空氣阻力和車速平方成正比,克服空氣阻力消耗的功率和車速的立方成正比,所以汽車的流線型對汽車的最高車速有很大影響。
6.輪胎尺寸與形式的影響汽車的驅(qū)動力與驅(qū)動輪的半徑成反比,而車速與驅(qū)動輪的半徑成正比。因此,輪胎半徑對與動力性有關(guān)的驅(qū)動力和車速是矛盾的。在良好路面上行駛的汽車,由于附著力較大,故允許用小直徑的輪胎,可得到較大的驅(qū)動力。車速的提高可以用減小主減速器傳動比來解決。輪胎尺寸和主減速器傳動比的減小,使汽車質(zhì)心高度降低,提高了汽車行駛的穩(wěn)定性,有利于汽車的高速行駛。軟路面上行駛的汽車,車速不高,要求輪胎半徑大些,主要是為了增加附著系數(shù)。
7.使用因素的影響影響汽車的使用因素主要包括發(fā)動機的技術(shù)狀況、汽車底盤技術(shù)狀況、駕駛技術(shù)、汽車運行條件等。
(1)發(fā)動機技術(shù)狀況。發(fā)動機技術(shù)狀況不良,其功率、轉(zhuǎn)矩下降,汽車動力性下降。
(2)汽車底盤技術(shù)狀況。汽車傳動系各傳動元件的松緊度與潤滑、前輪定位的調(diào)整、輪胎氣壓、制動性能的好壞、離合器的調(diào)整、傳動系的潤滑油質(zhì)量等都直接影響汽車的動力性。
(3)駕駛技術(shù)。熟練的駕駛操作、適時迅速地?fù)Q擋以及正確選擇擋位,對發(fā)揮和利用汽車動力性均有很大影響。
(4)汽車運行條件的影響。氣候溫度過高和過低,容易造成發(fā)動機過熱和過冷,使發(fā)動機的功率下降;當(dāng)汽車在高原地區(qū)行駛時由于空氣稀薄使發(fā)動機的充氣量和壓縮壓力降低,導(dǎo)致發(fā)動機功率下降;汽車在使用過程中,道路條件的不斷變化,如遇泥濘土路和冰雪路面等,車輪的滾動阻力增加,附著系數(shù)減小,因而也使發(fā)動機的功率大大降低。3.2汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性3.2.1汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的評價指標(biāo)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性常用一定運行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。在我國及歐洲,燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的單位為L/100km,即每行駛100km所消耗的燃油升數(shù)。它的數(shù)值越大,汽車燃油經(jīng)濟(jì)性越差。美國和日本均采用哩/加侖(mile/gal)作為燃油經(jīng)濟(jì)性的單位,即一加侖燃油所能行駛的英里數(shù)。這個數(shù)據(jù)愈大,汽車燃油經(jīng)濟(jì)性能愈好。等速行駛百公里燃油消耗量是常用的一種評價指標(biāo),它是指汽車在一定載荷(我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定轎車為半載,貨車為滿載)下,以最高擋在水平良好路面上等速行駛100km的燃油消耗量。通常是測出每隔10km/h或20km/h速度間隔的等速百公里燃油消耗量,然后在圖上連成曲線,作為等速百公里燃油消耗量曲線,并用它來評價汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性,如圖3-4所示。圖3-4汽車等速百公里燃油消耗量曲線但是,等速行駛工況并沒有全面反映汽車的實際運行情況,特別是在市區(qū)行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速、怠速、停車等行駛工況。