第三章汽车的动力性

第三章汽车的动力性第一页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车的动力性是指汽车在良好的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。表示了汽车以最大可能的平均行驶速度运送货物或乘客的能力。汽车的动力性是汽车各种性能中最重要、最基本的性能。第二页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车的动力性良好的路面直线行驶平均行驶速度运输效率等最基本的性能纵向受力行驶方程式动力性评价指标第三页，共六十页，编辑于2023年，星期四3.1汽车驱动力和行驶阻力通过对汽车驱动力和行驶阻力的分析，确定行驶方程式，就了解汽车的运动状况，从而估算汽车的最高车速、加速度和最大爬坡度。第四页，共六十页，编辑于2023年，星期四第五页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车动力传动过程第六页，共六十页，编辑于2023年，星期四发动机变速器减速器等传动系驱动轮驱动力行驶阻力滚动阻力坡度阻力加速阻力空气阻力第七页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车的驱动力与行驶阻力的平衡关系式称为汽车的行驶方程式。汽车行驶方程式为： Ft=ΣF 式中:Ft——汽车的驱动力；ΣF——汽车行驶阻力之和。第八页，共六十页，编辑于2023年，星期四第九页，共六十页，编辑于2023年，星期四一、汽车的驱动力汽车发动机的转矩经传动系传至驱动轮，驱动轮便产生一个作用于路面的圆周力F0，路面则对驱动轮产生一个反作用力Ft(Ft与F0大小相等，方向相反)，即驱动汽车的外力，称为汽车的驱动力，其数值为Ft＝F0＝Tt/r式中：Tt——作用于驱动轮上的转矩(N·m)；r——车轮半径(m)。第十页，共六十页，编辑于2023年，星期四图3-1汽车驱动力TractiveForce第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四输入功率×机械效率＝输出功率第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四传动系的机械效率发动机所发出的功率Pe经传动系传至驱动轮的过程中，为了克服传动系各部件中的摩擦，会消耗掉一部分功率PT。传动系的机械效率为：ηT＝1—PT／Pe 传动系的机械效率因受到多种因素的影响而有所变化，但在进行汽车动力性的初步分析时可把它看作一个常数。第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四传动系的功率损失由传动系中的部件——变速器、传动轴、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，其余部件的功率损失较小。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、油封等处的磨擦损失。机械损失与啮合齿轮的对数、传递的转矩等因素有关。液力损失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等功率损失。液力损失与润滑油的品种、温度、箱体内的油面高度以及齿轮等旋转零件的转速有关。

第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四

a、机械损失是齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失。该损失与啮合齿轮的对数、传递的转矩等因素有关。b、液力损失是消耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件之间的表面摩擦等功率损失。液力损失与润滑油的品种、温度、箱体内的油面高度以及齿轮等旋转零件的转速有关。第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四机械效率的检测在专门的试验台上测得。直接档时，啮合的齿轮不传递扭矩，因此比其他档位效率高。同一档位转矩增加时，润滑油损失所占比例减少，机械效率较高；转速低时搅油损失少，比转速高时机械效率要高。0.9~0.92轿车（有级）0.82~0.85货车与客车0.8~0.85越野车第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四（3）车轮半径轮胎的尺寸及结构直接影响着汽车的动力性。车轮处于无载荷作用时的半径，称为自由半径ro。

汽车静止时，在车重作用下，轮胎产生以径向变形为主的变形，车轮中心到轮胎与道路接触面间的距离称为静力半径rs。车轮的静力半径小于其自由半径。如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，则称其为车轮的滚动半径。第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四

rr=S/2πn

式中n——车轮转动的圈数；

S——在转动n圈时车轮滚动的距离。动力学分析时，应该用静力半径（自由半径）；而作运动学分析时，应该用滚动半径，但一般分析中常不计它们的差别。第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四（4）汽车的驱动力图一般用驱动力与车速之间的函数关系曲线Ft—Va来全面表示汽车的驱动力，称为汽车驱动力图。汽车驱动力图直观地表示变速器处于各档位时，驱动力随车速变化的规律。第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

