汽车理论超级总结(考研笔记)()4265.pdf
备注：各课次内容中：用红色字标记的是重点，加粗且斜体标记的是难点，既用红色标记又加粗斜体标记的既是重点也是难点。课次 1：内容：第一章、汽车的动力性1-1汽车的动力性指标1-2汽车的驱动力与行驶阻力一、汽车驱的驱动力：发动机的外特性，传动系的机械效率，车轮半径，汽车的驱动力图。课次 2：二、汽车的行驶阻力：滚动阻力 及滚动阻力系数，空气阻力及空气阻力系数，上坡阻力，加速阻力。课次 3：三、汽车的行驶方程式1-3汽车行驶的驱动与附着条件，附着力与附着利用率课次 4：1-4汽车的驱动力行驶阻力平衡：驱动力行驶阻力平衡图，利用驱动力行驶阻力平衡图分析汽车的动力性指标。1-5汽车的动力因数与动力特性图：利用动力特性图分析汽车的动力性指标。课次 5：1-6汽车的功率平衡：利用功率平衡图分析汽车的动力性指标。课后习题：汽车动力性习题试验 1：汽车动力性路上试验课次 6：第二章汽车的燃油经济性2-1汽车燃油经济性的评价指标2-2汽车的燃油经济性计算：汽车发动机的负荷特性与万有特性，汽车稳定行驶时燃油经济性的计算课次 7：2-2汽车的燃油经济性计算：汽车的加速、减速与停车怠速的耗油量计算。2-3影响汽车燃没油经济性的因素：影响汽车燃油经济性的使用因素，影响汽车燃油经济性的结构因素，提高汽车燃油经济性的途径。试验 2：汽车燃油经济性实验课次 8：第三章汽车发动机功率与传动系传动比的选择3-1发动机功率的选择3-2传动系最小传动比的确定课次 9：3-3传动系最大传动比的确定3-4传动系档数与各档传动比的确定课后习题：汽车燃油经济性及传动系统参数选择习题课次 10：第四章汽车的制动性4-1制动性的评价指标4-2制动时车轮的受力：地面制动力、制动器制动力与附着力的关系，滑动率与附着系数的关系。课次 11：4-3汽车的制动效能：汽车的制动减速度，制动距离，汽车制动效能的恒定性4-4制动时汽车的方向稳定性：制动跑偏，制动侧滑。课次 12：4-5前后制动器制动力的比例关系：一、地面对前、后车轮的法向反作用力，前、后制动器制动力的理想分配曲线，二、具有固定比值的前、后制动器制动力实际分配线，同步附着系数及其选择，制动过程分析课次 13：三、在附着系数不同的道路上的制动过程分析、利用附着系数与附着效率。4-6制动力调节：制动力调节原理，制动系限压阀、比例阀，防抱制动系统。课次 14：第七章汽车的通过性7-1汽车通过性概述7-2汽车间隙失效、通过性的几何参数7-3汽车越过台阶、壕沟的能力课后习题：汽车制动性和通过性习题课次 15：第五章汽车的操纵稳定性5-1 概述：操纵稳定性概念，车辆坐标系，刚体运动微分方程。5-2 轮胎的侧偏特性：轮胎坐标系，轮胎侧偏现象与侧偏特性，课次 16：5-2 轮胎的侧偏特性：影响侧偏特性的诸因素，有外倾角时轮胎的滚动。5-3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应：汽车操纵系统的简化模型对前轮角输入的响应：二自由度汽车的运动微分方程式课次 17：5-3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应：汽车的稳态响应，汽车的瞬态响应。5-4 汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系：悬架的侧倾特性，侧倾时左右车轮垂直载荷变化对汽车转向性能的影响课次 18：5-4 汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系：侧倾时车轮外倾角的变化对汽车转向性能的影响，运动侧偏对汽车转向性能的影响。课次 19：5-5 侧偏柔度、不足转向量及气车时域响应的计算课后习题：汽车操纵稳定性习题试验 3：汽车稳态转向试验课次 20：第六章汽车的行驶平顺性6-1 人体对振动的反应和平顺性的评价：人体对振动的反应，汽车行驶平顺性的评价方法与主要指标，研究汽车行驶平顺性的基本方法。2课次 21：6-2 路面的统计特性：路面功率谱，空间频率谱密度转化为时间频率谱密度，路面输入谱。课次 22：6-3 汽车振动系统的简化，单质量系统的振动:单质量系统的自由振动，单质量系统的频率响应特性，单质量系统在路面随机激励下的响应，谱分析与方差（均方根值）的计算。课次 236-4 车身与车轮双质量系统的振动课次 246-4 车身与车轮双质量系统的振动复习课后习题：汽车行驶平顺性习题课次 25：考试汽车理论汽车理论是研究汽车主要使用性能的科学，是在分析汽车运动基本规律的基础上研究汽车主要使用性能与其结构之间的内在联系，分析汽车主要使用性能的各种影响因素，从而指出正确设计汽车和合理使用汽车的基本途径。对汽车提出的使用性能的要求是多方面的，汽车理论主要研究汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等。