因此,在對實際行駛車輛進(jìn)行跟蹤測試統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,各國都制定了一些典型的循環(huán)行駛試驗工況來模擬實際汽車運行狀況,并以其百公里燃油消耗量來評定相應(yīng)行駛工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。循環(huán)工況規(guī)定了車速——時間行駛規(guī)范,例如,何時換擋、何時制動以及行車的速度和加速度等數(shù)值。由于它在路上試驗比較困難,一般多規(guī)定在室內(nèi)汽車底盤測功機上進(jìn)行試驗,而規(guī)定在路上進(jìn)行試驗的循環(huán)工況均很簡單。3.2.2影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的因素
1.汽車結(jié)構(gòu)因素的影響
1)發(fā)動機方面的影響發(fā)動機方面影響燃油經(jīng)濟(jì)性的主要因素有發(fā)動機的種類、壓縮比、發(fā)動機的功率利用率和發(fā)動機燃燒過程等。
(1)發(fā)動機的種類的影響。目前常用的發(fā)動機主要有汽油機和柴油機。由于柴油機的熱效率高,其有效燃油消耗率比汽油機的低30%~40%,因此汽車發(fā)動機采用柴油機的逐漸增多。
(2)壓縮比的影響。提高壓縮比是提高汽油機燃油經(jīng)濟(jì)性的主要措施,但壓縮比過高會引起爆燃和表面點火,特別是排氣污染增加。因此,在允許的條件和范圍內(nèi)提高壓縮比,可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性。
(3)發(fā)動機的功率利用率的影響。發(fā)動機的功率利用率對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大,試驗資料表明,一般發(fā)動機在中等轉(zhuǎn)速、較高負(fù)荷率下工作時,其經(jīng)濟(jì)性較好。
(4)發(fā)動機燃燒過程的影響。改進(jìn)燃油供給系和燃燒室的形狀及進(jìn)、排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),使燃油得到良好的汽化和霧化,并且與空氣混合均勻,就能改善燃燒過程,從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。目前廣泛采用的電噴發(fā)動機及稀薄燃燒技術(shù)一般能節(jié)油5%~20%。
2)傳動系方面的影響傳動系的效率越高,損失于傳動系的能量越少,燃油經(jīng)濟(jì)性就越好。當(dāng)發(fā)動機的功率一定時,傳動系的傳動比越小,汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性越好。所以采用超速擋和減小主傳動比,均可減少燃油消耗。但主傳動比不可太小,否則在汽車行駛中當(dāng)遇到的阻力稍大時,便會感到驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不足,因而經(jīng)常要換用變速器的中間擋位,這樣反而增加了燃油消耗,使汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性變壞。變速器的擋位越多,越容易根據(jù)行駛條件選擇較小的傳動比,使發(fā)動機能以較低的轉(zhuǎn)速在較經(jīng)濟(jì)的條件下工作,從而改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此,變速器的擋數(shù)應(yīng)綜合各方面因素合理地選擇。
3)空氣阻力的影響空氣阻力與汽車的迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)、行駛速度的平方成正比。車速越高,阻力越大。汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性也越差。
