汽车的动力性

汽车的动力性汽车的动力性是指汽车直线行驶在良好路面上所能达到的平均行驶速度。

1 汽车动力性的评价指标汽车的最高车速Vamax（km／h）：是指在水平良好的路面（混凝土或沥青路）上汽车能达到的最高行驶车速。

加速能力：是指汽车在各种行驶条件下迅速提高行驶速度的能力。

评价指标：原地起步加速时间和超车加速时间。

汽车的最大爬坡度imax（％）：汽车的最大爬坡度是指满载时汽车在良好路面上能顺利通过的最大坡度。

爬坡能力是指车辆在一定坡长及坡度上匀速连续爬坡的能力。

2 汽车动力性的测定条件道路：水泥或沥青路面，干燥、清洁和平直路段，路面最大坡度i≤3％，测试路段长度大于3km。

温度为0~35℃，大气压99.33～101.99kPa，风速不大于3rn／s。

装载：满载、均匀；3 汽车的受力分析汽车的驱动力与行驶阻力的平衡关系式称为汽车的行驶方程式。

即Ft=∑F阻=Ff+Fw+Fi+Fj3.1 汽车的驱动力Ft发动机产生的有效转矩，经传动系传到驱动轮上，此时作用于驱动轮上的转矩Ｍt（N．m）产生一个对地面的圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft，（方向与Fo相反）即是汽车的驱动力，单位为N。

其数值为Ft＝Ｍt/R Mt= Me .ig.io.η式中，R一车轮半径，m。

Me―发动机输出的有效转矩，N ·m ; ig―变速器的传动比；io―主减速器的传动比；η―传动系的传动效率。

3.1.1 发动机转矩发动机的功率Pe、转矩Me以及燃油消耗率ge与发动机曲轴转速n之间的函数关系。

常以曲线表示，则曲线称为发动机的速度特性曲线，如图1所示。

发动机外特性曲线：加速踏板位置最大即发动机节气门全开时的速度特性曲线；发动机特性曲线常是在试验台上未带空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等条件下测得的，带上全部附件时的发动机特性曲线称为使用特性曲线。

3.1.2 传动系的机械效率发动机所发出的功率Pe，经传动系传至驱动轮的过程中，为克服传动系各部件中的摩擦，会消耗掉一部分功率Pt，传动系的机械效率为η＝1一Pt／Pe传动系功率损失可分为机械损失和液力损失。

机械损失是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失。

液力损失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等的功率损失。

式中，R一车轮半径，m ；Ttq——作用于驱动轮上的转矩，N。

图1 汽车发动机的外特性曲线图2 汽车驱动力一行驶阻力平衡图3.1.3 车轮半径R：自由半径R0；静力半径Rs；滚动半径Rr。

在一般的分析中常不计它们之间的差别，统称为车轮半径R，即R≈Rs≈Rr3.2 汽车的行驶阻力汽车直线行驶时其总阻力为∑F＝Ff十Fw十Fj十Fi滚动阻力Ff和空气阻力Fw是在任何行驶条件下都存在的，坡度阻力Fi和加速阻力Fj仅在一定行驶条件下存在。

汽车下坡时Fi为负值，此时汽车重力沿坡道的分力已不是汽车的行驶阻力而是动力。

同样，汽车减速行驶时惯性作用是使汽车前进的，Fi也为负值，也不是阻力。

3.2.1 滚动阻力Ff：来自地面与轮胎相互作用而产生的力。

（1）滚动阻力的产生车轮滚动时，轮胎与路面在接触区域内产生法向和切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的变形。

轮胎和路面的变形都伴随着能量损失，这些能量损失是产生滚动阻力的根本原因滚动阻力等于滚动阻力系数车轮负荷的乘积F f＝W．f（2）车轮滚动的能量损失①轮胎变形损失：车轮在硬路面上的滚动时，表现为轮胎变形的弹性迟滞损失，即轮胎橡胶、帘布等材料内的分子摩擦损失，以及内胎与外胎、轮胎与轮辋、橡胶与帘布层等轮胎各组成物间的机械摩擦损失。