汽车的动力性学习目标通过本章的学习，应重点掌握汽车的动力性指标，熟练分析汽车的受力情况，深入理解汽车的行驶方程式，并熟练运用汽车的力平衡图和功率平衡图分析汽车的动力性指标。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。汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低很大程度上取决于汽车的动力性。所以，动力性是汽车各种性能中最基本最重要的性能。1.1 节汽车动力性指标从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要有以下三个评价指标。1.1.1 汽车的最高车速maxau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。1.1.2 汽车的加速时间t汽车的加速时间表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有很大影响。常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。原地起步加速时间，指汽车由档或档起步，并以最大的加速强度(包括选择恰当的换档时机)逐步换至最高档后，到某一预定的距离或车速所需的时间。超车加速时间，指用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。由于超车时两车辆并行，容易发生安全事故，所以超车加速能力强，并行行程短，行驶就安全。一般常用 0400m 或 0100km/h 所需的时间来表明汽车的原地起步加速能力。对超车加速能力还没有一致的规定，采用较多的是用最高档或次高档，由某一中等车速全力加速行驶至某一高速所需的时间。轿车对加速时间尤为重视。1.1.3 汽车的最大爬坡度i汽车满载时，在良好路面上的最大爬坡度，表示汽车的上坡能力。显然，汽车的最大爬坡度指档最大爬坡度。轿车最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；而且它的档加速能力大，故爬坡能力也强。货车在各种地区的各种道路上行驶，所以必须具有足够的爬坡能力。实际上，maxi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爬坡度超出很多。这是因为应考虑到在坡道上停车后，顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力等要求的缘故。一般货车maxi在 30%即 16.7左右，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。三个指标的测定，均应在无风的条件下进行。确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状态。因此，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车上的各种外力，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、加速时间和最大爬坡度。8.2 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，就可以估算汽车的各项动力性能指标。汽车的行驶方程式为tFF式中tF汽车驱动力；F行驶阻力之和。1.2.1 汽车的驱动力在汽车行驶中，发动机发出的有效转矩tqT，经变速器、传动轴、主减速器等后，由半轴传给驱动车轮。如果变速器传动比为gi、主减速比为0i、传动系的机械效率为T，则传到驱动轮上的转矩tT，即驱动力矩为TgtqtiiTT0如图 1.1 所示，此时作用于驱动轮上的转矩tT，产生对地面的圆周力0F，则地面对驱动轮的反作用力tF，即为汽车驱动力。如果驱动车轮的滚动半径为r，就有rTFtt/，因而，汽车驱动力为图 1.1 汽车的驱动力riiTFTgtqt0(1.1)下面将对式(1.1)中发动机转矩丁tqT、传动系机械效率T及车轮半径r等作进一步讨论，并作出汽车的驱动力图。1.2.1.1 发动机的外特性发动机的功率、转矩及燃油消耗率与发动机曲轴转速的变化关系，即为发动机的速度特性。当发动机节气门全开，或高压油泵处于最大供油量位置时，此特性称为发动机的外特性，对应的关系曲线称为外特性曲线；如果节气门部分开启，则称为发动机部分负荷特性曲线。图 1.2 为某发动机的外特性曲线。minn为发动1.2.1.2 传动系的机械效率发动机发出的功率eP，经传动系传到驱动车轮的过程中，要克服传动系各部件的摩擦而有一定的损失。