4)汽車質(zhì)量的影響當(dāng)汽車的總質(zhì)量增加時,單位行程的燃油消耗量增加,但二者的增加量不成正比。因為隨著載質(zhì)量的增加,發(fā)動機的功率利用率將提高,所以會使發(fā)動機的有效燃油消耗率ge有所降低,汽車單位運輸工作量的燃油消耗量減少。所以減輕汽車的自身質(zhì)量和增大汽車的載質(zhì)量,都能改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。
2.使用方面因素的影響
1)汽車的技術(shù)狀況為保持汽車的技術(shù)狀況良好,必須正確執(zhí)行汽車的維護(hù)制度、正確地維護(hù)和調(diào)整,特別是對燃油消耗量影響最大的燃油供給系和點火系,要經(jīng)常保持良好的工作狀況。在汽車底盤方面,首先是要保持正常的潤滑,以減少傳動系和行駛系中的摩擦阻力。另外,還要保證前輪定位的正確性和正常的輪胎氣壓,以減少燃油消耗。但要注意的是,燃油和潤滑油的質(zhì)量對汽車的燃油消耗量也有很大的影響。
2)駕駛員的操作技術(shù)水平良好的駕駛技術(shù)可以大大降低汽車的燃油消耗量。不同技術(shù)水平的駕駛員在相同的使用條件下駕駛同一類型的汽車,其燃油消耗量可相差20%~40%。降低燃油的消耗除了合理起動,預(yù)熱保溫,平穩(wěn)起步,緩慢加速,安全、合理地使用制動外,對擋位的選擇也有一定的要求。即:使汽車以接近于各擋的經(jīng)濟(jì)車速行駛,在條件允許的情況下,盡量采用高速擋行駛等。
3)運行條件的影響汽車在不好的路面上行駛時,油耗量將明顯增加。在高原山區(qū)工作的汽車,由于空氣稀薄,充氣量不足,故發(fā)動機功率下降,油耗量也將增加。這就說明運行條件對汽車的油耗量的影響很大。隨著運行條件的不同,克服行駛阻力所消耗的功率以及發(fā)動機的工況都將隨之發(fā)生變化。3.3汽車的制動性3.3.1汽車制動時車輪受力分析
1.地面制動力Fxb圖3-5所示為汽車在良好的硬路面上制動時車輪的受力情況。圖中滾動阻力偶矩和減速時的慣性力、慣性力偶矩均忽略不計。Tu是車輪制動器中摩擦片與制動鼓或制動盤相對滑轉(zhuǎn)時的摩擦力矩,單位為N·m;Fxb是地面制動力,單位為N;W為車輪垂直載荷,TP為車軸對車輪的推力,F(xiàn)z為地面對車輪的法向反作用力,它們的單位均為N。圖3-5車輪在制動時的受力情況顯然,從力矩平衡得到Fxb=式中:r——車輪半徑(m)。地面制動力Fxb是使汽車制動而減速行駛的外力,其大小取決于兩個摩擦副的摩擦力:一是制動器內(nèi)制動摩擦片與制動鼓(或制動盤)間的摩擦力;另一個是輪胎與地面間的摩擦力(即附著力)。
2.制動器制動力Fu在輪胎周緣克服制動器摩擦力矩所需的力稱為制動器制動力,用符號Fu表示。它的測得方法是:將汽車架離地面,并踩住制動踏板,在輪胎周緣沿切線方向推動車輪直至它能轉(zhuǎn)動所需的力。制動器制動力不僅由制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定,即取決于制動器的形式、結(jié)構(gòu)尺寸、制動器摩擦副的摩擦面數(shù)以及車輪半徑,還與制動踏板力,即制動系的液壓或空氣壓力成正比。
3.地面制動力、制動器制動力與附著力之間的關(guān)系在制動時,當(dāng)制動踏板力較小時,制動器摩擦力矩Tu不大,地面制動力Fxb足以克服制動器摩擦力矩而使車輪滾動。車輪滾動時的地面制動力就等于制動器制動力,并隨踏板力的增長成正比地增長(見圖3-6),此時Fxb=Fu=但由于地面制動力是滑動摩擦的約束反力,其值不能超過附著力,即Fxb≤Fφ=Fzφ當(dāng)制動踏板力或制動系液壓力上升到某一值時,地面制動力Fxb達(dá)到附著力Fφ的值,車輪將抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。而制動器制動力Fu隨制動踏板力的上升將繼續(xù)上升,地面制動力Fxb在達(dá)到附著力Fφ的值后就不再增加了。圖3-6制動過程中地面制動力、制動器制動力及附著力的關(guān)系由此可見,汽車的地面制動力Fxb首先取決于制動器制動力Fu,若沒有制動器制動力的作用,則地面制動力將不會產(chǎn)生,但同時又受地面附著條件的限制。所以只有當(dāng)汽車具有足夠的制動器制動力,同時地面又能提供高的附著力時,才能獲得足夠的地面制動力。3.3.2汽車制動性的評價指標(biāo)
