第1章 汽车的动力性

汽车理论汽车理论是研究汽车主要使用性能的科学，是在分析汽车运动基本规律的基础上研究汽车主要使用性能与其结构之间的内在联系，分析汽车主要使用性能的各种影响因素，从而指出正确设计汽车和合理使用汽车的基本途径。

对汽车提出的使用性能的要求是多方面的，汽车理论主要研究汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等。

第8章 汽车的动力性学习目标通过本章的学习，应重点掌握汽车的动力性指标，熟练分析汽车的受力情况，深入理解汽车的行驶方程式，并熟练运用汽车的力平衡图和功率平衡图分析汽车的动力性指标。

汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时，由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。

汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低很大程度上取决于汽车的动力性。

所以，动力性是汽车各种性能中最基本最重要的性能。

1.1节 汽车动力性指标从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要有以下三个评价指标。

1.1.1 汽车的最高车速max a u最高车速是指在水平良好的路面(混凝土或沥青)上，汽车能达到的最高行驶车速。

1.1.2 汽车的加速时间t汽车的加速时间表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有很大影响。

常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。

原地起步加速时间，指汽车由Ⅰ档或Ⅱ档起步，并以最大的加速强度(包括选择恰当的换档时机)逐步换至最高档后，到某一预定的距离或车速所需的时间。

超车加速时间，指用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。

由于超车时两车辆并行，容易发生安全事故，所以超车加速能力强，并行行程短，行驶就安全。

一般常用0→400m 或0→100km/h 所需的时间来表明汽车的原地起步加速能力。

对超车加速能力还没有一致的规定，采用较多的是用最高档或次高档，由某一中等车速全力加速行驶至某一高速所需的时间。

轿车对加速时间尤为重视。

1.1.3 汽车的最大爬坡度i汽车满载时，在良好路面上的最大爬坡度，表示汽车的上坡能力。

显然，汽车的最大爬坡度指Ⅰ档最大爬坡度。

轿车最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；而且它的Ⅰ档加速能力大，故爬坡能力也强。

货车在各种地区的各种道路上行驶，所以必须具有足够的爬坡能力。

实际上，max i 代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道路最大爬坡度超出很多。

这是因为应考虑到在坡道上停车后，顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力等要求的缘故。

一般货车max i 在30%即16.7°左右，越野汽车要在坏路或无路条件下行驶，因而爬坡能力是一个很重要的指标，它的最大爬坡度可达60%即31°左右。

三个指标的测定，均应在无风的条件下进行。

确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状态。

因此，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车上的各种外力，即驱动力与行驶阻力。

根据这些力的平衡关系，建立汽车行驶方程式，就可以估算汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。

8.2节 汽车的驱动力与行驶阻力确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。

为此需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。

根据这些力的平衡关系，建立汽车行驶方程式，就可以估算汽车的各项动力性能指标。

汽车的行驶方程式为=t F ∑F式中 t F ——汽车驱动力；∑F ——行驶阻力之和。

1.2.1 汽车的驱动力在汽车行驶中，发动机发出的有效转矩tq T ，经变速器、传动轴、主减速器等后，由半轴传给驱动车轮。

如果变速器传动比为g i 、主减速比为0i 、传动系的机械效率为T η，则传到驱动轮上的转矩t T ，即驱动力矩为T g tq t i i T T η0=如图1.1所示，此时作用于驱动轮上的转矩t T ，产生对地面的圆周力0F ，则地面对驱动轮的反作用力t F ，即为汽车驱动力。

如果驱动车轮的滚动半径为r ，就有r T F t t /=，因而，汽车驱动力为图1.1汽车的驱动力 r i i T F Tg tq t η0= (1.1)下面将对式(1.1)中发动机转矩丁tq T 、传动系机械效率T η及车轮半径r 等作进一步讨论，并作出汽车的驱动力图。

1.2.1.1 发动机的外特性发动机的功率、转矩及燃油消耗率与发动机曲轴转速的变化关系，即为发动机的速度特性。

当发动机节气门全开，或高压油泵处于最大供油量位置时，此特性称为发动机的外特性，对应的关系曲线称为外特性曲线；如果节气门部分开启，则称为发动机部分负荷特性曲线。

图1.2为某发动机的外特性曲线。

min n 为发动图1.2 某发动机外特性曲线 机最低稳定工作转速，随着发动机转速的增加，发动机发出的有效功率和有效转矩都在增加，发动机转矩达到最大值max tq T 时，相应的发动机转速为tq n ，再增大发动机转速时，有效转矩tq T 有所下降，但功率e P 继续增加，一直达到最大功率max e P ，此时发动机转速为P n ，继续提高发动机转速，其功率反而下降。

一般取max n =(1.1～1.2) P n 。

如转矩tq T 单位用N ·m 表示，功率e P 单位用kW 表示，转速e n 用r/min 表示,它们之间有如下关系： 9549etq e n T P = (1.2)发动机制造厂提供的发动机外特性曲线，一般是在试验台架上不带空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等附属设备条件下测试得到的。

