第二章汽车的动力性

第二章汽车的动力性汽车运输是汽车的最基本的功能，其运输效率由在各种使用条件下的平均速度来体现，主要取决于汽车的动力性。因此，在汽车各种使用性能中，动力性是最重要、最基本的性能。前章结尾回目录本章结尾前章结尾回目录本章结尾前章结尾回目录前章结尾回目录本章结尾前章结尾回目录第二章汽车的动力性第一节汽车的动力性指标第二节汽车行驶时的纵向外力第三节汽车动力性分析第四节汽车行驶的附着条件第五节汽车驱动系统参数的选择第六节汽车动力性试验方法第一节汽车的动力性指标若使汽车具有尽可能高的平均行驶速度，就必须提高汽车的最高车速、加速能力和爬坡能力。汽车的动力性评价指标有——汽车的最高车速，km/h；——汽车的加速时间，s；——汽车的最大爬坡度，%。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，表示汽车以最大可能平均行驶速度运送货物或乘客的能力。maxaVjtmaxi第一节汽车的动力性指标汽车的最高车速指汽车在水平良好的路面（混凝土或沥青路面）上所能达到的最高行驶速度。汽车加速时间分为原地起步加速时间和超车加速时间。原地起步加速时间指汽车由Ⅰ挡或Ⅱ挡起步，并以最大的加速强度（包括选择恰当的换挡时机）逐步换至最高挡后，行驶到某一预定的距离或达到某一车速所需要的时间。其预定距离通常为400m或0.25mile，预定车速通常为100km/h或60mile/h。超车加速时间用最高挡或次高挡由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。采用较多的是低速为30km/h或40km/h，而高速为80%最高车速或某一高速。最大爬坡度是指满载时汽车以Ⅰ挡在良好路面上所能通过的最大坡度。道路和载荷情况对汽车的动力性指标的试验值有重要影响。在进行汽车动力性试验时，其道路条件应为干燥、清洁、平直的混凝土或沥青路面；而各国对载荷条件的规定不同，我国规定为满载，并要求装载均匀；并且，上述指标均应在无风或微风条件下测定。第一节汽车的动力性指标第二节汽车行驶时的纵向外力本节从纵向外力（地面驱动力、行驶阻力）出发，建立汽车的行驶方程式，作为分析汽车的动力性的基础汽车的运动状况取决于汽车所受到的各种外力。因此，以下从分析汽车行驶时所受到的纵向外力（地面驱动力、行驶阻力）出发，建立汽车的行驶方程式，以作为分析汽车的动力性的基础。第二节汽车行驶时的纵向外力一、汽车的驱动力1．汽车驱动力的计算汽车发动机产生的有效转矩经汽车传动系传到驱动轮上；此时，作用于驱动轮上的转矩产生一个对地面的圆周力；地面对驱动轮的反作用力（方向与相反）即是驱动汽车行驶的外力，称为汽车的驱动力。驱动轮的转矩是由发动机的有效转矩经传动系传至驱动轮而产生的，因而取决于发动机所输出的有效转矩、变速器速比、主传动系速比和机械效率。对于普通汽车，驱动轮上的转矩（N•m）的值为tgetiiTT0tTeTeTgi0ittTrTFtt式中：——汽车的驱动力，N；——驱动轮的转矩，N•m；r——车轮半径，m。第二节汽车行驶时的纵向外力tFtT2．汽车驱动力的影响因素影响汽车驱动力的因素包括：发动机有效转矩、变速器速比、主传动系速比、机械效率、车轮半径r。1）发动机有效转矩节气门全开（或高压油泵在最大供油位置）时的速度特性曲线称为发动机的外特性曲线，见图；而节气门部分开启（或部分供油量位置）时的速度特性曲线称为发动机部分负荷特性曲线。和之间有如下关系：发动机在带有空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等全部附件时测得的发动机特性曲线称为发动机的使用外特性曲线，见虚线。9550eeenTPeTgi0itePeT第二节汽车行驶时的纵向外力2）传动系的机械效率发动机发出的功率在经传动系传递至驱动轮的过程中，若产生的功率损失为（kW），则传动系机械效率为:ewetPPPePwP传动系功率损失可分为机械损失和液力损失两大类。机械损失是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失。