1.汽車的制動效能汽車的制動效能是指汽車迅速降低車速直至停車的能力,一般用制動距離和制動減速度來評價。
(1)制動距離:指汽車速度為v0時,從駕駛員腳踏制動踏板開始到汽車停止行駛為止所經(jīng)過的距離。它與汽車的行駛安全有直接的關(guān)系。制動距離與制動踏板力、車輛載荷、制動器起作用的時間、路面附著條件、制動的起始車速、發(fā)動機是否結(jié)合等許多因素有關(guān)。在測試制動距離時,應(yīng)對踏板力或制動系壓力、路面附著系數(shù)、起始車速以及車輛的狀態(tài)加以規(guī)定。制動距離與制動器的熱狀況也有密切關(guān)系。若無特殊說明,一般制動距離是在冷試驗的條件下測得的。起始制動時制動器的溫度在100℃以下。在制動過程中實際測得的制動踏板力與制動減速度及制動時間可用如圖3-7所示的汽車制動過程曲線圖來表示。該圖是經(jīng)簡化后的曲線,它反映了從駕駛員接受緊急制動信號開始,到制動結(jié)束的全過程。其中包括駕駛員反映時間t1、制動系協(xié)調(diào)時間(制動器的作用時間)t2、持續(xù)制動時間t3和釋放時間t4。圖3-7汽車的制動過程曲線圖
(2)制動減速度:是檢驗汽車制動效能的最基本的指標(biāo)之一,其大小直接影響制動距離的長短。制動減速度的大小反映了地面制動力的大小,因此它與制動器制動力(車輪滾動時)及地面附著力(車輪抱死拖滑時)有關(guān)。
2.制動效能的恒定性以上所述的制動效能是指汽車行車制動系在冷制動的情況下(即制動器起始溫度在100℃以下)的制動效能。汽車在高速制動、短時間重復(fù)制動或下長坡連續(xù)制動時,制動器的溫度常在300℃以上,有時高達(dá)600~700℃,使摩擦片內(nèi)的有機物發(fā)生分解,產(chǎn)生氣體和液體,在摩擦表面形成有潤滑作用的薄膜,此時制動器摩擦系數(shù)下降,摩擦力矩會顯著減小,從而使制動效能顯著下降,這種現(xiàn)象稱為制動器的熱衰退。制動效能的恒定性主要指的是行車制動系統(tǒng)抗熱衰退的性能。抗熱衰退的性能與制動器摩擦副材料及制動器結(jié)構(gòu)有關(guān),熱衰退是目前制動器不可避免的現(xiàn)象,只是程度上有所差別。衡量抗熱衰退性能一般用連續(xù)制動時制動效能占冷制動效能的百分?jǐn)?shù)作為評價指標(biāo)。ISO/DIS6597規(guī)定,被試車輛以一定的車速連續(xù)制動15次,每次的制動強度為-3m/s2,最后的制動效能應(yīng)不低于冷試驗制動效能的60%。對于山區(qū)行駛的貨車和高速行駛的轎車,對抗熱衰退性能有較高的要求。盤式制動器由于有較好的散熱效果和良好的制動穩(wěn)定性,因而在高速轎車中廣泛應(yīng)用。當(dāng)汽車涉水后,制動器被水浸濕,制動效能也會降低,這種現(xiàn)象稱為水衰退現(xiàn)象。
3.制動時汽車方向的穩(wěn)定性
所謂制動方向的穩(wěn)定性,是指汽車在制動過程中維持直線行駛的能力,或按預(yù)定彎道行駛的能力。一般試驗中常規(guī)定一定寬度(指1.5倍的車寬或3.5m)的試驗通道,制動時方向穩(wěn)定性合格的車輛,一般不允許產(chǎn)生不可控制的效應(yīng)使它離開這條通道。制動方向的穩(wěn)定性可用制動時不應(yīng)發(fā)生制動跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能來衡量。
