汽车的行驶阻力

在坚硬、平整且干燥的路面上，滚动阻力系数最小。
路面不平时，滚动阻力系数将成倍增长。因为路面不平引 起的轮胎和悬挂机件的附加变形及减振器内产生的阻力要 成倍地消耗能量。
在松软路面上，由于塑性变形最大，使滚动阻力系数增加 很多。
（4）车速 ua
ua高 f 大 车速在50km/h以下时，滚动阻力系数变化不大。 车速在100km/h以上时，滚动阻力系数增长较快。 车速达到某一高速时，如150～200km/h左右，滚动阻力 系数迅速增长。
2）干扰阻力
突出于车身表面的部分所引起的空气阻力，称为干扰阻力。
后视镜
后视镜设计 也要注重流线形
门把手
悬架导向杆和传动轴
3）诱导阻力
汽车上下部压力差（即升力）在水平方向上的分力，约占空 气阻力的5%~8%
➢由于流经车顶的气流速度 大于流经车底的气流速度， 使得车底的空气压力大于车 顶，从而空气作用在车身上 的垂直方向的压力形成压差， 这就是空气升力
后面应采用鸭尾式结构
4）车身底部
所有零件在车身底部应尽量齐平，最好有平滑的底板盖住 底部。
盖板从车身中部或从车轮以后上翘约6°角，这样可以顺 利地引导车身下的气流流向尾部，减少在汽车 尾部形成的 涡流，使CD值下降。
底部比较凌乱
5）发动机冷却通风系统
恰当选择进出风口的位置、尺寸和形状，很好地设计通风 道，在保证冷却效果的前提下，尽量减小空气内循环阻力。
载货汽车 载货汽车
A BH A 0.78B1H
B——轮距 B1——车宽 H——车高
各类汽车的空气阻力系数CD和迎风面积A的数值见表1-6
一些常见车型的空气阻力系数
车型
帕萨特 奥迪A4 现代 奔驰C级 奔驰S级 保时捷 陆虎览胜
空气阻力系数CD 0.28 0.28 0.29 0.26 0.27 0.31 0.38
试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省7%左右。
货车和半挂车的空气阻力也很重要，货车的外形设计也采 用了减小CD值的方法。驾驶室顶盖、挡风玻璃及前脸在侧 视图上具有大的圆弧，特别是整个驾驶室呈楔形的设计， 可大幅度减小 CD值。
导流板
4.汽车的迎风面积
迎风面积：指汽车行驶时受迎面空气流直接冲击的面积，即 汽车在垂直于行驶方向的平面上的投影面积。 估算公式
令 f a 为滚动阻力系数
r
则 T1 fW1 或
f T1 W1
因 T1 Ff 1
滚动阻力的计算式为 Ff于阻力系数与车轮负荷的乘积
4.驱动轮受力分析
W2——驱动轮的垂直载荷
X2 ——地面切向反作力，由驱动力矩Mt的作用产生
T2 ——驱动轴对车轮的作用力
1.空气阻力的组成 （1）压力阻力（占90％）
➢作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向 上的分力
（2）摩擦阻力（8％～10％）
➢由于空气粘性作用在车身表面产生的切向力的合力在 行驶方向的分力。（与车身表面质量及表面积有关）
压力阻力包括4个部分
1）形状阻力
由汽车前后部压力差所引起的阻力称为形状阻力。 汽车行驶时，空气流经车身，在汽车前方，空气相对被压缩， 压力升高；在车身尾部和圆角处，空气稀薄，形成涡流，引 起负压。 形状阻力与车身主体形状有关，约点空气阻力的55%～60%。 车头、车尾的形状及挡风玻璃的倾角等是影响形状阻力的主 要因素。
一般的沥青或混凝土路面
碎石路面
良好的卵石路面
坑洼的卵石路面
压紧土路
干燥的
雨后的
泥泞土路（雨季或解冻期）
干沙
湿沙
结冰路面
压紧的雪道
滚动阻力系数 0.010~0.018 0.018~0.020 0.020~0.025 0.025~0.030 0.035~0.050 0.025~0.035 0.050~0.150 0.100~0.250 0.100~0.300 0.060~0.150 0.015~0.030 0.030~0.050
Z2 ——法向反作力（由于轮胎的弹性迟滞损失向前移一个距离a2）
Mf2——滚动阻力偶矩
r ——车轮半径 根据驱动轮的平衡条件，得
va Mt
W2
T2
X 2r M t Z2a2 M t M f 2
X2
Mt r
Mf2 r
Ft
Ff 2
a
X2 Z2
Fr2 r
