第一章 汽车动力性

2. 滚动阻力偶分析 车轮不滚动：地面对车轮的法向反作用力对称。 车轮滚动：处于前部d点的地面法向反力（CF）大于处 于恢复的后部d’点地面反力（DF），合力Fz前移距离a， 与法向载荷W不重合。
滚动阻力偶矩Tf=Fza 从动轮：欲使从动轮在硬路面上等速滚动，必须在车轮 中心加一推力Fp1，根据力矩平衡，若令 f=a/r，可将Fp1值 写作Fp1= Wf 或 f = Fp1 /W, f 称为滚动阻力系数。
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： 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 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 汽车行驶 的驱动-附着条件 附着条件。 的驱动 附着条件
1 Fw = C D Aρur2 2
或
其中，ua—汽车车速（km/h），A—迎风面积（m²）， CD—空气阻力系数。故降低CD值是降低空气阻力的主要 手段，措施有：
（1）车身前部：发动机盖下倾，圆柱状棱角，减少 凸出物。 （2）整车：车身前倾1～2，前端半圆、后收、鼓腰。 （3）汽车后部：舱背式或直背式好，加扰流板；如 为折背式，用鸭尾式结构。 （4）车身底部：下平面尽量平整。 （5）发动机冷却进风系统：仔细选择进出风口位置。
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。
第1节 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uamபைடு நூலகம்x
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）。
Ft − ( Ff + Fw ) α = arcsin 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。
二、动力特性图
动力因数 将汽车行驶方程除以汽车重力，定义：
Ft − Fw δdu =D=Ψ+ gdt G
汽车在各档下的动力因数与 车速的关系曲线称为动力特 动力特 性图。 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。
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 最高车速， 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：
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 2η 根据推导
1 ΣI w 1 δ = 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 行驶方程式为： 行驶方程式 Ft=Ff+Fw+Fi+Fj
（二）空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的 分力称为空气阻力。空气阻力分为压力阻力（一般轿车 占91％）与摩擦阻力（9％）两部分。压力阻力又分为四 部分：形状阻力（58％）、干扰阻力（14％）、内循环 阻力（12％）和诱导阻力（7％）。 空气阻力:
2 C D Aua Fw = 21.15
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 ioηt r
3.表达式涉及的几项具体内容
1）发动机转速特性 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。 发动机外特性曲线：发动机 发动机外特性曲线 节气门置于全开位置 发动机部分负荷特性曲线： 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 台架试验特性曲线 机台架试验时所获得的曲线。 使用外特性曲线：带上全 使用外特性曲线 部附件时的外特性。与台架试 验特性相差5~15%。
第3节 汽车驱动力—行驶阻力平衡图与动力特性图 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 行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj 行驶方程式 或： Ttq ig i0ηT C A du = Gf + D u a2 + Gi + δm r 21 .15 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 汽车驱动力汽车驱动力 行驶阻力平衡图， 并以此来确定汽车的动力性。 超速演示
第2节 汽车的驱动力与行驶阻力
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=ΣF Ft—驱动力； ΣF—行驶阻力之和 汽车行驶方程
一、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。
(四) 加速阻力 汽车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部 分。把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性 力，并以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽 汽 车质量换算系数， 车质量换算系数 因而汽车加速时的阻力:
du Fj = δ m dt
δ ——汽车旋转质量换算系数，（δ>1）； m ——汽车质量，单位为kg； du ——行驶加速度。 dt
三、汽车的附着力与地面反作用力 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。 1. 附着系数 由路面种类、状况、车速等决定。平均值： 良好的混凝土或沥青路面： 干燥时，φ＝0.7~0.8 φ 0.7~0.8 潮湿时，φ＝0.5~0.6 土路：干燥时，φ＝0.5~0.6 潮湿时，φ＝0.2~0.4 2. 驱动轮地面法向反作用力 与汽车的总体布置、车身形状、行驶状况、道路坡 度有关。
汽车动力学
第一章 汽车动力性
汽车的动力性： 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： 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： 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
du 1 = [ Ft − ( Ff + Fw )] dt δm
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
S rr = 2πnw
一般可不计差别： r s≈ r r ≈ r
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
rn ua = 0.377 ig io
单位 ua: km/h n: r/min r: m
可见滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所 需之推力与车轮负荷之比，即单位汽车重力所需之推力， Ff=Wf ＝Tf /r。 驱动轮：由驱动轮的力矩平衡得 FX2r = Tt－Tf 故 FX2 = Ft－Ff 其中， FX2为驱动力矩所引起 得道路对车轮的切向反作用力。 即实际作用在驱动轮上的切向 力为驱动力减滚动阻力。 滚动阻力系数由试验确定。 滚动阻力系数与路面的种类、 行驶车速以及轮胎的构造、材 料、气压等有关 。
2）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 = 1− ηT = Pe Pe
汽车各部件的传动效率
机械变速器的轿车： ηT =0.9~0.92 货车、客车： ηT =0.82~0.85
3）车轮半径
三个半径 自由半径 车轮处于无载荷时的半径。 静力半径 rs 汽车静止时，车轮中心至轮胎与地面接触面间的距离。 用作动力学分析。 滚动半径 rr 通过车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系换 算所得得半径。用作运动学分析。
（三）坡度阻力 当汽车上坡行驶时，爬坡演示 爬坡演示汽车重力沿坡道的分 爬坡演示 力表现为汽车坡度阻力 i，Fi=Gsinα 坡度阻力F 坡度阻力 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。 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 ψ=Gψ。 道路阻力系数F 道路阻力系数
二、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）滚动阻力 1.组成 轮胎与路面接触区域产生的法向、切向相互作用力 轮胎和支承路面的变形 轮胎在硬路面上滚动 时，主要是轮胎变形。 轮胎在硬支承路面上受 径向力时的加载和减载曲线 不重合。其面积之差为能量 损失，由轮胎内摩擦产生弹 性迟滞损失。 迟滞损失表现为阻碍车 轮滚动的阻力偶。
第4节 汽车行驶的驱动-附着条件与汽车的附着力
一、汽车行驶的驱动条件 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 轮胎与地面附着条件的限制。 轮胎与地面附着条件 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 φ，在硬 附着力F 附着力 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 附着系数，由路面和轮胎决定。 附着系数
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。
BJ1040轻型载货汽车加速 时间曲线
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：