(1)制動跑偏:指制動時原期望汽車按直線方向減速停車,但有時汽車卻自動向左或向右偏駛的現(xiàn)象。跑偏的現(xiàn)象多數(shù)是由于技術(shù)狀況不佳而造成的,經(jīng)過維修、調(diào)整是可以消除的。
(2)制動側(cè)滑:指汽車制動時某一軸的車輪或者兩軸的車輪發(fā)生橫向滑動的現(xiàn)象。側(cè)滑與車輛設(shè)計、車速及路面情況有關(guān)。一般在較高的車速或較滑的路面上制動時,也可能發(fā)生后軸側(cè)滑。制動跑偏和制動側(cè)滑的區(qū)別在于制動跑偏時雖然行駛方向出現(xiàn)了偏離,但車輪與地面沒有產(chǎn)生相對滑移現(xiàn)象;聯(lián)系在于嚴(yán)重的跑偏有時會引起后軸側(cè)滑,易于發(fā)生側(cè)滑的汽車也有加劇跑偏的趨勢。
(3)制動時失去轉(zhuǎn)向能力:指汽車在制動時不能按預(yù)定彎道行駛和轉(zhuǎn)向,而沿切向方向駛出,或直線行駛制動時轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤不能改變方向仍按直線行駛的現(xiàn)象。制動時喪失轉(zhuǎn)向能力主要是由于轉(zhuǎn)向輪抱死而失去控制方向的作用。理論分析與實踐證明,制動過程中若是只有前輪抱死或前輪先抱死拖滑,汽車基本能維持直線減速行駛或停車,不會產(chǎn)生嚴(yán)重的側(cè)滑現(xiàn)象,但此時駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤無效,失去控制方向的能力,這對在彎道行駛的汽車是十分危險的。若后輪比前輪提前一定時間先抱死拖滑,則汽車在輕微側(cè)向干擾力作用下就會引起后軸側(cè)滑,特別是高速制動,易產(chǎn)生劇烈的回轉(zhuǎn)運動,即制動“甩尾”現(xiàn)象。路面越滑、制動距離和制動時間越長,后軸側(cè)滑就越劇烈。3.4汽車的通過性3.4.1汽車通過性的間隙失效與幾何參數(shù)
1.汽車通過性的間隙失效
汽車通過性的間隙失效是指汽車與地面間的間隙不足而被地面托住,無法通過的現(xiàn)象。間隙失效可分為以下幾種情況:
(1)頂起失效。頂起失效指因車輛中間底部的零部件碰到地面而被頂起的現(xiàn)象。
(2)觸頭失效與托尾失效。因車輛前端觸及地面而使汽車不能通過的現(xiàn)象,稱為觸頭失效;因車輛后端觸及地面而使汽車不能正常通行的現(xiàn)象,稱為托尾失效。
2.汽車通過性的幾何參數(shù)
汽車通過性的幾何參數(shù)主要包括最小離地間隙、接近角、離去角、縱向通過半徑、橫向通過半徑、最小轉(zhuǎn)彎半徑和內(nèi)輪差等。這些幾何參數(shù)因汽車的類別、結(jié)構(gòu)、運行條件的差異而有所不同,表3-2所列舉的是不同類型的汽車對部分幾何參數(shù)的要求。表3-2不同類型的汽車對部分幾何參數(shù)的要求3.4.2汽車通過性的影響因素
1.結(jié)構(gòu)因素
(1)發(fā)動機的因素。汽車通過壞路或無路地帶時,要克服較大的道路阻力。要提高汽車的通過性,就必須提高單位汽車重力發(fā)動機扭矩或功率。
(2)傳動系傳動比。要提高動力因數(shù),需增大傳動系傳動比,以此來達(dá)到增大驅(qū)動力的目的。以越野車為例,一方面將設(shè)有副變速器或分動器;另一方面增大傳動系的總傳動比來降低最低穩(wěn)定的車速,減小車輪對松軟路面的沖擊,減少由此引起的土壤剪切破壞的概率,提高越野車通過壞路或無路地段的能力。
(3)液力傳動。裝有液力變矩器或液力偶合器的汽車,起步時轉(zhuǎn)矩增加平緩,避免了對路面的沖擊。同時,不用換擋也能提高轉(zhuǎn)矩,可以有效地提高汽車的通過性。
