汽车理论重点

汽车理论

第一章汽车的动力性

汽车的动力性是指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。

1.1 汽车的动力性指标

汽车动力性主要由汽车的最高车速、加速时间和最大的爬坡度三个指标来评定。

一．最高车速

汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，在水平、良好的路面（混凝土或沥青）上所能达到的最高行驶速度。以符号uamax表示，单位为km/h。

二．汽车的加速时间

汽车的加速时间t反映汽车的加速能力。常用汽车原地起步加速时间与超车加速时间来表明。

原地起步加速时间：在无风的条件下，由停车状态起步后以最大加速强度连续换到最高档后，到某一预定的距离或车速所需的时间。预定距离常用400m 或1000m，预定车速常用100km/h或80km/h。

超车加速时间：在无风的条件下，用最高档或次高档，由一预定车速全力加速到某一高速所需的时间。没有一致的规定，多用由30km/h或40km/h加速到某一高速。

三．最大爬坡度

汽车的最大爬坡度imax反映汽车的爬坡能力。是指汽车在满载（或某一载质量）无风的条件下，在良好的路面上以最低前进档所能爬的最大坡度。

一般越野车imax可达60%即31°左右。

一些国家还规定汽车在常遇的坡道上能以一定的速度行驶来表明汽车的爬坡能力。如要求单车在3%的坡度上能以60km/h的车速行驶。

汽车的驱动力与行驶阻力

确定汽车的动力性，首先要分析沿行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。根据这些力的关系，建立汽车行使方程式，就可以估算汽车的最高车速，加速度和最大爬坡度.

汽车的行驶方程式为:

汽车的驱动力

如图1－2。作用在驱动轮上的转矩Tt，对地面作用一圆周力F0，此时地面对驱动轮的反作用力Ft，即是驱动汽车行驶的外力，定义为汽车的驱动力。

Ft = Tt / r

驱动力公式

若以Ttq表示发动机的输出扭矩，ig表示变速器的传动比，i0表示主减速器的传动比，ηT表示传动系的机械效率，则作用在驱动轮上的转矩Tt为

Tt＝Ttqigi0ηT （Nm）

Ft＝ Ttqigi0ηT /r （N）

由上式可知，汽车的驱动力Ft与发动机转矩、传动系机械效率和传动比及车轮半径有关。

（一）.发动机的转矩

在进行汽车动力估算时，发动机的转矩和功率一般利用在稳定工况下由发动机台架试验测定的使用外特性曲线求得。

发动机特性曲线：

发动机外特性曲线：如图1-3

使用外特性曲线：

在缺少试验数据时，可用近似公式来估算。

3

（二）.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，存在功率损失。如以PT表示传动系的功率损失，则传动系的机械效率为

ηT＝（Pe-PT）/ Pe＝1- PT/ Pe

传动系功率损失分为机械损失和液力损失。传动系效率是在专门的试验台上测得的。

在进行动力性估算时，把ηT看作一个常数。采用有级变速器的轿车ηT 取0.9～0.92；货车、客车ηT取0.82～0.85；越野车ηT取0.80～0.85；也可按表1-1对ηT进行估算。

（三）.车轮的半径

车轮的工作半径和轮胎的结构、气压、承受的载荷及转速等因素有关。

车轮充气后，未承受任何载荷时的半径称为自由半径。

汽车静止时，轮胎因承受载荷产生径向变形，车轮中心至路面与轮胎接触面间的距离称为静力半径rs。

若除径向载荷外，车轮上还作用有转矩，此时车轮中心至路面与轮胎接触面间的距离称为动力半径rd。

车轮半径

如以车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系来换算，则可求得车轮的滚动半径rr。

由于静力半径、动力半径和滚动半径三者差别很小，在一般工程计算时，常不计它们的差别，统称为车轮半径r，认为rs≈rd≈rr≈r

（四）.汽车的驱动力特性图

汽车的驱动力Ft与车速ua的函数关系曲线称为汽车的驱动力特性图。

驱动力Ft的计算公式：

Ft＝ Ttqigi0ηt /r （N）

车速ua 的计算公式：

ua＝0.377rn/igi0 （km/h）

该图能全面地表示出汽车各档驱动力与车速的关系。

二、汽车的行驶阻力

汽车行驶时需要不断地克服所遇到的各种阻力。

当汽车在水平道路上等速行驶时，需克服来自地面的滚动阻力Ff和来自空气的空气阻力Fw；

当汽车在坡道上行驶时，还需克服汽车的重力沿坡道的分力，称为坡度阻力或上坡阻力Fi；

当汽车加速时，还需克服汽车的惯性阻力，称为加速阻力Fj。

因此汽车行驶时所遇到的总阻力为

∑F=Ff＋Fw＋Fi＋Fj

（一）.滚动阻力

车轮的轮胎接近绝对弹性体，图1-10为轮胎在硬路面上受径向载荷时的变形曲线。面积0CADE为加载与卸载过程的能量损失，称为弹性物质的迟滞损失。

迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。地面法向反作用力的分布，前后不对称。合力Fz相对于法线前移一个距离a。