②路面变形的能量损失：车轮在软路面上的滚动损失大部分是消耗于土壤变形时其微粒间的机械摩擦损失。

③轮胎与路面间的摩擦损失：一般比较小。

（3）滚动阻力系数的影响因素①轮胎的结构、材料和气压保证轮胎具有足够的强度和使用寿命的条件下，采用较少的帘布层、较薄的胎体以及采用较好的轮胎材料均可减少轮胎滚动时的迟滞损失，减小滚动阻力系数。

在硬路面上行驶的汽车多采用低压轮胎，轮胎气压降低，轮胎在滚动过程中的变形加大，迟滞损失增加，因而低压轮胎比高压轮胎有较高的滚动阻力系数。

在软路面上行驶的汽车，降低轮胎气压可增大轮胎与地面的接触面积，降低轮胎对地面的单位压力，减小土壤变形，轮辙深度变浅。

因而由于土壤变形而引起的滚动阻力减小，滚动阻力系数较小。

但过多的降低轮胎气压，致使轮胎变形过大，由于轮胎变形而引起的滚动阻力急速增长，亦可导致滚动阻力系数增加。

②行驶车速对滚动阻力系数的影响。

行驶速度较低时，滚动阻力系数无显著变化。

高速行驶时，滚动阻力系数迅速增长。

③滚动阻力系数与径向载荷的关系。

载荷增加使轮胎变形增加，加大迟滞损失，因而滚动阻力系数也增加，但影响很小。

④对滚动阻力系数影响最大的是路面的类型、表面状态和力学物理性质等当路面无变形时，滚动损失仅由轮胎变形损失所决定；当路面有变形时，滚动损失大部分为路面变形损失所组成，且其数值较大。

所以混凝土路面、沥青路面、碎石路面、土路、沙地、雪地、冰道等路面类型和干燥、潮湿、有无尘土和雪等表层、高低凹凸不平程度等表面状态以及道路粒度、多孔度、抗压强度、抗剪强度等力学物理性质都会影响路面变形的大小和性质。

不仅如此，在不同路面上，不同的轮胎型式、结构、材料、尺寸、气压和不同的行驶车速、受力情况对滚动阻力系数的影响也不相同。

3.2.2 空气阻力Fw：汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力。

空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力两部分。

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。

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。

在汽车行驶范围内，空气阻力Fw为Fw=Cd.A.Vr／21.15Cd---空气阻力系数；A----迎风面积；Vr----汽车与空气的相对速度m/s3.2.3 坡度阻力Fi：当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力。

即Fi＝W．i式中，W----作用于汽车上的重力，N。

道路坡度以坡高和底长之比来表示，即i＝H/S=tana3.2.4 加速阻力Fj：汽车加速行驶时，克服其质量加速运动时的惯性力。

Fj=δ．m．a式中，δ---汽车旋转质量换算系数（δ＞1）；m——汽车质量，kg；a ——行驶加速度，m／s²。

3.3 汽车行驶条件3.3.1 汽车的驱动力平衡方程：表示汽车驱动力与行驶阻力之间关系的等式。

即Ft=∑F阻=Ff+Fw+Fi+Fj = Ｗ．f+ Cd.A.Vr／21.15 +Ｗ．i+δ．m．a3.3.2 汽车行驶的驱动条件——必要条件Ft≥Ff十Fw十Fi汽车行驶除受驱动条件制约外还受轮胎与地面附着条件的限制。

即地面作用在驱动轮上的切向反作用力受地面接触强度的限制。

3.3.3 汽车行驶的附着条件地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力Fφ，常写成Fφ＝Fz. φΦ-----附着系数。

Fz----驱动轮法向反作用力附着系数是由路面与轮胎决定的。

地面切向反作用力不能大于附着力，否则将发生驱动轮滑转现象，即Ft≤Fz．Φ此即为汽车行驶的第二个条件——附着条件。

3.3.4 汽车行驶的驱动一附着条件Ff十Fw十Fi ≤Ft≤Fz．Φ附着力并不是地面对车轮作用的一个力，而是限制驱动力的一个条件。

3.3.5 影响附着系数的因数①路面的种类和状况松软土壤的抗剪强度较低，其附着系数较小。

车轮在松软路面上滚动时，土壤变形较轮胎变形大，轮胎花纹的凸起部分嵌入土壤，这时附着系数的数值不仅取决于轮胎与土壤间的摩擦，同时取决于土壤的抗剪强度，因为只有在嵌入轮胎花纹凹入部分的土壤被剪切后，车轮始能滑转。