(4)差速器。普通錐齒輪式差速器具有在驅(qū)動輪間平均分配轉(zhuǎn)矩的特性,當(dāng)一側(cè)車輪出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時,另一側(cè)車輪只能產(chǎn)生與滑轉(zhuǎn)車輪相等的驅(qū)動力,使總驅(qū)動力降低而不能克服行駛阻力,汽車無法正常行駛。采用高摩擦差速器,可以使轉(zhuǎn)得較慢的車輪得到較大的驅(qū)動力,從而使總驅(qū)動力增加,有利于提高汽車的通過性。若采用差速鎖,兩邊車輪的驅(qū)動力可以按各自的附著力來分配,改善通過性的作用更明顯。
(5)涉水能力。為了提高汽車的涉水能力,應(yīng)注意發(fā)動機的分電器、火花塞、蓄電池、曲軸箱通風(fēng)口、機油尺等處的防水密封,并保證空氣濾清器不進(jìn)水。
(6)前后輪距。若前、后軸采用相同的輪距,且輪胎寬度相同,則后輪可以沿前輪壓實的輪轍行駛,從而使全車的行駛阻力減小,以提高通過性。
(7)驅(qū)動輪的數(shù)目。增加驅(qū)動輪的數(shù)目,可以提高相對附著重量,獲得較大的驅(qū)動力。越野汽車均采用全輪驅(qū)動。
2.使用因素使用因素主要包括以下幾個方面:
(1)輪胎氣壓。汽車在松軟路面上行駛時,為了使輪胎與路面的接觸面積增加,降低輪胎對路面的壓力,使路面變形和輪胎受到的道路阻力減少,可采用降低輪胎氣壓的方法。而在硬路面上行駛時,應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣咻喬鈮?,這樣可以減小輪胎變形,使行駛阻力減小。因此有的越野汽車裝有中央充氣系統(tǒng),駕駛員在駕駛室內(nèi)可根據(jù)路面情況調(diào)整輪胎氣壓。
(2)輪胎花紋。輪胎花紋對附著系數(shù)影響很大。越野汽車應(yīng)選用具有寬而深花紋的輪胎,這是因為在松軟路面上行駛時,輪胎花紋嵌入土壤,使附著能力提高;而汽車在潮濕路面上行駛時,只有花紋的凸起部分與路面接觸,提高了單位壓力,有利于擠出水分,提高附著系數(shù)。
(3)拱形輪胎。在專用越野汽車上,不少使用了超低壓的拱形輪胎。在相同輪輞直徑的情況下,超低壓拱形輪胎的斷面寬度比普通輪胎要大2~2.5倍,輪胎氣壓很低(只有29.4~83.3kPa)。若用這種輪胎代替并列雙胎,則其接地面積比普通輪胎的接地面積可增加到3倍。拱形輪胎在沙漠、雪地、沼澤、田間行駛有良好的通過性,但在硬路面上行駛,會使行駛阻力增加,且易損壞輪胎。
(4)駕駛技術(shù)。駕駛技術(shù)對汽車通過性影響很大。為提高通過性,應(yīng)注意以下幾點:①汽車通過松軟地段時,應(yīng)盡量使用低速擋,以便汽車具有較大的驅(qū)動力和較低的行駛速度,盡量避免換擋和加速,保持直線行駛。②驅(qū)動輪是雙胎的汽車,如因雙胎間夾泥而滑轉(zhuǎn),則可適當(dāng)提高車速,以甩掉夾泥。③若傳動系裝有強制鎖止式差速器,應(yīng)在汽車進(jìn)入車輪可能滑轉(zhuǎn)地段之前掛上差速鎖。如果已經(jīng)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)再掛差速鎖,則土壤表面已被破壞,附著系數(shù)下降,效果會顯著下降。當(dāng)汽車離開壞路地段時,應(yīng)及時脫開差速鎖,以免影響轉(zhuǎn)向。④汽車通過滑溜路面時,可以在驅(qū)動輪輪胎上套上防滑鏈條,以提高車輪的附著能力。3.5汽車的舒適性3.5.1汽車行駛平順性及其影響因素
1.汽車行駛平順性
汽車行駛平順性是指保持汽車在行駛過程中乘員所處的振動環(huán)境具有一定舒適度的性能,對于載貨汽車還包括保持貨物完好的性能。由于汽車的行駛平順性主要是根據(jù)乘客的舒適程度來評價的,因此又稱為乘坐舒適性。行駛平順性既是決定汽車舒適性最主要的方面,也是汽車性能的主要指標(biāo)。
2.振動及其傳遞途徑