如果带上上述附属设备，测得的发动机外特性的最大功率约小15%；转速为max 5.0n 时，功率约小2%～6%；转速再低时，两者相差更小。

此外，由于在试验台架上所测的发动机工况相对稳定，而在实际使用中，发动机的工况通常是不稳定的，但由于两者差别不显著，所以在进行动力估算时，仍可用稳态工况时发动机的试验数据。

如果找不到外特性曲线的数据，若已知发动机的max e P 和P n ，则可用式(1.3)估算发动机的外特性e P -e n 曲线：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=3221max P e P e P e e e n n n n C n n C P P (1.3) 式中1C 、2C ——发动机类型系数，汽油机1C =2C =1，直接喷射式柴油机1C =0.5，2C =1.5，有预燃室式柴油机1C =0.6，2C =1.4。

如果在已知max e P 和P n 之外，还已知了max tq T 及tq n ，则可用式(1.4)估算发动机的外 特性tq T -e n 曲线：()()22max max e tq tq P P tq tq tq n n n n T T T T ----= (1.4)式中P T ——最大功率时对应的转矩。

1.2.1.2 传动系的机械效率发动机发出的功率e P ，经传动系传到驱动车轮的过程中，要克服传动系各部件的摩擦而有一定的损失。

若损失的功率为T P ，则传到驱动轮的功率为e P -T P ，传动系的机械效率T η为eT e T e T P P P P P -=-=1η (1.5) 传动系的功率损失由传动系中各部件——变速器、万向节、主减速器等的功率损失所组成。

其中变速器和主减速器的功率损失所占比重最大，其余部件功率损失较小。

损耗的功率含机械损失功率和液力损失功率。

机械损失功率是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失的功率，其大小决定于啮合齿轮的对数，传递的转矩等因素。

液力损失功率是指消耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件之间的表面摩擦功率。

其大小决定于润滑油的品质、温度、箱体内的油面高度，以及齿轮等旋转零件的转速。

液力损失随传动零件转速提高、润滑油面高度及粘度增加而增大。

传动系的机械效率是在专门的实验装置上测试得到的。

在动力性计算时，-机械效率取为常数。

采用有级机械变速传动系的轿车取0.9～0.92，单级主传动货车取0.9，4×4汽车取0.85。

1.2.1.3 车轮半径轮胎的尺寸及结构直接影响汽车的动力性。

车轮按规定气压充好气后，处于无载时的半径，称为自由半径。

在汽车重力作用下，轮胎发生径向变形。

车轮中心与轮胎接地面的距离称为静力半径s r 。

静力半径小于其自由半径，它取决于载荷、轮胎的径向刚度，以及支承面的刚度。

作用于车轮上除径向载荷外，还有转矩。

车轮中心至轮胎与道路接触面切向反作用力之间的距离为动力半径。

此时轮胎不仅产生径向变形，同时还产生切向变形。

其切向变形取决于轮胎的切向刚度、轮胎承受的转矩及转动时的离心惯性力等。

以车轮转动圈数n 与车轮实际滚动距离S 之间关系换算得出的车轮半径，称为车轮的运动半径(滚动半径)r r ，即 nS r r π2= (1.6) 显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径s r ；而作运动学分析时应该用滚动半径r r 。

但在一般的分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径r ，即认为r r r r s ==1.2.1.4 汽车的驱动力图在各个排档上，汽车驱动力t F 与车速a u 之间的函数关系曲线，称为汽车驱动力图。

它直观地显示变速器处于各档位时，驱动力随车速变化的规律。

当已知发动机外特性曲线、传动系的传动比及机械效率、车轮半径等参数时，即可作出汽车驱动力图。

具体方法如下：（1）从发动机外特性曲线上取若干(e n 、tq T )。

（2）根据选定的不同档位传动比，按式(1)算出驱动力值。

（3）根据转速e n 、变速器传动比g i 及主减速比0i ，由下式计算与所求t F 对应的速度：377.0i i rn u g e a = (1.7) （4）建立t F -a u 坐标，选好比例尺，对每个档位，将计算出的值(t F ，a u )分别描点并连成曲线，即得驱动力图。

图1.3即为某五档变速器货车的驱动力图。

从驱动力图中可以看出驱动力与其行驶速度的关系及不同档位驱动力的变化。

驱动力图可以作为工具用来分析汽车的动力性。

1.2.2 汽车的行驶阻力汽车在水平道路上等速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力f F 和来自空气的空气阻力W F ；当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服图1.3 汽车驱动力图 重力沿坡道的分力，即坡度阻力i F ；另外汽车加速行驶时还需要克服的阻力即加速阻力j F 。

因此汽车行驶的总阻力为∑=F f F +w F +i F +j F (1.8)上述各种阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的。

坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。

水平道路上等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。

1.2.2.1 滚动阻力汽车行驶时，车轮与地面在接触区域的径向、切向和侧向均产生相互作用力，轮胎与地面亦存在相应的变形。

无论是轮胎还是地面，其变形过程必然伴随着一定的能量损失。