液力损失是指消耗于旋转零件搅动润滑油、零件表面与润滑油之间的表面磨擦等的功率损失。总成名称传动效率（%）4～6档变速器95副变速器或分动器958档以上变速器90单级减速主减速器96双级减速主减速器92万向节98传动系各总成的传动效率第二节汽车行驶时的纵向外力3）车轮半径r车轮处于无载荷作用时的半径称为自由半径（m）。汽车静止时，在汽车重力作用下车轮中心到轮胎与道路接触面间的距离称为静力半径（m）；车轮承受垂直载荷和转矩时的半径称为动态半径（m）。显然，＞＞。滚动半径是以车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系换算得出车轮半径，即：式中：——车轮转动的圈数；S——滚动圈时车轮前进的距离，m。rrnSr20rsrdr0rsrdrrn第二节汽车行驶时的纵向外力汽车的驱动力与车速之间的函数关系曲线称为汽车的驱动力图，可用于全面表示汽车的驱动力的大小及其变化。利用发动机使用外特性曲线中的转矩曲线，根据发动机输出转矩与汽车驱动力的关系式，可得到驱动力与发动机转速之间的关系曲线。进而根据发动机转速与汽车行驶速度之间的关系，作出驱动力图，即各个挡位下汽车驱动力与车速间的关系曲线。0377.0iinrVgeaeTtFenaV4．汽车的驱动力图驱动力图根据发动机外特性曲线中转矩曲线求得，表明汽车使用各挡位时在各车速下所能产生的驱动力的最大值。第二节汽车行驶时的纵向外力汽车行驶需要的能量取决于其所受到的行驶阻力，其动力性高低决定于汽车的驱动力和行驶阻力的相互作用。汽车的行驶阻力分为稳定行驶阻力和动态行驶阻力两大类。汽车在水平道路上等速直线稳定行驶时，必须克服轮胎与地面相互作用而产生的滚动阻力和车身与空气相互作用而产生的空气阻力；当汽车在坡道上稳定行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力。汽车加速行驶时需要克服与加速度方向相反的动态行驶阻力——惯性力，即加速阻力。第二节汽车行驶时的纵向外力二、汽车的行驶阻力1．滚动阻力车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及二者的相应变形。其相对刚度决定了轮胎和支承路面变形的特点和相对大小。当弹性轮胎在硬路面上滚动时（动力性分析时的道路条件），轮胎的变形是主要的；而当弹性轮胎在软路面上滚动时（通过性分析时的道路条件），支撑路面的沉陷变形是主要的。这些变形都将伴随着能量损失，是滚动阻力产生的根本原因。第二节汽车行驶时的纵向外力第二节汽车行驶时的纵向外力用弹簧轮模型说明弹性轮胎变形导致滚动阻力产生的机理假设弹簧轮周围分布着一个个小弹簧和减振器。车轮滚动过程中，各个弹簧反复交替经历压缩过程和伸展过程，在压缩过程和伸展过程中，需克服减振器阻尼的作用而消耗阻尼功，该克服阻尼做功的过程表现为车轮的滚动阻力。从弹性轮胎受力变形的角度分析，可知这种能量消耗是滚动阻力产生的原因。加载变形过程曲线与卸载变形恢复过程曲线的差异，导致了轮胎接地面上压力分布的变化，进而导致阻碍车轮滚动的阻力偶和阻力的产生。第二节汽车行驶时的纵向外力由于弹性车轮滚动时产生了阻力偶，因此若使从动车轮在硬路面上等速滚动，必须相应在车轮中心施加推力，使之与相应的地面切向反作用力构成力偶矩克服。即：因此：f称为滚动阻力系数，。可见滚动阻力系数指车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，即单位汽车重力所需之推力。这样，在分析汽车行驶阻力时，不必具体考虑车轮滚动时所受到的滚动阻力偶矩，只要知道滚动阻力系数即可求出滚动阻力。1pFfTfTfpTrF1fFraFrTFzztp1zpFFraf1fFFFzpf1第二节汽车行驶时的纵向外力从动轮滚动阻力计算驱动轮在硬路面等速滚动时的受力见图。由于弹性迟滞现象而使驱动轮的法向反作用力的作用点前移了距离，在驱动轮上也产生了滚动阻力偶。由此可见，由于弹性迟滞现象产生的滚动阻力偶，也使驱动轮受到滚动阻力的作用。因此，由驱动力矩产生的驱动力在克服了后，才能转化为作用在驱动车轮上驱动汽车前进的地面切向反作用力。