汽車行駛時的振動問題可以用圖3-8所示的框圖來分析。行駛中的汽車是一個復(fù)雜的“振動系統(tǒng)”,振動的發(fā)生源主要有凹凸不平的路面、不平衡輪胎的旋轉(zhuǎn)、不平衡傳動軸的旋轉(zhuǎn)以及發(fā)動機的扭矩變化等。這些因素引起的振動又大多與車速相關(guān),尤其是凹凸不平路面引起的振動,隨著車速的變化,振動的頻率和強弱會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。圖3-8汽車振動系統(tǒng)框圖上述諸多“信號”不斷地“輸入”行駛中的汽車,而汽車又可以看做是由輪胎、懸架、坐墊等彈性、阻尼元件和懸架質(zhì)量及非懸架質(zhì)量構(gòu)成的“振動系統(tǒng)”。各種“輸入”信號沿不同的路徑傳至乘員人體,其主要傳遞路徑如圖3-9所示。圖3-9汽車行駛振動傳遞路徑示意圖因路面、輪胎而產(chǎn)生的振動,先傳到懸架,受懸架自身的振動特性影響后再傳給車身,通過車身傳到乘客的腳部。同時通過座椅傳給乘客的臀部和背部,還通過轉(zhuǎn)向系,以轉(zhuǎn)向盤抖動的形式傳到駕駛員手部。因發(fā)動機、傳動系而產(chǎn)生的振動,通過支承發(fā)動機、變速器和傳動軸的緩沖橡膠墊,經(jīng)衰減后傳給車身,再經(jīng)上述途徑傳至人體各個部位。當(dāng)振動頻率超過40Hz時,便形成噪聲傳進(jìn)人的耳朵。作為系統(tǒng)的“輸出”,使人體或貨物受到的振動,其中最重要的是振動的頻率和振動加速度。由物理學(xué)知識可知,任何一個“振動系統(tǒng)”均有一個“固有頻率”。當(dāng)外界激振信號的頻率接近或等于“固有頻率”時,將出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象,產(chǎn)生劇烈的振動。研究汽車行駛平順性,實際上要解決兩方面的問題:一是如何避免汽車這個“振動系統(tǒng)”的“共振”現(xiàn)象,這既要影響汽車的操縱穩(wěn)定性,也要影響行駛平順性;二是使“振動系統(tǒng)”輸出的振動頻率避開人體敏感的范圍,振動加速度不超過人體所能承受的強度。
3.人體對振動的反應(yīng)
人體是一個復(fù)雜的機械振動系統(tǒng),人體對振動的反應(yīng)既與振動頻率及強度、振動作用方向和暴露時間有關(guān),也與人的心理、生理狀態(tài)有關(guān)。
4.行駛平順性的評價
我國參照ISO2631制定了《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》,用于測定汽車在隨機不平的路面上行駛時振動對乘員及貨物的影響,國標(biāo)中用加速度均方根值給出了在1~80Hz振動頻率范圍內(nèi)人體對振動反應(yīng)的三個不同界限:
(1)暴露極限:當(dāng)人體承受的振動強度在這個極限之內(nèi)時,將保持健康或安全。通常把此極限作為人體可以承受振動量的上限。
(2)疲勞:該界限與保持工作效能有關(guān)。當(dāng)駕駛員承受的振動強度在此界限之內(nèi)時,能準(zhǔn)確、靈敏地反應(yīng)并正常地進(jìn)行駕駛。
(3)舒適降低界限:此界限與保持舒適有關(guān),在這個界限之內(nèi),人體對所暴露的振動環(huán)境主觀感覺良好,能順利地完成吃、讀、寫等動作。3.5.2空氣調(diào)節(jié)與居住性
1.空氣調(diào)節(jié)汽車的空氣調(diào)節(jié)是指對車內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié),即不管車外的天氣情況如何,將車內(nèi)的溫度、濕度和清潔度都保持在滿足舒適要求的一定范圍之內(nèi)。汽車的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由四大裝置構(gòu)成,即通風(fēng)裝置、暖氣裝置、冷氣裝置和空氣凈化裝置。通過這四大裝置可實現(xiàn)換氣、溫度和濕度的調(diào)節(jié)及空氣凈化三大
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