合力Fz与法向载荷W大小相等，方向相反。

将法向反作用力Fz平移至与通过车轮中心的垂线重合，有滚动阻力偶矩Tf＝Fza 。

对从动轮而言，为克服滚动阻力偶矩，使其等速滚动，必须在车轮中心加一推力Fp1，它与地面切向反作用力构成一力偶矩。由平衡条件得：

Fp1r＝Tf Fp1＝Tf/r＝Fza/r＝Wa/r

令f＝a/r，f 称为滚动阻力系数。即单位车重所需的推力。车轮滚动时的滚动阻力即等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积。

Ff＝Wf＝Tf/r

分析汽车滚动阻力时，只要知道f 值。F 值由试验方法确定。影响f值的因素：轮胎、道路、行驶速度等；进行动力性分析时，取良好硬路面的f值。

滚动阻力

驱动轮在硬路面上等速滚动的受力分析：如图1-12。

Fx2r＝Tt－Tf

Fx2＝Ft－Ff

真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶的力为Fx2。

Ft和Ff在受力图上是画不处来的，只是一种定义。

（二）.空气阻力

汽车所受空气力分为空气阻力Fx、侧向力Fy、升

力Fz三个方向的空气力，和由空气力引起的三个方向

的空气力矩，即侧倾力矩Mx、纵倾力矩My和横摆力矩

Mz。

根据空气动力学的理论，在汽车行驶的速度范围

内，空气力通常与气流相对速度的动压力成正比。

公式：Fi＝0.5CiAρur2 i=x、y、z

空气阻力Fw ：汽车直线行驶时受到的空气力在行

驶方向的分力称为空气阻力。

空气阻力的组成：

形状阻力：是汽车表面压差阻力，占气动阻力的

58%左右。

摩擦阻力：是空气的粘滞性在车身表面产生的摩擦力，占气动阻力的9%左右。

诱导阻力：是气动升力产生的纵向水平分力，占气动阻力的7%左右。

干扰阻力：是汽车外部附件阻力，占气动阻力的14%左右。

内部阻力：是汽车内循环阻力，占气动阻力的12%左右。

空气阻力

空气阻力Fw的公式：

Fw＝0.5CDAρua2 ＝ CDAua2 /21.15

根据公式，空气阻力与空气阻力系数CD及汽车迎风面积A成正比。

空气阻力系数可通过风洞试验求得。

迎风面积A可直接在投影面上测得，也可估算。

（三）.坡度阻力

如图1-19，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力Fi，即

Fi＝Gsinαα－道路的坡度

道路坡度除了以角度表示外，道路工程通常用坡高与底长之比的百分率来表示，即 i ＝h/s＝tgα

在坡度较小时：

Fi＝G sinα≈G tgα=Gi

在坡度较大时，近似公式误差较大，按等式计算。

(三)坡度阻力

滚动阻力和坡度阻力都与道路有关，而且与汽车重力成正比，故二者之和通常用道路

阻力Fψ来表示，即

Fψ＝Ff＋Fi＝fGcosα＋G sinα（N）

α小于10°－15°时：

Fψ＝Gf＋Gi＝G(f+i)＝Gψ

ψ—道路阻力系数。

（四）.加速阻力

汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力Fj。

汽车质量分为平移质量和旋转质量。汽车加速时，平移质量加速运动产生惯性力，旋转质量产生惯性力矩。为了便于计算，通常把旋转质量的惯性力矩转化为当量的平移质量的惯性力。

Fj公式： Fj＝δmdu/dt

旋转质量换算系数δ为大于1的数，其值为：

初步计算时，也可利用图1-21确定δ。

汽车行驶方程式

根据上面逐项分析的汽车行驶阻力和力的平衡条件，可以得到汽车的行驶方程式为Ft=Ff＋Fw＋Fi＋Fj

将前述公式代入：

Ttqigi0ηT/r ＝ fGcosα +CDAua2/21.15 +G sinα+δmdu/dt

汽车列车的行驶阻力

汽车列车的行驶阻力仍然可以用上述公式计算，但汽车的总重力应为汽车列车总重力。汽车列车的空气阻力较单车空气阻力大15%左右。换算系数δ应考虑汽车列车所有车轮的旋转质量。

汽车列车的行驶方程式：

Ttqigi0ηT/r ＝ fG'cosα +1.15CDAua2/21.15+G'sinα+δ G' du/gdt

G' －汽车列车总重力。

汽车驱动力平衡图与动力特性图