汽车行驶原理：路面变形与轮胎变形引起的滚动阻力

1.驱动力的产生

当汽车行驶时，发动机的输出转矩M_e通过传动系统传给驱动轮，使驱动轮得到一个转矩M_t，由于汽车轮胎与地面接触，在转矩的作用下，接触面上轮胎边缘对地面产生一个向后的圆周力F_o，它的方向与汽车的行驶方向相反。根据作用力与反作用力的关系，地面对轮胎边缘施加一个向前的反作用力F_t，其大小与F_o相等但方向相反。则F_t为驱动汽车的外力，称为汽车的驱动力，如图1-1所示，其大小为

F_t=M_t/R

式中，M_t表示作用于车轮上的转矩（N·m）；R表示车轮半径（m）。

由上式可知，汽车的驱动力F_t与发动机的转矩M_e成正比，与车轮半径R成反比。

充气轮胎的车轮，在不同状态下有不同的半径。

1）自由半径R_o：指车辆处于无载状态下的车轮半径。

2）静力半径R_s：在车重状态下，轮心到地面的距离。

3）滚动半径R_r：在满载行驶状态，根据车轮滚过的圈数n_w和汽车驶过的距离s，由下式计算滚动半径，即R_r=s/2πn_w。

显然，对汽车作运动学分析时，应用滚动半径；而作动力学分析时应用静力半径；作粗略分析时，通常不计其差别，统称车轮半径R，即认为R_r≈R_s≈R。

图1-1 汽车的驱动力

2.附着力

附着力是指由路面提供的切向反作用力的最大值，其大小取决于轮胎与地面的附着系数和轮胎所受的载荷。影响附着力大小的因素有轮胎气压、花纹、运动状态、道路质量、载荷大小等。通常轮胎的气压越低、车速越慢、越野花纹、干燥水泥或柏油路面以及增加载荷质量等都能使附着力增大。

3.汽车行驶阻力

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F_f和来自空气的空气阻力F_w；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，称为上坡阻力F_i；汽车加速行驶时，还需要克服其惯性力，称为加速阻力F_j。因此，汽车行驶的总阻力为：

∑F=F_f+F_w+F_i+F_j

注：滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的。上坡阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。如在水平路面上等速行驶时就没有加速阻力和上坡阻力。

（1）滚动阻力

1）滚动阻力的产生。滚动阻力主要是由于车轮滚动时路面与轮胎的变形以及车轮轴承内的摩擦所引起的阻力。它包括道路塑性变形损失；轮胎弹性迟滞损失；其他损失，如轴承、油封损失，悬架零件间摩擦和减振器内损失等。如汽车在松软路面上行驶时，滚动阻力主要是由路面变形引起的；汽车在硬路面上行驶时，滚动阻力主要是由轮胎变形引起的。(https://www.xing528.com)

2）影响滚动阻力的因素。滚动阻力的大小与轮胎结构、轮胎气压、路面性质及汽车总质量有关。

①轮胎的结构、帘布层及橡胶品种对滚动阻力都有影响。在保证轮胎有足够的强度和寿命的前提下，减少帘布层数，可以使胎体减薄而减小滚动阻力系数。子午线轮胎因帘布层数少，因此，其滚动阻力系数较一般轮胎的滚动阻力系数小，而且随车速的变化小。胎面花纹磨损的轮胎比新轮胎的滚动阻力系数小。

②轮胎气压对滚动阻力影响很大。气压降低时，在硬路面上轮胎变形大，因此，滚动阻力增大；气压过高，在松软路面上行驶时，路面产生很大的塑性变形，将留下车辙，同样会使滚动阻力增大。

③路面的种类和状况不同，使滚动阻力在很大范围内变化。坚硬、平整而干燥的路面，滚动阻力最小。路面不平，滚动阻力将成倍增加，这是因为路面不平会引起轮胎和悬架系统的附加变形及减振器内产生的阻力要成倍地消耗能量。松软路面由于塑性变形很大，使滚动阻力增加很多。

④行车速度对滚动阻力影响很大。车速在100km/h以下时，滚动阻力变化不大；车速在100km/h以上时，滚动阻力增加较快；车速达到某一高速时，如150～200km/h，滚动阻力迅速增加，因为这时轮胎将发生驻波现象，即轮胎周缘不再是圆形而呈明显的波浪状。出现驻波后，滚动阻力显著增加，而且轮胎的温度也很快增加，胎面与轮胎帘布层会产生脱落，出现爆胎现象，这对高速行驶的车辆很危险。

⑤汽车总质量对滚动阻力影响很大。这是由于汽车总质量越大，路面的塑性变形和轮胎的弹性变形将越大，从而引起滚动阻力增加。

（2）空气阻力 如图1-2所示，空气阻力是汽车在行驶时，其表面与空气相摩擦，同时，车身前部受到迎面气体压力及车身后部因空气涡流而产生真空度所引起的阻力。因此，空气阻力包括摩擦阻力和压力阻力两大部分。

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的分力。摩擦阻力与车身表面粗糙度及表面积有关。

压力阻力是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，它包括以下4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；车身尾部和圆角处空气压力较低，形成涡流而引起负压。由于汽车前后部压力差所引起的阻力称为形状阻力。形状阻力的大小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。

2）干扰阻力：突出于车身表面的部分所引起的空气阻力，如门把手、后视镜等。

3）诱导阻力：汽车上下部压力差在水平方向的分力。

4）内循环阻力：发动机冷却系统、车身内通风等需空气流经车体内部时形成的阻力。

综上所述，空气阻力的大小与汽车迎风面积、汽车与空气的相对速度、汽车外廓形状和表面摩擦系数有关。

（3）上坡阻力 上坡阻力是指汽车上坡时，由于汽车重力和坡度所引起的阻力，其大小与汽车总质量和道路纵向坡度角有关。

注：当汽车下坡时，上坡阻力变为汽车行驶的动力。

（4）加速阻力 加速阻力是指汽车在起步和加速时由于惯性所引起的阻力，其大小与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系统的传动比有关。

图1-2 空气阻力示意图