若损失的功率为TP，则传到驱动轮的功率为eP-TP，传动系的机械效率T为eTeTeTPPPPP1(1.5)1.2.1.3 车轮半径轮胎的尺寸及结构直接影响汽车的动力性。车轮按规定气压充好气后，处于无载时的半径，称为自由半径。在汽车重力作用下，轮胎发生径向变形。车轮中心与轮胎接地面的距离称为静力半径sr。静力半径小于其自由半径，它取决于载荷、轮胎的径向刚度，以及支承面的刚度。作用于车轮上除径向载荷外，还有转矩。车轮中心至轮胎与道路接触面切向反作用力之间的距离为动力半径。此时轮胎不仅产生径向变形，同时还产生切向变形。其切向变形取决于轮胎的切向刚度、轮胎承受的转矩及转动时的离心惯性力等。以车轮转动圈数n与车轮实际滚动距离S之间关系换算得出的车轮半径，称为车轮的运动半径(滚动半径)rr，即nSrr2(1.6)显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径sr；而作运动学分析时应该用滚动半径rr。但在一般的分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径r，即认为rrrrs1.2.1.4 汽车的驱动力图在各个排档上，汽车驱动力tF与车速au之间的函数关系曲线，称为汽车驱动力图。它直观地显示变速器处于各档位时，驱动力随车速变化的规律。当已知发动机外特性曲线、传动系的传动比及机械效率、车轮半径等参数时，即可作出汽车驱动力图。具体方法如下：（1）从发动机外特性曲线上取若干(en、tqT)。（2）根据选定的不同档位传动比，按式(1)算出驱动力值。（3）根据转速en、变速器传动比gi及主减速比0i，由下式计算与所求tF对应的速度：0377.0iirnugea(1.7)（4）建立tF-au坐标，选好比例尺，对每个档位，将计算出的值(tF，au)分别描点并连成曲线，即得驱动力图。图 1.3 即为某五档变速器货车的驱动力图。从驱动力图中可以看出驱动力与其行驶速度的关系及不同档位驱动力的变化。驱动力图可以作为工具用来分析汽车的动力性。1.2.2 汽车的行驶阻力汽车在水平道路上等速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力fF和来自空气的空气阻力WF；当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服图 1.3汽车驱动力图重力沿坡道的分力，即坡度阻力iF；另外汽车加速行驶时还需要克服的阻力即加速阻力jF。因此汽车行驶的总阻力为FfF+wF+iF+jF(1.8)上述各种阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的。坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。水平道路上等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。1.2.2.1 滚动阻力汽车行驶时，车轮与地面在接触区域的径向、切向和侧向均产生相互作用力，轮胎与地面亦存在相应的变形。无论是轮胎还是地面，其变形过程必然伴随着一定的能量损失。这些能量损失是使车轮转动时产生滚动阻力的根本原因。1.2.2.1.1 弹性车轮在径向加载后卸载过程中形成的弹性迟滞损失当汽车车轮在水平路面上，且不受侧向力作用时，车轮与地面间将产生径向和切向的相互作用力。图 1.4 为轮胎在硬支承路面上受径向载荷时的变形过程及对应的曲线。图 1.4轮胎径向变形曲线a)轮胎受力b)变形曲线从图 1.4 中可见，当弹性车轮在硬支承路面上，对其进行加载和卸载的过程中，径向载荷W与由其引起的轮胎径向变形量A之间的对应关系。加载变形曲线DCA与卸载变形曲线ADE并不重合，则可知加载与卸载不是可逆过程，存在着能量损失。面积OCABO为加载过程中对轮胎所作的功；面积ADEBA为卸载过程中，轮胎恢复变形时释放的功。两面积之差OCADEO即为加载与卸载过程的能量损失。这一部分能量消耗在轮胎各组成部分相互间的摩擦，以及橡胶、帘线等物质分子间的摩擦，最后转化为热能而消失在大气中。这种损失称为弹性物质的迟滞损失。从图 1.4b 中可见，在同样变形量的情况下，处于加载过程的载荷较大，即图中FCFD。这说明当车轮在径向载荷作用下滚动时，由于弹性迟滞现象，使地面对车轮的法向支持力为不对称分布，其法向反力合力作用线，相对于车轮中心线前移了一段距离，因而形成了阻碍车轮滚动的力偶矩。1.2.2.1.2 等速滚动从动轮受力分析及滚动阻力系数图 1.5从动轮在硬路面上滚动时的受力情况a)受力分析b)滚动阻力在水平路面等速直线滚动的汽车从动轮，如图 1.5a 所示，其法向反力的合力1ZF相对车轮垂直中心线前移了一段距离a。a值随弹性损失的增大而增大。