汽车行驶阻力简介-发动机原理与汽车理论

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。滚动阻力以符号Ff表示，空气阻力以符号Fw表示。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，称为坡度阻力，以符号Fi表示。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力，以符号Fj表示。因此，汽车行驶的总阻力为：

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj

上述阻力中，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。在水平道路上等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。

一、滚动阻力

车轮滚动时，轮胎路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支撑路面的变形。轮胎和支撑路面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬路面（混凝土路、沥青路）上滚动时，轮胎的变形是主要的。此时由于轮胎有内部摩擦产生的弹性迟滞损失，所以轮胎变形时对它做的功不能全部吸收。

图5.3所示为9.00-20轮胎在硬支撑路面上受径向载荷时的变形曲线。图中0CA为加载变形曲线，面积0CAB0为加载过程中对轮胎做的功；ADE为卸载变形曲线，面积ADEBA为卸载过程中轮胎恢复变形时放出的功。由图可知，两曲线并不重合，两面积之差0CADE0即为加载与卸载过程之能量损失。此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。

图5.3　9.00-20轮胎的径向变形曲线

进一步分析便可知这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。当车轮不滚动时，地面对车轮的法向反作用力的分布是前后对称的；但当车轮滚动时，在法线n-n′前后相对应点d和d′[图5.4（a）]变形虽然相同，但由于弹性迟滞现象，处于压缩过程的前部d点的地面法向反作用力就会大于处于回复过程的后部d′点的地面法向反作用力，这可以从图5.4（b）中看出。

图5.4　弹性车轮在硬路面上的滚动

如果将法向反作用力FZ平移至与通过车轮中心的垂线重合，则从动轮在硬路面上滚动时的受力情况可画成图5.4（b）所示的形式，即滚动时有滚动阻力偶矩Tf=FZa阻碍车轮滚动。

由图5.5可知，欲使从动轮在硬路上等速滚动，必须在车轮中心加一推力Fp1，它与地面切向反作用力构成一力偶矩来克服上述滚动阻力偶矩。由平衡条件得：

Fp1r=Tf

故：

若令，且考虑到FZ与W的大小相等，常将Fp1写作：

式中　f——滚动阻力系数。

图5.5　从动轮在硬路面上滚动时的受力情况

可见，滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需推力与车轮负荷之比，即单位汽车中立所需之推力。换言之，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积，即：

且

这样，在分析汽车行驶阻力时就不必具体考虑车轮滚动时所受到的滚动阻力偶矩，而只要知道滚动阻力系数求出滚动阻力便可以了（当然，滚动阻力无法在真正的受力图上表现出来，它只是一个数值）。这将有利于动力性分析的简化。

图5.6所示为驱动轮在硬路面上等速滚动时的受力。图中FX2为驱动力矩Tt所引起的道路对车轮的切向反作用力。Fp2为驱动轴作用于车轮的水平力。法向反作用力FZ也由于轮胎迟滞现象而使其作用点向前移了一个距离a，即在驱动轮上也作用有滚动阻力偶矩Tf。由平衡条件得：

图5.6　驱动轮在硬路面上滚动时的受力

滚动阻力系数由试验确定。滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。表5.1所示为汽车在某些路面上以中、低速行驶时，滚动阻力系数的大致数值。

表5.1　滚动阻力系数f的大致数值

行驶车速对滚动阻力系数有很大影响。图5.7（a）说明，这两种轿车轮胎在车速100 km/h以下时，滚动阻力逐渐增加但变化不大；在某一车速（如140 km/h）以上时增长较快。车速达到某一临界车速（例如200 km/h）左右时，滚动阻力迅速增长，此时轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不再是圆形而呈明显的波浪状。出现驻波后，不但滚动阻力显著增加，轮胎的温度也很快增加到100℃以上，胎面与轮胎帘布层脱落，几分钟内就会出现爆破现象，这对高速行驶的车辆是一件很危险的事情。

图5.7　轿车轮胎的滚动阻力、滚动阻力系数与车速、充气压力的关系

轮胎的结构、帘线和橡胶的品种，对滚动阻力都有影响。图5.7（b）所示为几种不同轿车轮胎的滚动阻力系数随车速与充气压力变化的曲线。可以看出，轮胎充气压力对f值影响很大。气压降低时f值迅速增加，这是因为气压降低时，滚动的轮胎变形大，迟滞损失增加。从图中还可以看出，子午线轮胎的滚动阻力系数较低。

驱动状况下的轮胎作用有驱动转矩，胎面相对于地面有一定程度的滑动，增加了轮胎滚动时的能量损耗。图5.8所示为由试验得到的滚动阻力系数（包含胎面滑动损失）与驱动力系数的关系曲线。驱动力系数为驱动力与径向载荷之比。可以看出，随着驱动力系数的加大，滚动阻力系数迅速增加；从图中还可以看出，子午线轮胎的滚动阻力系数较小，驱动力系数变化对它的影响也较小。

图5.8　滚动阻力系数与驱动力系数的关系曲线

货车轮胎的滚动阻力系数与车速的关系接近于直线，滚动阻力系数的数值较小，车速对滚动阻力系数的影响也不大。

二、空气阻力

汽车是在空气介质中行驶的。汽车相对于空气运动时，空气作用在汽车前部的压力称为空气阻力，用符号Fw表示。

汽车行驶时，围绕汽车的空气形成空气流。空气沿车身表面流过，在汽车后面并不终止，而是形成涡流。地面附近的空气必须从车身底部和路面之间强制通过，因而产生阻力。汽车车身的流线型越好，环绕汽车的空气流线越匀顺，产生的阻力也就越小。

