汽车纵向动力学基础及性能测试

1.行驶阻力

汽车在道路上行驶，必须克服来自地面的滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力。滚动阻力用F_f表示，空气阻力以符号F_w表示。当汽车在坡道上爬坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力，用符号F_i表示。加速阻力是汽车加速行驶时需要克服的阻力，以符号F_j表示。因此，汽车行驶的总阻力为

在上述各种阻力中，滚动阻力和空气阻力在任何行驶条件下均存在，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）滚动阻力

滚动阻力是由于轮胎与路面接触印迹处的变形作用产生的。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。滚动阻力用下式表达

式中 α——坡道角；

f——滚动阻力系数，它与路面种类及其状态、车速及轮胎等有关，

其数值通过试验确定。

1）路面类型及其状态对滚动阻力系数的影响如表2-2所示。

表2-2 各路面类型滚动阻力系数

（续）

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。减少帘布层可使胎体减薄，从而可相应降低滚动阻力系数。因此，采用高强力黏胶帘布、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（如140km/h），轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不再是圆形，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，使轮胎帘布层脱落，极容易出现爆胎现象。

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。

汽车在松软路面上行驶或轮胎气压低时，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，地面变形加大，使滚动阻力系数相应加大。

滚动阻力系数f与轮胎变形程度成比例增加，而与轮胎的半径成反比。因此，滚动阻力随着载荷的增加、车速的提高和轮胎气压的降低而增大。

（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黏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，流线形越好，形状阻力越小；干扰阻力是车身表面凸起物，如后视镜、门把手、车灯等引起的阻力；发动机冷却系统、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。

对于目前常见轿车而言，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，形状阻力占的比例最大，所以，改善车身流线形状，是减小空气阻力的关键。

（3）坡度阻力

当汽车上坡行驶时，其重力沿坡道斜面的分力表现为对汽车行驶的一种阻力，称为坡度阻力。

（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。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δ作为换算系数，则汽车加速时的加速阻力（N）为

式中 δ——汽车旋转质量换算系数（δ＞1），主要与飞轮、车轮的转动惯量，以及传动系统的传动比有关；

m——汽车质量（kg）；

——汽车行驶加速度（m/s²）。

2.驱动力

（1）驱动力定义

如图2-2所示，发动机产生的转矩，经传动系统至驱动轮，转矩T_t对地面产生轮胎切向力F₀，地面对驱动轮的反作用力F_t即为驱动力。

F_t的表达式如下

式中 r——轮半径。

汽车动力传递路线：发动机→离合器→变速器→副变速器→传动轴→主减速器→减速器→半轴→轮边减速器→车轮。

在不考虑传动系统刚度、阻尼和转动惯量的前提下，驱动轮转矩Ft与发动机转矩T_tq的关系为

下面将对式（2.6）中发动机转矩T_tq、传动系统机械效率η_T及车轮半径r等进行进一步讨论，并给出汽车的驱动力图。

（2）发动机的外特性(www.xing528.com)

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。当汽油机节气门全开，或柴油机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。

传动系统的机械效率：

发动机发出的功率P_e，经传动系统传到驱动车轮的过程中要克服传动系统各部件的摩擦而有一定的损失。若损失的功率P_T，则传到驱动轮的功率P_e-P_T，传动系统的机械效率η_T为

图2-2 轮胎力矩平衡图

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r_s。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）r_r，即

显然，对汽车进行静力学分析时，应该用静力半径r_s；而进行运动学分析时，应该用滚动半径r_r。但在一般的分析中通常忽略它们的差别，统称为车轮半径r，即认为

汽车的驱动力图如图2-3所示。

在各个档位上，汽车驱动力F_t与车速u_a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。

图2-3 汽车驱动力图

当已知发动机外特性曲线、传动系统的传动比及机械效率、车轮半径等参数时，即可做出汽车驱动力图。具体方法如下：

1）从发动机外特性曲线上取若干（n_e，T_tq）。

2）根据选定档位的传动比，按式（2.6）算出驱动力值。

3）根据转速n_e、变速器传动比i_g及主减速比i₀，由式（2.10）计算与所求F_t对应的速度

4）建立F_t-u_a坐标系，对每个档位，将计算出的值（F_t，u_a）分别描点并连成曲线，即得驱动力图。

3.制动时车轮受力分析

图2-4 良好路面行驶时车轮受力图

当车辆在良好硬质路面上行驶时，车轮受力图可简化为图2-4所示的状态。

当驾驶人踩下制动踏板时，踏板上的力通过助力泵和传动机构传递到各车轮的轮缸，制动压力将驱使车轮制动器元件形成摩擦力矩阻止车轮转动，称这种作用在车轮上的摩擦力矩为制动器制动力矩T_u。由于车轮与路面间存在附着作用，车轮对路面产生一个向前的周缘力，称为制动器的制动力F_u，其大小为

式中 T_u——制动器制动力矩；

r——车轮半径。

同时，由于力的相互作用，路面对车轮作用一个向后的作用力F_b，称此为地面制动力。地面制动力由车轮经车轴和悬架系统传递到车架和车身，迫使车辆产生减速度，地面制动力越大，制动减速度也越大，制动距离也越短。如果忽略滚动阻力偶矩和减速时的惯性力，则制动器制动力F_u与制动器制动力矩T_u应有以下关系，即

制动器制动力与踏板力成正比，但地面制动力受车轮与地面之间附着力F_μ的限制。图2-5所示为制动器制动力F_u、地面制动力F_b以及踏板力F_p之间的关系。

图2-5 制动器制动力、地面制动力及踏板力的关系

当踏板力在0～F_p1区间时，地面制动力F_b等于制动器制动力F_u。

当踏板力大于F_p1时，制动器制动力F_u继续增加，而地面制动力由于受地面附着力的限制不再增长。它们之间的关系如下

即得到最大地面制动力为

式中 F_z——作用于轮胎上的地面垂直反作用力；

μ——路面峰值附着系数。