车轮所承受的径向载荷W，与法向反力1ZF，大小相等，方向相反，即1ZF=-W。若法向反力1ZF通过车轮中心，则是从动轮在硬路面上等速直线滚动的受力情况，如图1.5b 所示。图中力矩1fT为作用于车轮上阻碍车轮滚动的滚动力偶矩，且1fT=1ZFa。要使从动轮等速直线滚动，1ZF必须通过车轮中心，通过车轴施加以推力1PF，它与地面切向反力1xF构成一力偶矩来克服滚动力偶矩1fT，由车轮中心力矩平衡条件，得1PFr=1fT故所应施加推力为fWraWraFrTFZfP11111或11WFfP式中f称为滚动阻力系数，可见滚动阻力系数是单位汽车重力所需的推力。换言之，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷的乘积。故车轮滚动阻力1fF为111fWrTFff(1.9)这样，在分析汽车的行驶阻力时，可不必具体计算阻碍车轮滚动的力偶矩，而只计算滚动阻力(实际作用在车轮上的是滚动阻力偶矩)。1.2.2.1.3 等速滚动的驱动轮受力分析图1.6为驱动轮在硬路面上等速直线滚动时的受力图。图中2ZF为道路对驱动轮的切向反力，2PT为车架通过悬架给轮轴的反推力，法向反作用力2ZF也由于轮胎弹性迟滞损失，使其作用线前移一段距离a，即在驱动轮上同样作用有滚动力偶矩2fT。由对车轮中心的力矩平衡条件得：图 1.6驱动轮在硬路面上滚动时的受力情况22ftxTTrF222ftftxFFrTrTF(1.10)由上式可见，真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶的力为地面对车轮的切向反作用力2xF，其数值等于驱动力tF减去驱动轮滚动阻力2fF。1.2.2.1.4 滚动阻力系数的影响因素滚动阻力系数与路面种类及其状态、车速及轮胎等有关，其数值通过实验确定。(1)路面种类及其状态对滚动阻力系数的影响表 1.1 列出了车速为 50km/h 时，汽车在各种路面上行驶时的车轮滚动阻力系数值。滚动阻力系数主要受路面的影响。路面的种类及其状态都影响滚动阻力系数。表 1.1滚动阻力系数值路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面一般的沥青或混凝土路面碎石路面良好卵石路面坑洼的卵石路面压紧土路(干燥的)压紧土路(雨后的)泥泞土路(雨季或解冻期)干砂湿砂0.0100.0180.0180.0200.0200.0250.0250.0300.0350.0500.0250.0350.0500.1500.1000.2500.1000.3000.0600.150结冰路面压紧的雪道0.0150.0300.0300.050(2)轮胎的结构和材质对滚动阻力系数的影响子午线轮胎与普通斜交轮胎相比，具有较低的滚动阻力系数。减小帘线层可使胎体减薄，从而可相应降低滚动阻力系数。因此，采用高强力粘胶帘布、合成纤维帘布或钢丝帘布等，均可在保证轮胎强度的条件下减少帘布层数。(3)汽车行驶速度对滚动阻力系数的影响当车速在 100km/h以下时，滚动阻力系数变化不大；当车速在 100km/h以上时，滚动阻力系数随车速提高而增大较快，当车速高到一定数值后，轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不是圆形，出现明显的波浪状。滚动阻力系数迅速增大，轮胎的温度也迅速升高，使轮胎帘线层脱落，几分钟内就会出现爆破现象。(4)轮胎气压对滚动阻力系数的影响轮胎气压对滚动阻力系数的影响很大。在硬路面上行驶的汽车，轮胎气压低时，变形较大，滚动时的迟滞损失增大，滚动阻力系数相应增大。随着轮胎气压增高，硬路面上的滚动阻力系数逐渐减小。汽车在软路面上行驶，气压低，轮胎变形大，使轮胎与地面接触面积增大,单位面积压力下降，地面变形小，使滚动阻力系数相应减小。1.2.2.2 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。它分为压力阻力和摩擦阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力称为压力阻力。摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向上的分力。压力阻力又分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力。形状阻力与车身主体形状有关，流线型越好，形状阻力越小；干扰阻力是车身表面突起物，如后视镜、门把手、车灯等引起的阻力；发动机冷却系、车内通风等空气流经车体内部时构成的阻力，为内循环阻力；诱导阻力是空气升力在水平方向上的投影。对于一般轿车，这几部分阻力的比例大致为：形状阻力占 58%，干扰阻力占 14%，内循环阻力占12%，诱导阻力占 7%，摩擦阻力占 9%。