潮湿、泥泞的土路、土壤表层因吸水量多，路面间的液体起着润滑剂的作用，抗剪强度更差，附着系数下降很多。

坚硬路面的附着系数较大，因为在硬路面上，轮胎的变形远较路面的变形为大，路面的坚硬微小凸起部分嵌入轮胎的接触表面，使接触强度增大。

路面的结构对排水能力也有很大影响。

路面的宏观结构应有一定的不平度而具有自动排水的能力；路面的微观结构应是粗糙而且有一定的尖锐棱角，以穿透水摸直接与胎面接触。

②轮胎的结构、材料和气压具有细而浅花纹的轮胎在硬路面上有较好的附着能力；而在软土壤上，具有宽而深花纹的轮胎则可得较大的附着系数。

花纹纵向排列的轮胎所能传递的侧向力较高；而横向或人字形排列的花纹的轮胎则传递切向力的能力较大。

增加胎面的纵向条纹，在干燥的硬路面上，由于接触面积减小，φ值有所下降；但在潮湿的路面上有利于挤出接触面中的水分，改善附着能力。

现代轮胎的胎面上有纵向曲折大沟槽，胎面边缘上有横向沟槽，使轮胎在纵向、横向均有较好的抓地能力，又提高了在潮湿路面上的排水能力。

胎面上大量的细微花纹，由于胎面在接地过程中的微小滑动，进一步擦去接触面间的水膜，这样轮胎接地面积后部可以与路面直接接触，因而提供足够的附着力。

轮胎的材料轮胎材料不同，附着系数也不同，合成橡胶轮胎较天然橡胶轮胎有较高的附着系数。

轮胎气压不同，附着系数也不同，降低轮胎气压，可使硬路面上φ值略有增加，所以采用低压胎可获得较好的附着性能。

在松软路面上，降低轮胎气压，则轮胎与土壤的接触面积增加，胎面凸起部分嵌入土壤的数目也增多，因而附着系数显著提高。

如果同时增加车轮轮辋的宽度，则效果更好。

对于潮湿的路面，适当提高轮胎气压，使轮胎与路面的接触面积减小，有助于挤出接触面间的水分，使轮胎得以与路面较坚实的部分接触，因而可提高附着系数。

③使用因素对附着系数的影响汽车行驶速度提高时，多数情况下附着系数是降低的。

这对汽车的高速制动尤为不利。

在硬路面上提高行驶速度时，由于路面微观凹凸构造来不及与胎面完善地嵌合，所以附着系数有所降低。

在潮湿的路面上提高行驶速度时，由于接触面间的水分来不及排出，所以附着系数显著降低。

在软土壤上，由于高速车轮的动力作用容易破坏土壤的结构，所以提高行驶速度对附着系数产生极不利的影响。

只有在结冰的路面上，车速高时，与轮胎接触的冰层受压时间短，因而在接触面间不容易形成水膜，故附着系数略有提高。

但在冰路上提高行驶速度会使行驶稳定性变差。

3.3 驱动力－行驶阻力平衡图把汽车行驶中的滚动阻力和空气阻力之和以同样坐标和比例尺画上，得到汽车驱动力一行驶阻力平衡图，如图2所示，并以它来确定汽车的动力性。

根据汽车最高车速的定义，最高挡位的驱动力曲线与行驶阻力（Ff + F w）曲线的交点所对应的车速即为汽车的最高车速Ｖmax 。

4 合理利用汽车动力性4.1 汽车结构参数对动力性的影响4.1.1发动机参数对汽车动力性的影响1 ）发动机的外特性2 ）最大功率汽车上配备的发动机的功率越大，则汽车的动力性越好，但功率过大，汽车行驶中发动机经常在小负荷下工作，经济性降低。