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汽车理论超级总结备注：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，谱分析与方差的计算。 课次23 §6-4车身与车轮双质量系统的振动 课次24 §6-4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uamax 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，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imax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 Ft=F 式中 Ft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Ttq，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ig、主减速比为i0、传动系的机械效率为hT，则传到驱动轮上的转矩Tt，即驱动力矩为 Tt=Ttqigi0hT 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F0，则地面对驱动轮的反作用力Ft，即为汽车驱动力。如果驱动车轮的滚动半径为r，就有Ft=Tt/r，因而，汽车驱动力为 图1.1汽车的驱动力 Ft=Ttqigi0hTr (1.1) 下面将对式(1.1)中发动机转矩丁Ttq、传动系机械效率hT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。nmin为发动 1.2.1.2 传动系的机械效率 发动机发出的功率Pe，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PT，则传到驱动轮的功率为Pe-PT，传动系的机械效率hT为 hT=Pe-PTP=1-T (1.5) PePe1.2.1.3 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rs。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 rr=S (1.6) 2pn显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径rs；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 rs=rr=r 1.2.1.4 汽车的驱动力图 在各个排档上，汽车驱动力Ft与车速ua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： 从发动机外特性曲线上取若干(ne、Ttq)。 根据选定的不同档位传动比，按式(1)算出驱动力值。 根据转速ne、变速器传动比ig及主减速比i0，由下式计算与所求Ft对应的速度： ua=0.377rne (1.7) igi0建立Ft-ua坐标，选好比例尺，对每个档位，将计算出的值(Ft，ua)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FW；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Fi；另外汽车加速行驶时还需要克服的阻力即加速阻力Fj。因此汽车行驶的总阻力为 F=Ff+Fw+Fi+Fj (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d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FZ1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FZ1，大小相等，方向相反，即FZ1=-W。 若法向反力FZ1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Tf1为作用于车轮上阻碍车轮滚动的滚动力偶矩，且Tf1=FZ1a。要使从动轮等速直线滚动，FZ1必须通过车轮中心，通过车轴施加以推力FP1，它与地面切向反力Fx1构成一力偶矩来克服滚动力偶矩Tf1，由车轮中心力矩平衡条件，得 FP1r=Tf1 故所应施加推力为 FP1=Tf1r=FZ1Faa=W1=W1f或f=P1 rrW1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Ff1为 Ff1=Tf1r=fW1 (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FZ2为道路对驱动轮的切向反力，TP2为车架通过悬架给轮轴的反推力，法向反作用力FZ2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Tf2。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 Fx2r=Tt-Tf2 TtTf2Fx2=-=Ft-Ff2 (1.10) rr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Fx2，其数值等于驱动力Ft减去驱动轮滚动阻力Ff2。 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 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 滚动阻力系数 0.0100.018 0.0180.020 0.0200.025 0.0250.030 0.0350.050 0.0250.035 0.0500.150 0.1000.250 0.1000.300 0.0600.150 结冰路面 压紧的雪道 0.0150.030 0.0300.050 (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Fw(N)的计算公式为 CAua FW=D (1.11) 21.15式中 ua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)； CD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。 2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CD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CD值显著增加。 图1.7 轿车模型的空气阻力系数CD 由图中所示Z型车尾呈细长的a) CD随车型变化 b)汽车模型 空气阻力系数CD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Fi表现为对汽车行驶的一种阻力，称坡度阻力。