空气阻力中，形状阻力占的比重最大，所以，改善车身流线形状，是减小空气阻力的关键。空气阻力wF(N)的计算公式为15.212aDWAuCF(1.11)式中au相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度(km/h)；A迎风面积(m2)；DC空气阻力系数。空气阻力作用于由风洞试验测得的风帆中心，以代替分布于整个汽车表面的力。为考查汽车造型对空气阻力的影响，在图 1.7 所示的4 种车头和 4 种车尾组合的轿车模型上做空气阻力系数DC值的测定实验。实验结果表明，用完全圆形的车头 C 型，代替挡风玻璃倾角 45阶梯形车头D 型，对减小汽车空气阻力并无明显改善，但比较陡的挡风玻璃(E)或垂直的挡风玻璃(F)，使DC值显著增加。图 1.7轿车模型的空气阻力系数DC由图中所示 Z 型车尾呈细长的 a)DC随车型变化b)汽车模型空气阻力系数DC值最小，但这种造型是不实际的。车尾装上适当尺寸的扰流板、保险杠下部或驾驶室顶部安装适当的导流板，都会减小空气阻力系数。为减小干扰阻力，首要的是减少车身外突起物的数量，其突起物的形状也最好接近流线型。1.2.2.3 坡度阻力如图 1.8 所示，当汽车上坡行驶时，其重力沿坡道斜面的分力iF表现为对汽车行驶的一种阻力，称坡度阻力。坡度阻力iF(N)按下式计算：sinGFi(1.12)式中道路坡度角()。坡道的表示方法是用坡度i，即用坡高h与底长S之比表示：tan%100Shi图 1.8汽车的上坡阻力当坡道角1015时，itansin，则：GiGGFitansin(1.13)由于坡度阻力iF与滚动阻力fF均属与道路有关的汽车行驶阻力，故常把这两种阻力之和称为道路阻力F(N)，即sincosGfGFFFif(1.14)令sincos f，称为道路阻力系数。当坡度角较小时，1cos，isin，则GifGGiGfFFFif)(1.15)1.2.2.4 加速阻力汽车加速行驶时，需克服其质量的惯性，这就是加速阻力jF。汽车质量分为平移质量和旋转质量(飞轮、车轮等)两部分。加速时平移质量要产生惯性力，旋转质量要产生惯性力偶矩，为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩，转化为平移质量的惯性力，并以系数作为换算系数，则汽车加速时的加速阻力jF(N)为，dtdumFj(1.16)式中汽车旋转质量换算系数，(1),主要与飞轮、车轮的转动惯量，以及传动系的传动比有关；m汽车质量，(kg)；dtdu汽车行驶加速度，(m/s2)。1.3 节汽车的行驶方程式与汽车行驶条件1.3.1 汽车行驶方程式根据上节分析的汽车各行驶阻力，可以得到汽车的行驶方程式为jiWftFFFFF或dtdumGAuCGfriiTaDTgtqsin15.21cos20(1.17)该方程式表示了驱动力与行驶阻力的数量关系，但并未经过周密的推导。本节将对汽车各部分取隔离体，进行受力分析，以便更具体确切地说明汽车的总体受力，同时推导出旋转质量换算系数并建立汽车行驶方程式。1.3.1.1 从动轮在加速过程中的受力分析图 1.9加速时车轮的受力图图 1.10加速时驱动轮的受力图1W从动轮上的载荷1m从动轮的质量2W驱动轮上的载荷2m驱动轮的质量1zF地面对从动轮的法向反作用力2zF地面对驱动轮的法向反作用力1WI从动轮的转动惯量2WI驱动轮的转动惯量1PF从动轴对从动轮的推力2PF驱动轴对驱动轮的阻力1zF地面切向反作用力1fT从动轮滚动阻力偶矩2xF地面切向反作用力dtdum1从动轮平移惯性力2fT驱动轮的滚动阻力偶矩dtdIW1绕从动轮重心的惯性力偶tT半轴作用于驱动轮的力矩图 1.9 为加速时从动轮的受力图。根据力(力矩)平衡条件，沿水平方向各力合力为零，即111xPFdtdumF(1.18)绕车轮中心力矩之和为零，即dtdITrFWfx111由于11/ffFrT，rua/，则上式可写成dtdurIFFWfx2111(1.19)故从动轴对从动轮的推力为dtdurImFFWfP)(21111(1.20)可见，推动从动轮前进的推力，要克服两种阻力，即从动轮的滚动阻力和从动轮的加速阻力。加速阻力又由平移质量的加速阻力dtdum1和旋转质量的加速阻力dtdurIW21所组成。1.3.2 汽车的行驶条件由汽车的行驶方程得：)(iWftFFFFdtdugG可见，驱动力必须大于滚动阻力、坡度阻力和空气阻力后，才能加速行驶。若驱动力小于这三个阻力之和，则汽车无法开动，正在行驶中的汽车将减速直至停车。因此，汽车行驶的第一个条件为iWftFFFF(1.25)此条件为汽车行驶的驱动条件，但它并不是汽车行驶的充分条件，实际上，驱动力是受附着力限制的。增加发动机转矩及增大传动比，可以增大驱动力。但驱动力达到路面可能给出的最大切向力，即附着力F时，驱动轮会出现滑转现象，汽车不能前进。