12 汽车的驱动力与行驶力

1.2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=tF∑F式中——汽车驱动力；tF∑F——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∑=tFF这一行驶方程式加以具体化，以便研究汽车的动力性。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，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、主减速比为、传动系的机械效率为tqTgi0iTη，则传到驱动轮上的转矩，即驱动力矩为tTTgtqtiiTTη0=如图1-1所示，此时作用于驱动轮上的转矩，产生对地面的圆周力，则地面对驱动轮的反作用力，即为汽车驱动力。如果驱动车轮的滚动半径为tT0FtFr，就有rTFtt/=，因而，汽车驱动力为rFTgtqtiiTη0=(1-1)下面将对式(1-1)中发动机转矩T、传动系机械效率tqTη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），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。为发动机最低稳定工作转速，随着发动机转速的增加，发动机发出的功率和转矩都在增加，最大转矩时的发动机转速为，再增大发动机转速时，有所下降，但功率继续增加，一直达到最大功率，此时发动机转速为；继续提高发动机转速，其功率反而下降。允许的最高转速，一般取(1.1～1.2)。minnmaxtqTtqntqTePmaxePPnmaxnPn如转矩单位用N·m表示，功率单位用kW表示，转速用r/min表示,它们之间有如下关系：tqTePen9549etqenTP=(1-2)发动机制造厂提供的发动机特性曲线，一般是在试验台架上不带空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等附属设备条件下测试得到的。如果带上上述附属设备，测得的发动机外特性的最大功率约小15%；转速为时，功率约小2%～6%；转速再低时，两者相差更小。此外，由于在试验台架上所测的发动机工况相对稳定，而在实际使用中，发动机的工况通常是不稳定的，但由于两者差别不显著，所以在进行动力估算时，仍可用稳态工况时发动机的试验数据。max5.0n1.2.1.2传动系的机械效率发动机发出的功率，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，则传到驱动轮的功率为-，传动系的机械效率ePTPePTPTη为eTeTeTPPPPP−=−=1η传动系的功率损失由传动系中各部件——变速器、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所占比重最大，其余部件功率损失较小。损耗的功率含机械损失功率和液力损失功率。机械损失功率是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失的功率，其大小决定于啮合齿轮的对数，传递的转矩等因素。液力损失功率是指消耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件之间的表面摩擦功率。其大小决定于润滑油的品质、温度、箱体内的油面高度，以及齿轮等旋转零件的转速。液力损失随传动零件转速提高、润滑油面高度及粘度增加而增大。传动系的机械效率是在专门的实验装置上测试得到的。在动力性计算时，-机械效率取为常数。采用有级机械变速传动系的轿车取0.9～0.92，货车、客车可取0.82～0.85。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。汽车静止时，车轮中心与轮胎接地面的距离称为静力半径。由于径向载荷的作用，轮胎发生显著变形，所以静力半径小于其自由半径。sr以车轮转动圈数与车轮实际滚动距离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)，即wnSrrwrnSrπ2=显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径；而作运动学分析时应该用滚动半径。但在一般的分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径srrrr，即认为srrrr≈≈1.2.1.4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u之间的函数关系曲线来全面表示汽车驱动力，称为汽车驱动力图。它直观地显示变速器处于各挡位时，驱动力随车速变化的规律。tFa当已知发动机外特性曲线、传动系的传动比、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(n、T)。etq（2）根据选定的不同挡位传动比，按式(1)算出驱动力值。（3）根据转速、变速器传动比及主减速比，由下式计算与所求对应的速度：engi0itF0377.0iirnugea=（4）建立-坐标，选好比例尺，对每个挡位，将计算出的值(，)分别描点并连成曲线，即得驱动力图。tFautFau图1-3即为某五挡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挡位驱动力的变化。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和来自空气的空气阻力；当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，即坡度阻力；另外汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。因此汽车行驶的总阻力为fFWFiFjF∑=FfF+++wFiFjF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、切向的相互作用力，轮胎与地面亦存在相应的变形。轮胎在硬路面上滚动时，轮胎变形是主要的。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。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。加载变形曲线与卸载变形曲线OCAADE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。面积为加载过程中对轮胎所作的功；面积OCABOADEBA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δ的情况下，处于加载过程的载荷较大，即图中＞。这说明当车轮在径FCFD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。aFTzf=1.2.2.1.2等速滚动从动轮受力分析在水平路面等速直线滚动的汽车从动轮，如图1-5a所示，其法向反力的合力相对车轮垂直中心线前移了一段距离。a值随弹性损失的增大而增大。车轮所承受的径向载荷，与法向反力，大小相等，方向相反，即=－W。1ZFaW1ZF1ZF若法向反力通过车轮中心，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。图中力矩为作用于车轮上阻碍车轮滚动的滚动力偶矩，且=。要使从动轮等速直线滚动，必须通过车轮中心，通过车轴施加以推力，它与地面切向反力构成一力偶矩来克服滚动力偶矩，由车轮中心力矩平衡条件，得1ZF1fT1fT1ZFa1ZF1PF1xF1fT1PFr=fT故所应施加推力为1fPZTaFFWfrr===或1PFfW=式中称为滚动阻力系数，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ffF为ffTFfr==W22(1-3)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中为道路对驱动轮的切向反力，T为车架通过悬架2ZF2P给轮轴的反推力，法向反作用力也由于轮胎弹性迟滞损失，使其作用线前移一段距离，即在驱动轮上同样作用有滚动力偶矩T。由对车轮中心的力矩平衡条件得：ZFa2fxFtfrTT=−2ftxtfTTFFrr=−=−F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，其数值等于驱动力减去驱动轮滚动阻力2xFtFfF。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1-2给出了汽车在某些路面上以中、低行驶时，车轮滚动阻力系数的大致值。(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；在某一车速（如140km/h）以上时，增长较快。当车速达到某一临界车速（例如200km/h）左右时，轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不是圆形而出现明显的波浪状。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。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。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、车内通风等所需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(N)的计算公式为wF15.212aDWAuCF=(1-4)式中——相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度(km/h)；auA——迎风面积(m2)；——空气阻力系数。DC现代车身空气动力学工程师认为，低值的轿车车身应遵循下列要点(参看图1-7)DC(1)车身前部发动机盖应向前下倾。面与面交接处的棱角应为圆柱状。挡风玻璃应尽可能“躺平”且与车顶圆滑过渡。前支柱应圆滑，侧窗应.与车身相平。尽量减少灯、后视镜等凸出物，凸出物的形状应接近流线型。在保险杠下面的前面，应装有合适的扰流板。车轮盖应与轮胎相平。(2)整车整个车身应向前1°～2°。水平投影应为“腰鼓”形，后端稍稍收缩，前端呈半圆形。(3)汽车后部最好采用舱背式(hatchback)或直背式(fastbeak)。应有后扰流板。若用折背式(notchhack)，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些，后面应有鸭尾式结构，参看图1-7b。（4）车身底部所有零部件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。（5）发动机冷却进风系统仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱、精心设计的内部风道。1.2.2.3坡