02第二章汽车纵向动力学

1
2
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
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。
Ft≤ FZ ·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。
2.4.1 汽车驱动力—行驶阻力平衡图
一、汽车行驶方程式
根据上面逐项分析的汽车行驶阻力，可以得到汽车
的行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj
或：
T i i tq g 0 T
Gf

CA D
u2 Gi m du
r
21.15 a
dt
为清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡 关系，一般是将汽车行驶方程式用图解法来进行分析。即 在汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空 气阻力也算出并画上，作出汽车驱动力-行驶阻力平衡图， 并以此来确定汽车的动力性。
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。
T

Pe PT Pe
1 PT 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
轮胎与各种路面间的摩擦系数
二、轮胎
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。
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。
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
Fi = Ft - ( Ff + Fw )
以Gsinα作为坡度阻力， 代入表达式，得：
紧凑型轿车的爬坡度曲线
arcsin Ft (Ff Fw )
G
利用驱动力-行驶阻力 平衡图，可求出汽车能爬上 的坡道角。最大爬坡度imax 为1档时的最大爬坡度，对 货车尤其重要。
2.4.2、汽车的动力特性
功率曲线为：
Pe

Pe
m
ax

A
n
np


B

n np
2



n np
3
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。
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。
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

Ttq ig 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。
FF
f
F z2 G b hg LL
FF
f
F hh 因此，对于后轮驱动汽车的附着力为：
G a f 2 L g
g
前轮驱动的汽车的附着力为：
G b f
h
g
F1 L
hg
F F F G cos G 对全轮驱动的汽车附着力为：
2.2.5 汽车的行驶阻力
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
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%
变速器传动效率与传递转矩、润滑 油温度关系
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。
由式（1）得各档位的 Ft值。
发动机转速n与汽车行
驶速度ua间的关系
ua

0.377
rn ig io
单位 ua: km/h n: r/min r: m
二、汽车行驶的附着条件 路面地上面与对驱轮动胎轮切法向向反反作作用用力力的FZ极成限正值比称，为常附写着成力Fφ，在硬 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。
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：
P e
1
T

Gfu a
3600

Giu a
3600

C Au 3
D
a
76140

mu 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）。
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
2.4 汽车的动力性分析
定距离或80% umax所需时间。
汽车加速度：
du dt

1
m
[
Ft
(Ff

Fw )]
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
t

t

dt

u 2
2.3.2 汽车的附着力
汽车的附着力决定于附着系数和地面作用于驱动轮的法向反作用力
为了便于分析，将右图数据 进行简化计算后得：
h G b F F z1 L
g Gsin m du
L
dt

w


h G a F F z1 L
g Gsin m du
L
dt

第二章 汽车纵向动力学
2.1 汽车动力性及评价指标
一、汽车的动力性： 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。 基本概念：
动力性的评价指标 汽车的驱动力与各种行驶阻力 汽车行驶的驱动—附着条件 重点内容：
驱动力-行驶阻力平衡图
分析汽车动力性的方法 （图解法）
动力特性图 功率平衡图
m ——汽车质量，单位为kg；
du ——行驶加速度。 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。 根据推导

1＋ 1 Iw m r2

1
I i i2 2 f g0 T
m 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。
i0
所以
D f
du 0 dt
u 显然， f 曲线与直接档的 D ~ 曲线的交点所对应的车速为最高车速 a
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
D f du
则