坡度阻力Fi(N)按下式计算： Fi=Gsina (1.12) 式中a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： i=h´100%=tana S图1.8 汽车的上坡阻力 当坡道角a<10°15°时， sina»tana=i，则： Fi=Gsina»Gtana=Gi (1.13) 由于坡度阻力Fi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Fy(N)，即 Fs+Gsina (1.14) y=Ff+Fi=fGcoa令y=fcosa+sina，y称为道路阻力系数。 当坡度角a较小时，cosa»1，sina»i，则 Fy=Ff+Fi»Gf+Gi=G(f+i)=Gy (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Fj。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d作为换算系数，则汽车加速时的加速阻力Fj(N)为， Fj=dmdu (1.16) dt式中d汽车旋转质量换算系数，(d1), 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)； du汽车行驶加速度，(m/s2)。 dt1.3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 Ft=Ff+FW+Fi+Fj 或Ttqigi0hTrCAudu (1.17) =Gfcosa+Da+Gsina+dm21.15dt2 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d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 W1 从动轮上的载荷 m1从动轮的质量 W2驱动轮上的载荷 m2驱动轮的质量 地面对驱动轮的法向反作用力 Fz1地面对从动轮的法向反作用力 Fz2IW1从动轮的转动惯量 IW2驱动轮的转动惯量 FP1从动轴对从动轮的推力 FP2驱动轴对驱动轮的阻力 Fz1地面切向反作用力 Tf1从动轮滚动阻力偶矩 Fx2地面切向反作用力 m1du从动轮平移惯性力 Tf2驱动轮的滚动阻力偶矩 dtdw¢IW1绕从动轮重心的惯性力偶 Tt半轴作用于驱动轮的力矩 dt 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 FP1=m1du+Fx1 (1.18) dtdw dt绕车轮中心力矩之和为零，即 Fx1r=Tf1+IW1由于Tf1/r=Ff1，w=ua/r，则上式可写成 Fx1=Ff1+IW1du (1.19) 2rdt故从动轴对从动轮的推力为 FP1=Ff1+(m1+IW1du) (1.20) r2dt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m11.3.2 汽车的行驶条件 由汽车的行驶方程得： dI1dudu和旋转质量的加速阻力W所组成。 dtr2dtGdu=Ft-(Ff+FW+Fi) gdt 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 Ft³Ff+FW+Fi (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Fj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Fz2成正比，即 Fx2max=Fj=Fz2j 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j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 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 普通轮胎 0.700.80 0.5 0.450.6 0.600.70 0.400.50 0.500.60 0.300.40 0.150.25 0.200.35 0.200.35 0.100.20 高压轮胎 0.500.70 0.4 0.35 0.500.60 0.300.40 0.400.50 0.200.40 0.150.25 0.200.35 0.120.20 0.080.15 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) Fx2=Ft-Ff2£Fj=Fz2j (1.26) Ft£Fz2(f+j) 而f«j，所以上式可近似为 Ft£Fz2j或Ft£Fzjj (1.27) 式中 Fzj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 Ff+FW+Fi£Ft£Fzjj (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Fz1、Fz2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 Ft=Ff+FW+Fi+Fj 或 Ttqigi0hTr2CDAuaGdu =Gfcosa+Gsina+d21.15gdt 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Ft=Ff+FW+Fi+Fj 此时，Fi=0，Fj=0，Ft=Ff+FW，即驱动力-行驶阻力平衡图上Ft曲线与Ff+FW曲线的交点对应的车速，就是最高车速。 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%uamax所需时间。 由汽车行驶方程得： dug=Ft-(Ff+FW) dtdG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d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j=故 t=du dtòu2u11du j图1.14 汽车的行驶加速度曲线 如果画出加速度倒数1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j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imax%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Ff+FW后的力，全部用来克服坡度阻力，故du=0，即Fj=0 dt因此 Fi=Ft-(Ff+FW) 式中，Ff应为Gfcosa，但Ff的数值本来就较小，且cosa»1，故可认为 Gsina=Ft-(Ff+FW) a=arcsinFt-(Ff+FW)G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imax为档时的最大爬坡度，直接档最大爬坡度i0max亦应引起注意，因为汽车经常是以直接档行驶的，如果i0max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： i0max=Ft0max-(Ft+FW) (1.29) G式中 Ft0max直接档时的最大驱动力。 1.4.3 动力因数