02第二章 汽车纵向动力学

轮胎的花纹、结构尺寸、橡胶成分和质量及帘线的材 料等对附着系数都有影响。 花纹细而浅的轮胎在硬路面上具有好的附着性能； 花纹宽而深的轮胎在松软的路面上具有好的附着性能； 增大轮胎与地面的接触面能提高附着能力； 轮胎气压对附着系数影响也很大； 轮胎的磨损也会影响它的附着能力； 此外，轮胎胎面的橡胶性质也是影响轮胎附着能力的 重要因素。
汽车驱动力-行驶 阻力平衡图 表征不同车 速时驱动力和行驶 阻力之间的关系。 特征点：最高车速， 仅有滚动阻力和空 气阻力。 小于最高车 速时，汽车可用剩 余驱动力加速或爬 坡。 需等速行驶 时，发动机可工作 在部分负荷特性。

1. 汽车加速能力的评价 在水平良好路面上行驶时能产生的加速度：不易测量。 加速时间：用直接档行驶时，由最低稳定速度加速到一 定距离或80% umax所需时间。 汽车加速度：
G b f hg
L hg
2

h L h
g

b hg F F f L L

g
对全轮驱动的汽车附着力为：
F F F G cos G
1
不同驱动方式汽车的附着利用率曲线
部分汽车的质心位置
2.3.3 影响附着系数的因素
一、路面
t u2
1
加速时间由积分计算或图解积分求出。 用图解积分法时，将a-ua曲线转为1/a-ua曲线，曲线 下两个速度区间的面积表示通过此速度区间的加速时间； 常将速度区间分为若干间隔，通过确定面积△1、△2…来 计算总加速时间。
2. 汽车爬坡能力的确定 在良好路面上克服Ff+Fw后用来克服坡度阻力时所能爬 上的坡度。此时，du/dt=0，即 Fi = Ft - ( Ff + Fw ) 紧凑型轿车的爬坡度曲线 以Gsinα作为坡度阻力， 代入表达式，得：
du Fj m dt
δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动 系的传动比有关。 I i 2i 2 根据推导
1 I w 1 1＋ 2 m r m
f g 0
T
r2
若不知道准确的If、∑Iw值，也可按下述经验公式估算 δ值：
δ=1+δ1+δ2i2g
式中δ1≈δ2=0.03~0.05。 故，汽车的行驶方程式为： Ft=Ff+Fw+Fi+Fj
2.表达式
Ft =Tt /r r—车轮半径 驱动轮转矩Tt与发动机转矩 Ttq的关系为： 故：
Ft
Ttqig iot r
2.2.2发动机的速度特性
发动机的功率Pe、转矩Tqt及燃油消耗率b与曲轴转速 n之间的函数关系。用试验曲线或拟合多项式表达。 n n 功率曲线为： P P A n B
汽油机和柴油机的外特性曲线
2.2.3 传动系机械效率
传动系各部件（变速器、万向节、主减速器）的摩擦导 致的功率损失。由试验测得。
Pe PT PT T 1 Pe Pe
汽车各部件的传动效率
机械变速器的轿车： η T =0.9~0.92 货车、客车： η T =0.82~0.85
变速器传动效率与传递转矩、润滑 油温度关系
2 3 e e max
np
np np
发动机外特性曲线：发动机 节气门置于全开位置 发动机部分负荷特性曲线： 发动机节气门置于部分开启位 置 台架试验特性曲线：发动 机台架试验时所获得的曲线。 使用外特性曲线：带上全 部附件时的外特性。与台架试 验特性相差5~15%。
汽车在各档下的动力因数与 车速的关系曲线称为动力特 性图。可以此图分析汽车动 力性。 如du/dt=0， 则
D =ψ= f + i
D曲线与f曲线间的距离 表示汽车的上坡能力。
根据最高车速的定义，可知 所以
i0
D f 显然， f 曲线与直接档的 D ~ u 曲线的交点所对应的车速为最高车速
a
du 0 dt
du 1 [ Ft ( Ff Fw )] dt m
再利用汽车驱动力-行驶 阻力平衡图可计算出各档节 气门全开时的加速度曲线。 高档位时的加速度要小些。 由加速度图可求得从某 一车速u1加速至另一较高车 速u2所需的时间。
因：dt=du/a，故
1 t dt du A 0 u a
二、汽车动力性指标



从获取尽可能高的平均速度考虑，动力性指标有： 最高车速 加速时间 最大爬坡度
1.最高车速uamax
在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度（km/h）。
2.加速时间t
表示汽车的加速能力。常用：

原地起步加速时间：汽车以1档或2档起步，并以最大加速强度 换至最高档后达到某一距离（0 402.5m或0 400m）或车速 （0 96.6km/h或0 100km/h）所需要的时间（s）。
2.3 汽车行驶的驱动-附着条件与汽车的附着力 2.3.1 汽车行驶的驱动条件
一、驱动条件 Ft≥Ff+Fw+Fi 上式为汽车的驱动条件，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。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。 二、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，在硬 路面上与驱动轮法向反作用力FZ成正比，常写成 FXmax= Fφ = FZ· φ 其中， FZ—作用于所有驱动轮上的地面法向反作用力； φ—附着系数，由路面和轮胎决定。