真正驱动汽车行驶的力是地面切向反作用力X2,它的数值应 为驱动力Ft减去驱动轮的滚动阻力Ff2
前后玻璃支柱应圆滑，窗框高出玻璃面的高度应尽可能小。
用埋入式大灯、小灯、雨刷和门把，灯的玻璃罩与车 头、车尾组成圆滑的整体。 后视镜等突出物体的形状应接近流线型。
拱形保险杠之下的杠与车头连成连续圆滑的整体。 在保险杠之下的车头处，安装适当长度的向前方或前下 方伸出的阻流板，虽然它本身会产生一定的阻力，但它能 抑制车头处较大的涡流产生，使整车的气流状态得以改善。
在进行汽车动力性分析时，一般取良好硬路面上的滚动阻力 系数值。 轿车 当va<50km/h时，f=0.0165;当va>50km/h时，f值可按下式估算
f 0.01651 0.01(va 50)
货车（轮胎气压高，行驶速度低 f=0.0076+0.000056ua
1.2.2.空气阻力FW
汽车相对于空气运动时，空气作用在汽车前部的压力 称为空气阻力。
6%
四级公路平原微丘区
6%
四级公路平原重丘区
9%
一般道路的坡度均较小，当α<10⁰~15⁰时
sin tan i
Fi G sin G tan Gi
（1-12）
当坡度较大时，按式1-12计算误差较大，要按（1-11）计算
冷
却 后 制
冷 却
动
器
和
润
滑 系 统
冷 却
前
制
动
发 动 机 和 制 动 器
冷 却 前 制 动 器
器
为发动机提供充足的空气
冷
却
后
制
冷 却 发
动 器
动
机
和
前
制
动
器
减小CD值要遵循的要点总结：
汽车的CD值在不断地降低，如奥迪100-Ⅲ型轿车在奥迪 100-Ⅱ的基础上采用优化措施，使CD值由原来的0.42降至 0.30。预计未来，实际使用的轿车在CD值可达0.2。
3.从动轮受力分析
n
va
W
T
a
a' Ff1
n'
n
va
W
Z1 T1
r
a Ff1
n'
W/N
C
A
D
OE
F
B h/mm
n
va
W
Z1
T1
Ff1
Mn n'
滚动阻力系数及滚动阻力的计算
f—滚动阻力系数
从动轮的平衡条件 T1r M f 1
为克服滚动阻力偶矩Mf1，应加之推力为
T1
M f1 r
Z1
a r
W1
a r
舱背式 Hatch back
Fiat 127 1 h sst
直背式 Fast back
2006-Mercedes-Benz-CLS55-AMG-1
直背式 Fast back
Porsche 356
直背式 Fast back
在汽车后端安装凸起的扰流板。 具有阻滞作用，使流过车身上表面的气充速度降低，从而 降低垂直于后窗表面的负压力的绝对值，使空气阻力减小。
1.2汽车的行驶阻力
汽车在行驶过程中将会遇到哪些行驶阻力？ 如何保证汽车可以加速或爬坡？
滚动阻力Ff
空气阻力Fw
上坡阻力Fi
加速阻力Fj
汽车行驶总阻力 F Ff Fw Fi Fj
1.2.1滚动阻力Ff 1.滚动阻力损失的组成
滚动阻力损失：车轮在路面上滚动时，由轮胎与路面间的 相互作用力及其引起的相应变形所引起的能量损失的总称。
➢安装后扰流板
➢当车速超过120km/h，尾翼会自动升高160mm，为车身增 加30％的下压力；在车速低于80km/h，尾翼又会自动降低
➢应安装后扰流板
在外观上有行李箱的称为折背式车身，它的后窗玻璃与不 平线应尽可能呈30°角，并采用短而高的行李箱。
折背式 notch back
后面应采用鸭尾式结构
（2）气压 ➢气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小，
滚动阻力也越小。
气压过低，在硬路面上轮胎变形大，滚动阻力系数增大； 气压过高，在软路面上行驶时，路面产生很大的塑性变形 ，将留下轮辙，使滚动阻力系数增大。
（3）路面条件
由轮胎
与土壤之 间的粘着 性所致
滚动阻力系数 f 的数值
路面类型
良好的沥青或混凝土路面
临界车速（最高车速） ➢当汽车车速超过临界车速时，轮胎会出现驻波现象，
其周缘呈明显的波浪状，且轮胎温度快速增加。 ➢后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎。
轮胎的两个最重要参数：极限速度和承载量。
➢驻波现象：在高速行驶时，轮胎离开地面后因变形所产生 的扭曲并不立即恢复，其残余变形形成了一种波，这就是驻 波。此时轮胎周缘不再是圆形，而呈明显的波浪形。轮胎刚 离开地面时波的振幅最大，它按指数规律沿轮胎圆周衰减。