fTftxTTrF2ftftxFFrTrTF2tFfF2xF第二节汽车行驶时的纵向外力滚动阻力的大小取决于滚动阻力系数f。试验表明：滚动阻力系数的大小与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。行驶车速对滚动阻力系数有很大影响，见左图。轮胎的结构、帘线和橡胶的品种不同，轮胎承载后滚动变形量也不同，而且变形后胎面、轮胎内部材料之间的摩擦也有很大差异，因此对滚动阻力系数f的值都有影响。车速和轮胎类型对滚动阻力系数的影响气压对滚动阻力系数的影响第二节汽车行驶时的纵向外力路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面0.010～0.018一般沥青或混凝土路面0.010～0.018碎石路面0.020～0.025良好的卵石路面0.025～0.030坑洼的卵石路面0.030～0.050干燥压紧土路0.025～0.035雨后压紧土路0.050～0.150泥泞土路（雨季或解冻期）0.100～0.250干砂0.100～0.300湿砂0.060～0.150结冰路面0.015～0.030压紧的雪道0.030～0.050滚动阻力系数的数值第二节汽车行驶时的纵向外力路面不同，轮胎滚动时的变形量及由此所引起的弹性迟滞损失也不同，因而其滚动阻力系数不同。汽车在不同路面上以中低速行驶时，其滚动阻力系数的数值范围见表。0.014良好沥青或混凝土路面=0.025卵石路面0.020砂石路面货车轮胎气压高，推荐用如下计算公式来计算滚动阻力系数：汽车转弯行驶时，轮胎发生侧偏现象，滚动阻力大幅度增加。)194001(20aVff0faVf000056.00076.0驱动状态下的轮胎，作用有驱动力矩，使胎面相对于路面有一定滑动，增大了轮胎滚动时的能量损失，表现为滚动阻力系数增大。在进行动力性分析时，若无滚动阻力系数的实验数据，可以用以下经验公式进行估算。第二节汽车行驶时的纵向外力乘用车轮胎的滚动阻力系数2．坡度阻力汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力称为汽车坡度阻力。式中：G——汽车总重力，N。——坡度角，°。道路坡度可以用坡高和底长之比来表示。坡度阻力可以近似用下式计算：式中：i——道路坡度，%。同理，汽车在坡道上行驶时的滚动阻力可用下式计算：坡度较小时，上式近似为：这两种阻力之和称为道路阻力，即：式中：——道路阻力系数，。FiGsinFiGtanGifGFfcosfGFfGifGfGFFFif)()sincos(第二节汽车行驶时的纵向外力第二节汽车行驶时的纵向外力3．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。根据流体力学有关结论，常把汽车空气阻力的总数值总结成与气流相对速度的动压力成正比的计算公式221rDwVACF——空气阻力系数——空气密度42msNDC——迎风面积，，可近似取为轮距与汽车高度的乘积A——相对速度，m/s2mrV2）空气阻力的构成空气阻力主要由压差阻力、诱导阻力、表面阻力、内循环阻力构成。（1）压差阻力作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力称为压差阻力。压差阻力与车身主体形状有很大关系，因而又称为形状阻力，约占整个空气阻力的58%。车辆向前运动时，由于其主体形状所限，表面上的涡流分离现象是不可避免的，被车辆分开的空气无法在后部平顺合拢和回复原状，这样在车辆后部形成涡流区），产生负压，从而使运动方向上产生了阻力。涡流分离的范围越大即涡流区域越大，压差阻力也就越大。第二节汽车行驶时的纵向外力（2）诱导阻力：车辆上部和底部的空气压力不同，这就引起了横向气流以及车辆的升力，横向气流也会在车身表面产生涡流分离现象，造成压差产生所谓诱导阻力。诱导阻力一般占空气阻力的7%左右。（3）表面阻力：表面阻力又称为摩擦阻力，是由于空气的黏性在车身表面产生的切向力的合力。显然，较长的车辆（如大客车）的表面阻力就比较可观。（左图）（4）内循环阻力。发动机冷却系、车身通风等所需空气流经车体内部时由于动量损失构成的阻力即为内