2.2 汽车行驶驱动力与行驶阻力
根据沿行驶方向作用于汽车的各种外力， 可以计算汽车的最高车速、加速度、最大爬坡 度。由力平衡关系得： Ft=Σ F Ft—驱动力； Σ F—行驶阻力之和 汽车行驶方程
2.2.1、汽车的驱动力
1.定义
发动机产生的转矩，经传动系至驱动轮，转矩Tt对地面 产生圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。
汽车行驶时的各种阻力： 滚动阻力——以符号Ff表示； 空气阻力——以符号Fw表示； 坡度阻力——以符号Fi表示；
加速阻力——以符号Fj表示；
因此汽车行驶的总阻力为： ∑F=Ff+Fw+Fi+Fj
一、坡度阻力 当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为 汽车坡度阻力Fi，Fi=Gsinα

其中，G—作用于汽车上的重力（N），G=mg，m为汽 车质量（kg），g为重力加速度。
干燥硬实的混凝土或 沥青路面的附着系数较大， 路面潮湿时，轮胎与路面 间的水起到润滑作用，附 着系数降低。 路面的情节程度对附 着系数也有影响。路面被 污物盖住时，附着系数会 降低，特别是刚下雨时， 附着系数会更低，但经过 较长时间雨水冲洗后，附 着系数会有所回升。
轮胎与各种路面间的摩擦系数
二、轮胎
汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力互相平衡，发动机 功率和汽车行驶的阻力功率也总是平衡的。即在汽车行驶的 每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与 全部运动阻力所消耗的功率。 将汽车行驶方程式两边乘以行驶车速ua，经单位换算整 理出汽车功率平衡方程式（单位为kw） 1 Gfu Giu C Au mu du P 3600 3600 76140 3600 dt 汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功 率Pi 、空气阻力功率Pw、加速阻力功率Pj。 1 Pf Pw 发动机功率Pe、汽车常遇到的阻力功率 T 与车速的关系曲线——汽车功率平衡图
评价汽车的加速能力是指汽车在水平良好路面上进行加速行驶，此时
0
，得
du D f g dt

则
du g D f dt
上式表明，在动力特性图上某车速时，动力因数曲线和滚动阻力系数曲线间距离 D f 的 g 倍，就是该车速时所能达到的加速度。
2.4.3 汽车的功率平衡

超车加速时间： 用最高档或次高 档由某一较低车 速（30km/h或 40km/h）全力加 速至某一高速所 需时间（s）。 如：部分轿 车的原地起步加 速过程曲线
3.最大爬坡度imax 汽车的上坡能力。以1档满载时汽车在良好路 面上的最大爬坡度表示。是极限爬坡能力。 轿车：一般不强调 货车： imax =30%（约16.5°） 越野汽车：imax =60% 有时也以汽车在一定坡道上必须达到的车速 来表示爬坡能力。如：美国对轿车爬坡要求，能 以104 km/h车速通过6%的坡道。
一般路面上坡度较小，此时 Fi=Gsinα≈ Gtgα =Gi 由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力， 且均与汽车重力成正比，故可把这两种阻力合在一起称 作道路阻力，以Fψ表示，即Fψ= Ff+Fi= fGcosα+Gsinα， 当α不大时，cosα≈1，sinα≈i，Fψ=Gf+Gi=G(f+i)，令 f+i=ψ，ψ称为道路阻力系数Fψ=Gψ。
三、车速
汽车的行驶速度对附着系数有一定的影响。随着行驶 速度的提高，多数情况下附着系数是降低的。但是在结冰 的路面上，适当的提高行驶速度，附着系数会略有提高。
附着系数与轮胎气压关系 1-干混凝土路面 2-湿混凝土路面 3-软路面 4-积雪路面
附着系数与车速关系 1-干燥路面 2-湿路面 3-结冰路面
由作用在驱动轮上的转矩产生的地面切向反作用 不能大于附着力，否则会发生驱动轮滑转，即： F t≤ F Z · φ 对后轮驱动汽车： FX2/ FZ2 = Cφ2 φ， 式中， Cφ2——后轮驱动汽车驱动轮的附着率 对前轮驱动汽车，前轮驱动的附着率也不能大于 地面附着系数。 将驱动条件和附着条件连起来，有： Ff+Fw+Fi≤Ft≤FZ· φ 此即汽车行驶的必要与充分条件，称为汽车行驶 的驱动-附着条件。
2.2.4汽车的驱动力图
发动机外特性确定的是发动机输出转矩和转速关系。 经传动系到达车轮后，可表示为驱动力与车速间的关系。