附着力是路面对驱动轮切向反力的极限值，在硬路面上，它与驱动轮法向反作用力2zF成正比，即2max2zxFFF驱动轮地面法向反作用力与汽车的总体布置、行驶状况及道路的坡度有关。式中为附着系数，它与路面的种类和状况、车轮运动状况、胎压及花纹有关，行驶车速对附着系数也有影响。在一般动力性分析中只取附着系数的平均值，见表 1.2。表 1.2轮胎与路面间的附着系数路面普通轮胎高压轮胎干燥的沥青或混凝土路面潮湿的混凝土路面潮湿的沥青路面碎石路面(干)碎石路面(潮湿)土路(干)土路(湿)土路(泥)雪路(松软)雪路(压实)冰路面0.700.800.50.450.60.600.700.400.500.500.600.300.400.150.250.200.350.200.350.100.200.500.700.40.350.500.600.300.400.400.500.200.400.150.250.200.350.120.200.080.15硬路面的接触强度大，地面的坚硬及微小的凸起物和轮胎表面的机械啮合作用等，使轮胎与地面之间产生较大的附着力，故附着系数较大。潮湿的路面和微观凸凹、被污秽、灰尘所填的路面，附着系数下降。轮胎气压对附着系数有较大的影响，在干燥的硬路面上，降低轮胎的气压，轮胎与路面微观不平处的啮合面积增大，使附着系数加大。在潮湿的硬路面上，适当提高轮胎气压，可以提高对路面的单位压力，有利于挤出接触处的水分，附着系数提高。此外，在硬路面上行驶的汽车，胎面花纹做成浅而细的形状，可以增强胎面与路面上微观突起物间的啮合作用，有利于提高附着系数。在软路面上行驶的汽车，胎面花纹做成粗而深的花纹，可增大嵌入轮胎花纹内的土壤的剪切断面，达到提高附着系数的目的。轮胎花纹做成具有良好的排水功能的形状，提高汽车在潮湿路面上的附着系数。行驶车速对附着系数也有影响。在硬路面上，车速增加时，轮胎来不及与路面微小凸起部分很好啮合，附着系数下降。雨天在硬路面上行驶，车速提高时，轮胎与路面间的水不易被挤出，使附着系数显著下降。在松软路面上行驶的汽车，由于汽车车速的提高，车轮的作用力很容易破坏土壤的结构，造成附着系数也下降。应当明确，附着力并不是汽车受到的一个力，它只是路面给车轮切向力的极限值。当地面切向力达到此值时，驱动轮将产生滑转，汽车不能行驶，因此，汽车行驶应满足的第二个条件附着条件为(对于后轮驱动的汽车)222zftxFFFFF(1.26)(2fFFzt而f，所以上式可近似为2ztFF 或ztFF(1.27)式中zF作用于所有驱动轮上的地面法向反作用力。联立式(1.25)和式(1.27)得汽车行驶的驱动与附着条件为ztiWfFFFFF(1.28)这就是汽车行驶的必要与充分条件。图 1.12 为汽车加速上坡受力图。可推导出1zF、2zF随上述条件变化而变化的规律。图 1.12汽车加速上坡受力图1.4 节汽车驱动力行驶阻力平衡图与动力特性图1.4.1 驱动力行驶阻力平衡图前面得到汽车的行驶方程式为jiWftFFFFF或dtdugGGAuCGfriiTaDTgtqsin15.21cos20此方程表明了汽车行驶时，驱动力和各行驶阻力之间的平衡关系。当发动机转速特性、变速器传动比、主减速比、机械效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积及汽车总质量等初步确定后，便可利用此式分析汽车在良好路面（沥青、混凝土路面）上的行驶能力，即确定节流阀全开时，汽车能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力。为了清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系，一般是采用汽车行驶方程式用图解法来进行分析的。汽车的驱动力-行驶阻力平衡图就是最基本的一种，将汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力叠加后画在驱动力图上，并表明该叠加量随车速的变化关系曲线。图 1.13 即为一具有五档变速器汽车的驱动力-行驶阻力平衡图。1.4.2 利用驱动力行驶阻力平衡图图解汽车动力性指标利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图，我们可以图解分析汽车的各项动力性指标。图 1.13 汽车驱动力行驶阻力平衡图1.4.2.1 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、良好的路面上，节流阀全开，变速器置于最高档所能达到的车速。根据汽车行驶方程jiWftFFFFF此时，0iF，0jF，WftFFF，即驱动力-行驶阻力平衡图上tF曲线（此时为最高档驱动力曲线5tF）与WfFF 曲线的交点对应的车速，就是最高车速（图中为175km/h）。