汽车理论

第一章汽车的动力性

第一节汽车的动力性指标

从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要可由三方面的指标来评定:

1)汽车的最高车速uamax

2)汽车加速时间t

3)汽车能爬上的最大坡度imax

最高车速是指在水平良好的路面(混凝土或沥青)上汽车能达到的最高行驶车速。

要进一步说明的是：imax代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道路最大坡度超出很多，这是因为应考虑到在实际坡道行驶时，在坡道上停车后顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力、克服坡道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求的缘故。

越野汽车要在坏路或无路条件下行驶，因而爬坡能力是一个很重要的指标，它的最大爬坡度可达60％即31‘左右。

应指出，上述三方面指标均应在无风或微风条件下测定。有时也以汽车在一定坡道上必须达到的车速来表明汽车的爬坡能力。

第二节汽车的驱动力与行驶阻力

确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。为此，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。根据这些力的平衡关系建立汽车行驶方程式，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

Ft=ΣF

式中，Ft为驱动力；ΣF为行驶阻力之和。

驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。行驶阻力有滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。现在分别研究驱动力和这些行驶阻力，并最后把Ft=ΣF 这一行驶方程式加以具体化，以便研究汽车的动力性。

一、汽车的驱动力

汽车发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上的转矩rt产生一对地面的圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft(方向与F。相反)即是驱动汽车的外力(图1—2)()，此外力称为汽车的驱动力。其数值为

Ft=Tt/r

式中，rl为作田于驱动轮上的转矩；r为车轮半径。

作用于驱动轮上的转矩TL是由发动机产生的转矩经传动系传

至车轮上的。若令Ttq表示发动机转矩，ig表示变速器的传动比，

i0表示主减速器的传动比，VT表示传动系的机械效率，则有

Tt=Ttqigi0ηt

对于装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置的汽车，上式应计人相应的传动比和

机械效率。

因此驱动力为

Ft=Ttigi0ηt/h (1—1)

(一)发动机的转速特性

如将发动机的功率户，转矩rlo以及燃油消耗率A与发动机曲轴转速n之间的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机转速特性曲线或简称为发动机特性曲线。如果发动机节气门全开(或高压油泵在最大供油量位置)，则称此特性曲线称为发动机外特性曲线；如果节气门部分开启(或部分供油)，则称为发动机部分负荷特性曲线。图1-3为一台汽油发动机外特性中的功率与转矩曲线。“min为发动机的最小稳定工作转速，随着发动机转速增加，发动机发出的功率和转矩都在增加，最大转矩Ttqmax时的发动机转速为ntq再增加发动机转速时，Ttq有所下降，但功率继续增加，一直到最大功率户，-，此时发动机转速为np；继续增加转速时，功率下降，允许的发动机最高转速为nmax. 如转矩的单位以N·m表示，功率9的单位以kW表示，转速9以r／min表示，则功率与转矩有如下关系Pe=Ttqn/9550 (1—2)

还应指出，外特性台架试验是在发动机工况相对稳定，即保持水、机油温度于规定的数值，且在各个转速不变时来测量转矩与油耗数值的；而在实际使用中，发动机的工况常是不稳定的。发动机的热状况、可燃混合气的浓度等，与外特性台使用外特性中的功率与转矩曲线架试验时的稳定工况有差异。在加速过程的不稳定工况下，发动机所能提供的功率比稳定工况时要稍有下降，电喷汽油机比化油器汽油机要下降得更少些。在进行动力性估算时，一般仍沿用稳态工况时发动机台架试验所得到的使用外特性中的功率与转矩曲线”。

为了便于计算，常采用多项式来描述由试验台测得的、接近于抛物线的发动机转矩曲线．即

Ttq=a0+a1n+a2n(e2)+....+akn(ek)式中，系数a0,a1,...,ak可由最小二乘法来确定；拟合阶数A随特性曲线而异，一般在2、3、4、5中选取。

可由如下五次多项式来表示：Ttq=160．39-0．110913n十1．36485 ×10(e-4)n(e2) -6．191286 ×10(e-8)n(e2)+1．20898 ×10(e-11)n(e4)-8．85607 ×10(e-16)n(e5)式中Ttq为发动机转矩(N·m)；n为发动机转速(r／min)。

(二)传动系的机械效率

输入传动系的功率户Pin。经传动系传至驱动轮的过程中，为了克服传动系各部件中的摩擦，消耗了一部分功率。如以PT表示传动系中损耗的功率，则传动系的机械效率为ηt=(Pin-PT)/Pin在等速行驶情况下，Pin=Pe，故ηt=(Pe-PT)/Pe=1-PT/Pe传动系的功率损失由传动系中的部件——变速器、传动轴万向节、主减速器等的功率损失所组成。其中变速器和主减速器的功率损失占比重最大，其余部件的功率损失较小。

传动系功率损失可分为机械损失和液力损失两大类。

(三)车轮的半径

车轮处于无载时的半径称为自由半径。

汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面间的距离称为静力半径rs。由于径向载荷的作用，轮胎发生显著变形，所以静力半径小于自由半径。

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为

rr=S/2Лnw式中，nw为车轮转动的圈数；S为在转动nw圈时车轮滚动的距离。

德国橡胶企业协会制定的WdK准则中。给出了在速度为60km／h时的轮胎滚动圆周长Ca，并给出下式以计算不同车速“。时的滚动周长C'R，单位为mm C'R=CR(1+△ua/10000)式中，△ua=ua-60km／h。

显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径r5；而作运动学分析时，应该用滚动半径rr。但一般常不计它们的差别，统称为车轮半径r，即认为

rs≈rr≈r

(四)汽车的驱动力图

一般用根据发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线Ft-ua来全面表示汽车的驱动力，称为汽车的驱动力图。设计中的汽车有了发动机的外特性曲线、传动系的传动比、传动效率、车轮半径等参数后，即可用式(1、1)求出各个挡位的Ft值，再根据发动机转速与汽车行驶速度之间的转换关系求出u。，即可求得各个挡位的Ft-ua曲线。发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为

ua=0.377rn/igi0式中，ua为汽车行驶速度(km／h)；n为发动机转速(r／nfin)；r为车轮半径(m)；ig为变

速器传动比；如为主减速器传动比。

图1—8是具有五挡变速器的一货车驱动力图。

由于驱动力图中的驱动力是根据发动机外特性求得的，因此它是使用各挡位时在一定车速下汽车能发出的驱动力的极值。实际行驶中，发动机常在节气门部分开启下工作，相应的驱动力要比它小。