1.空气阻力的组成

空气阻力可分为摩擦阻力和压力阻力两大部分。摩擦阻力是由于空气的黏性在车身表面产生切向力的合力在行驶方向上的分力。摩擦阻力与车身表面质量及表面积有关，占空气阻力的8％～10％。压力阻力是作用在车身表面上法向压力的合力在行驶方向上的分力。

压力阻力包括下列4个部分。

（1）形状阻力。汽车行驶时，空气流经车身，在汽车前方，空气相对被压缩，压力升高；在车身尾部和圆角处，空气稀薄，形成涡流，引起负压。由汽车前后部压力差所引起的阻力称为形状阻力。其值与车身外形有关，占空气阻力的55％～60％。形状阻力与车身主体形状有很大关系。例如，车头、车尾的形状及风窗玻璃的倾角等是影响形状阻力的主要因素。

（2）干扰阻力。凸出于车身表面的部分所引起的空气阻力，如门把手、后视镜、翼子板、悬架导向杆、驱动轴等，占空气阻力的12％～18％。

（3）诱导阻力。汽车上下部压力差（即升力）在水平方向上的分力，占空气阻力的5％～8％。

（4）内循环阻力。发动机冷却系统、车身内通风等所需空气流经车体内部时形成的阻力，占空气阻力的10％～15％。

上述各种阻力各占比例的数值是以轿车为例给出的。由上可见，形状阻力所占比例最大，车身外形是影响空气阻力因素中的主要因素。因此，改进车身的形状设计是减小空气阻力的主要措施。由于车速不断提高，人们不仅对轿车而且对货车的形状也越来越重视。

以上5种阻力（摩擦阻力、形状阻力、干扰阻力、诱导阻力、内循环阻力）的合力在汽车行驶方向上的分力即为空气阻力。通常将空气阻力的作用点称为风压中心。一般它与汽车的重心不重合。风压中心离地高度hw对汽车高速行驶时的稳定性有很大影响。当汽车高速行驶时，hw越高，汽车前轴负荷越轻，严重时可能导致汽车失去操纵。(www.xing528.com)

2.空气阻力的计算

在汽车行驶速度范围内，根据空气动力学原理，空气阻力的数值通常由下式确定：

式中　CD——空气阻力系数，为无因次系数，主要取决于车身形状，其物理意义是单位动压力在每平方米迎风面积上产生的空气阻力；

A——汽车的迎风面积（m2）；

ρ——空气密度，一般ρ=1.225 8（N·s2m-4）；

vr——汽车与空气的相对速度（m/s）。

无风时，vr=汽车行驶速度；

顺风时，vr=汽车行驶速度-风速；

逆风时，vr=汽车行驶速度+风速。

如果无风时汽车行驶速度以va（km/h）计，则上式为：

式中，空气阻力是与空气阻力系数CD及迎风面积A成正比的，从结构上降低空气阻力主要应从降低空气阻力系数CD入手。空气阻力又与速度的平方成正比，汽车行驶速度越高，空气阻力越大，空气阻力相对于滚动阻力的比率就会显著增加。现代汽车的行驶速度很高，因此，空气阻力对汽车的动力性和燃油经济性的影响日益受到重视。所以，降低高速汽车的空气阻力系数CD值就成为试验与研究的重要课题。CD值的大小和汽车外形关系极大，要降低CD值就要求汽车外形的流线型好。CD值可通过风洞试验测定。

3.汽车的迎风面积

汽车的迎风面积是指汽车行驶时受迎面空气流直接冲击的面积，即汽车在垂直于行驶方向平面上的投影面积。在近似计算Fw时，可用下式估算：

对于载货汽车：

A=BH

对于轿车：

A=0.78B1H

式中　B——轮距（m）；

B1——车宽（m）；

H——车高（m）。

各类汽车的空气阻力系数CD和迎风面积A的数值如表5.2所示。

表5.2　各类汽车的空气阻力系数CD和迎风面积A

续表

三、坡度阻力

当汽车上坡行驶时（图5.9），汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力，即：

图5.9　汽车的坡度阻力

式中　G——作用于汽车上的重力，G=mg，m为汽车质量，g为重力加速度。

道路坡度是以坡高与底长之比来表示的，即：

根据我国的公路路线设计规范，高速公路平原微丘区最大纵坡为3％，山岭重丘区为5％；一级汽车专用公路平原微丘区最大坡度为4％，山岭重丘区为6％；一般四级公路平原微丘区为5％，山岭重丘区为9％。所以，一般道路的坡度均较小，此时

sin α≈tan α=i

故

Fi=Gsinα≈Gtanα=Gi

四、加速阻力

汽车加速行驶时，需要克服加速运动时的惯性力，这就是加速阻力Fj。为便于计算，通常把汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时不仅平移质量会产生惯性力，旋转质量也会产生惯性力偶矩。为便于计算，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δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量换算系数，因而，汽车加速阻力Fj可写成：

式中　δ——汽车旋转质量换算系数（δ＞1）；

G——汽车重量（N）；

g——重力加速度（m/s2）；

——行驶加速度（m/s2）。

δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量及传动系统的传动比有关。