从图中还可以看出，当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力，这样，汽车就可以利用剩下来的驱动力加速或爬坡，或牵引挂车。当需要在低于最高车速的某一车速(如160km/h)等速行驶时，驾驶员可以关小节流阀开度(图中虚线)，此时发动机只用部分负荷特性工作，相应地得到虚线所示驱动力曲线，以使汽车达到新的平衡。1.4.2.2 汽车的加速能力汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时，能产生的加速度来评价。由于加速度的数值不易测量；一般常用加速时间来表明汽车的加速能力。例如用直接档行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或 80%maxau所需时间（新车一般用 0100km/h 所需的时间）。由汽车行驶方程得：)(WftFFFGgdtdu显然利用图 1.13，可计算得各档的加速度曲线如图 1.14 所示。有的汽车档的值甚大，档的加速度可能比 I 档的还要大。根据加速度图，可以进一步求得由某一车速加速至另一较高车速所需的时间。由于dtduj 故dujtuu211图 1.14汽车的行驶加速度曲线如果画出加速度倒数j1随速度变化的曲线，可用图解积分法求出曲线下的面积，即为加速过程中的加速时间。1.4.2.3 汽车的爬坡能力汽车的爬坡能力是用最大爬坡度来评定。最大爬坡度maxi%是指汽车满载时，在良好路面上以最低档所能爬行的最大坡度。此时汽车在良好路面上克服WfFF 后的力，全部用来克服坡度阻力，故0dtdu，即0jF因此)(WftiFFFF式中，fF应为cosGf，但fF的数值本来就较小，且1cos，故可认为)(sinWftFFFGGFFFWft)(arcsin这样利用图 1.13，即可求出汽车能爬上的坡道角，并相应地求出坡度值，如图 1.15 所示。其中最大爬坡度maxi为档时的最大爬坡度，直接档最大爬坡度max0i亦应引起注意，因为汽车经常是以直接档行驶的，如果max0i过小，迫使汽图 1.15汽车爬坡度图车在遇到较小的坡度时经常换档，这样就影响了行驶的平均速度；其数值按下式求出：GFFFiWtt)(max0max0(1.29)式中max0tF直接档时的最大驱动力。1.4.3 动力因数利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图可以确定汽车的动力性，但不能用来直接评价不同种类汽车的动力性。因为种类不同的汽车，其质量或外形有所不同，因此各行驶阻力也不同，也就是说即使驱动力相近的汽车，其动力性也不相近。所以可以预想到表征动力性的指标，应该是一种既考虑驱动力，又包含汽车自重和空气阻力在内的综合性参数。将汽车行驶方程式进行一定的变换，便可找出评定汽车动力性的参数。jiWftFFFFFdtdugGGFFWtdtdugGFFWt(1.30)式(1.30)的右边是汽车行驶时的道路阻力系数及加速度与g的乘积，左边是汽车本身所具有的参数。若令GFFWt为汽车的动力因数，并以符号 D 表示，则dtdugGFFDWt(1.31)式(1.31)称为汽车的动力平衡方程。由式(1.31)可知，不论汽车自重等参数有何不同，只要有相等的动力因数D，便能克服同样的坡度和产生同样的加速度(设两汽车的值相同)。因此，目前常把动力因数作为表征汽车动力特性的指标。1.4.4 汽车的动力特性图及其应用利用tF-au和)(aWufF的函数关系，根据式(1.31)计算出D并作出D-au关系曲线，因此，目前常把动力因数作为表征汽车动力特性的指标。称为动力特性图，如图 1.16所示。再将汽车滚动阻力系数f随车速au变化关系曲线，以同样的比例尺画在动力特性图上，就可以方便地分析汽车动力特性。1.4.4.1 最高车速在汽车达到最高车速时，0j，0i，故汽车的动力平衡方程式(31)变为fD，即图 15图 1.16动力特性图中高速档动力因数曲线与滚动阻力系数曲线交点处对应的车速为最高车速。1.4.4.2 各档爬坡能力在各档爬最大坡度时，加速度0j，动力平衡方程式为ifD因此，D曲线与f曲线之间的距离，就是汽车各档的爬坡能力。粗略估算时，fDmax，就是汽车的最大爬坡度。实际上,档所能上的坡度一般较大，因此，cos1，sini，故fDimaxmax的误差较太，此时maxmaxmaxsincosfD解此三角函数方程，求得222maxmaxmax11arcsinffDfD然后再根据maxmaxtani换算成坡度。1.4.4.3 加速能力评定汽车的加速能力时，设0i，则动力平衡方程为dtdugfD)(fDgdtdu因此，在汽车动力特性图上，D曲线与f曲线之间距离的g倍；就是汽车各档的加速度。