滚动阻力系数的数值由试验确定。其数值与轮胎（结 构、材料、气压）、道路（路面的种类与状况）及使用条 件（行驶速度与受情况）有关。
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
（1）轮胎结构
➢子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20%～30％；而且随车速的变化 小。
➢滚动阻力与轮胎的帘线（棉、人造丝、尼龙、钢丝）和橡胶品质有关。 在保证轮胎有足够强度和寿命的前提下，减少帘布层数，可以使胎体减 薄而减小滚动阻力系数。采用合成纤维或钢丝帘线可以减少帘布层数。
3.汽车阻力系数CD
CD值的大小和汽车外形关系极大，要降低CD值就要求
汽车外形的流线型好。可以通过风洞试验测定。
课
1）车身前部
下 自
发动机罩向前下方倾斜，面与面的交接处为大圆弧 查
的圆柱面。
， 什
么
是
风
洞
试
验
？
➢面与面交接处的棱角应为圆柱状
➢面与面交接处的棱角应为圆柱状 过渡不理想
挡风玻璃为圆弧状，尽可能躺平且与中部拱起的车顶盖圆 滑过渡。前窗与水平线夹角为30⁰左右时，CD值最低。
弹性轮胎在硬路面上滚动，轮胎在径向和周向均有变形。
假设：刚性路面
轮胎的变形简化：无数微小弹性体依次被压缩和 恢复松驰。 以径向变形讨论滚动阻力
va n
2
2′
3′ 4′
3
4
加载变形区 n' 卸载变形区
OCABO所做的功与ADEBA放出的功之差即为轮胎变形过程的能量 损失，称为轮胎的弹性迟滞损失。能量消耗于轮胎各组成部分相互间的 摩擦及橡胶帘线寺物质内分子间的摩擦，最后转化为热能消失于气中。
4）内循环阻力
发动机冷却系、车身内通风等所需空气流经车体内部时形成 的阻力。约占空气阻力的10%～15%
2.空气阻力FW的计算
Fw
1 2
CD Aρρr2
CD—空气阻力系数，无因次系数，主要取决于车身形状
物理意义：单位动压力 力。
1 2
ρvr2 在每平方米迎风面积上产生的空气阻
A—迎风面积，m2
ρ—空气密度 1.2258N s2 m4
vr—汽车与空气的相对速度，m/s
无风时，汽车行驶速度以va(km/h)计
Fw
CD Ava2 21.15
空气阻力与空气阻力系数CD及迎风面积A成正比。 从结构上降低空气阻力主要应从降低空气阻力系数CD入手 。 空气阻力与速度的平方成正比，行驶速度愈高，空气阻力愈 大，空气阻力相对于滚动阻力的比率就会显著增加。
整车的滚动阻力，也可引用上面推导出的公式（1-8）将 汽车 在水平面路上直线行驶时的滚动阻力写成下面公式：
F Gf
G——汽车重力 f——滚动阻力系数
式中包含了汽车行驶时轮胎的侧 向变形、切向变形、道路变形及 悬架零件的摩擦所引起的损失。
va Mt
W2
T2
a
X2 Z2
Fr2 r
5.影响Ff 的因素
车轮盖应与轮胎相平
2）整车
在侧视图上，汽车应前低后高，使车身呈1°～2°的负 迎角。 可以减少流入车底的空气量，使CD值下降，并可减少升力。
在俯视图上，车身两侧应为 腰鼓形，前端呈半圆形，后端 有此收缩。
3）汽车后部
在汽车侧视图上，后窗玻璃与水平线呈25°以下的称为 快（直）背式车身；呈25°～50°的称为舱背式车身。 最好采用舱背式或快（直）背式
轮胎变形
硬路面上
产生滚动阻力的主要原因 软路面上
轮胎变形和路面变形
胎面与路面接触部位的相对滑移引起的摩擦阻力，以 及悬架弹簧变形时，悬架机构各零件之间的摩擦阻力都要 消耗能量。
2.轮胎的迟滞损失
轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸载恢复时不能完 全收回，一部分能量消耗在轮胎内部摩擦损失上，产生热 量，这种损失称为轮胎的迟滞损失。
1.2.3.上坡阻力Fi
汽车重力在平行于路面方向上的分力，称为汽车的上坡阻力。
Fi G sin
道路坡度调用坡高与底长之比的百分数来表示，即：
i h 100% tan
s
一些常见路面的坡度
路面
imax
高速公路平原微丘区
3%
高速公路山岭重丘区
5%
一级汽车专用公路平原微丘区
5%
一级汽车专用公路平原重丘区