当求直接档加速度时，若粗略判断，可取1，10gm/s2,则加速度值就是D曲线与f曲线之间距离的 10 倍。由上述可见，用动力特性图求解汽车的动力性指标十分合适和方便，在汽车的技术文件中常用动力特性来表征汽车的动力性。在动力特性图上几个重要参数如下：（1）汽车在水平良好路面上的最高车速maxau。（2）档最大动力因数maxD。它可粗略地代表最大爬坡能力。（3）直接档的最大动力因数max0D。它说明了汽车以直接档行驶时的爬坡与加速能力，该值对汽车行驶的平均速度有很大影响。1.5 节汽车的功率平衡汽车行驶时，不仅存在驱动力与行驶阻力的平衡关系，而且也存在发动机功率和汽车行驶的阻力功率间的平衡关系。即发动机发出的有效功率，始终等于机械传动损失与全部运动阻力所消耗的功率。1.5.1 功率平衡方程汽车运动阻力所消耗的功率，有滚动阻力功率fP、空气阻力功率WP、坡度阻力功率iP及加速阻力功率jP，它们的表达式为3600cos10006.3aaffuGfuFP3600sin3600aaiiuGuFP7614036003aDaWWAuCuFPdtdugGuuFPaajj36003600功率平衡方程为)(11jiWfTTePPPPPP即)15.21sincos(36002dtdugGAuCGGfuPaDTae当较小时，isin，1cos，上式可写成)15.21(36002dtdugGAuCGiGfuPaDTae1.5.2功率平衡图及其应用汽车的功率平衡关系也可以用图解法表示。以纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动 机 功 率eP、汽 车 经 常 遇 到 的 阻 力 功 率)(1WfTPP，对应于车速的关系曲线绘在坐标图上，即得到如图 1.17 所示功率平衡图。可见由于发动机功率随车速的变化，实际上是随转速的变化，发动机转速在各档位对应的行驶车速不同，因此得出图示的各档功率与行驶车速的关系曲线。fP在低速范围内为一直线，在高速时由于f是au的一次函数，fP是au的二次函数；而图 1.17汽车功率平衡图WP则是au的三次函数。两者叠加后，阻力功率曲线是一条斜率越来越大的曲线。它与档位无关，只与车速有关，所以高速时，汽车主要克服空气阻力而消耗功率。1.5.2.1 最高车速汽车达最高车速时，0j，0i，则)(1WfTePPP即功率平衡图中，发动机功率曲线(直接档)与阻力功率曲线的交点对应的车速maxau，稍大于最高档时发动机最大功率对应的车速Pu。1.5.2.2 加速能力评价加速能力时，0i，则)(1WfTeTjPPPP所以，不同车速时的加速度为)(13600WfTeaTPPPGugdtdu1.5.2.3 上坡能力评价汽车上坡能力时，0j，粗略计算求出汽车的爬坡度为)(13600WfTeaTPPPGui功率平衡图上，各档功率曲线表示汽车在该档上，不同车速时可能发出的功率。总阻力功率曲线表示在平直良好路上，以不同车速等速行驶时所需要的功率。两者间的功率差值为后备功率，它可以用来使汽车加速、爬坡等。利用功率平衡的方法求解动力性问题显得麻烦。但汽车的速度越高，遇到阻力越大，克服阻力所消耗的功率就越大，因此，功率平衡是从能量转换角度研究汽车动力性的。利用功率平衡，还可以研究行驶时发动机的负荷率，即一定工况下，克服阻力所需发动机发出功率和该工况下发动机能够发出的最大功率的比值，以便研究经济性问题。1.6 节影响汽车动力性的主要因素1.6.1 发动机参数的影响1.6.1.1 发动机最大功率的影响发动机功率愈大，汽车的动力性愈好。设计中发动机最大功率的选择必须保证汽车预期的最高车速。最高车速愈高，要求的发动机功率愈大，其后备功率也大，加速和爬坡能力必然较好。但发动机功率不宜过大，否则在常用条件下，发动机负荷率过低，油耗增加。单位汽车重力所具有的发动机功率GFe称为比功率或功率利用系数。比功率和汽车的类型有关。总重力 49kN(5t)的货车其比功率在较小范围内变化，一般在 75kW/kN 以上。轿车和总重力小于 39.2kN 的货车比功率较大，动力性很好。重型自卸汽车速度低，比功率较小。1.6.1.2 发动机最大扭矩发动机的最大扭矩大，在0i、gi一定时，最大动力因数较大，汽车的加速和上坡能力也强。1.6.1.3 发动机外特性曲线的形状两台发动机的外特性曲线形状不同，但其最大功率和相对应的转速可能相等。假定汽车的总质量、流线型、传动比均为已知，为了便于比较，并假定总阻力功率曲线与两台发动机功率曲线交于最大功率点，后备功率较大的外特性曲线所代表的汽车具有较大的加速能力和上坡能力，因而动力性能较好。同时使汽车具有较低的临界车速，换档次数可以减少，因而有利于提高汽车的平均行驶速度。1.6.2 主减速器传动比0i的影响传动系总传动比是传动系各部件传动比的乘积。普通汽车上没有分动器和副变速器，如果变速器的最高档是直接档，减速器