由于驱动力图由发动机外特性变换后得到的，它表示使用各个档位时不同车速下汽车所能发出驱动力的极限值。在汽车行驶中，加速踏板常处于部分行程位置，相应驱动力也位于驱动力图相应曲线的下面。

第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四二、汽车的行驶阻力汽车在道路上行驶必须克服来自地面与轮胎相互作用而产生的滚动阻力和来自车身与空气相互作用而产生的空气阻力。滚动阻力用Ff表示，空气阻力用Fw

表示。当汽车在坡道上行驶时，还要克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力，以符号Fi表示。汽车直线行驶的时候还需要克服加速阻力，以符号Fj表示。因此，汽车直线行驶时其总阻力为:

ΣF=Ff+Fw+Fi+Fj

在上式中，滚动阻力和空气阻力在任何时候都存在，坡度阻力和加速阻力在特定的条件下才存在。第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车行驶时所需要的功率取决于行驶阻力：当匀速加速第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四（1）滚动阻力车轮滚动时，车轮和路面在接触区域内产生法向和切向的相互作用力，以及相应的轮胎和支承路面的变形。这种变形取决于轮胎和地面的相对刚度。轮胎在硬路面上滚动时，轮胎变形是变形的主要成份；而当轮胎在松软地面滚动时，主要变形为地面的沉陷变形。无论是轮胎还是路面的这些变形都伴随着能量损失。这些能量损失是产生滚动阻力的根本原因。第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四迟滞损失在弹性车轮在硬路面上滚动时，车轮的变形是主要的，这种损失称为弹性物质的迟滞损失。这种弹性迟滞损失表现为阻碍车轮运动一种的阻力偶。轮胎在滚动时，有两种变形：第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四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，即单位汽车重力所需之推力。在分析阻力的时候，不必具体考虑车轮滚动时所收到的滚动阻力偶矩，只要知道滚动阻力系数就可以求出阻力。注意：驱动力，滚动阻力Ff是无法在受力图上表现出来，只是为了便于计算分析，而引进的。（力偶）第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四滚动阻力与路面的类型与路况、行驶车速以及轮胎的结构、材料、充气压力、磨损情况等有关。滚动阻力系数f的数值

路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面一般的沥青或混凝土路面碎石路面良好的卵石路面坑洼的卵石路面压紧土路：干燥的雨后的泥泞土路（雨季或解冻期）干砂湿砂结冰路面压紧的雪道0.010～0.0180.018～0.0200.020～0.0250.025～0.0300.035～0.0500.025～0.0300.025～0.0350.050～0.1000.100～0.3000.060～0.1500.015～0.0300.030～0.050第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四对轿车轮胎试验发现，车速低于100km/h，滚动阻力逐渐增加，但变化不大；当车速超过140km/h时，滚动阻力增加很快；当车速达到某一临界车速（200km/h），滚动阻力迅速增加。此时，轮胎发生驻波现象，轮胎轮缘呈现明显的波浪状。除了阻力快速增加，轮胎温度也很快增加100℃以上，胎面与帘布层脱落，数分钟后就会出现爆胎。这是高速行驶车辆的一种很危险工况。轮胎的结构、帘线和橡胶的品种对滚动阻力都有影响。子午线轮胎的滚动阻力系数较低。轮胎充气压力对f值有很大影响，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，迟滞损失增加的缘故。第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四轮胎充气压力对滚动阻力系数f影响也较大。轮胎充气压力降低时，轮胎变形增大，迟滞损失增加，而使滚动阻力Ff增加。据德国奥迪试验表明，轮胎气压比规定压力增加10％，可有较好的节油效果，且不降低轮胎的使用寿命。但是，轮胎充气压力不可过高，否则就会降低轮胎寿命和增加道路早期损坏。第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期四驱动轮的滚动阻力大于从动轮的滚动阻力。这是因为在驱动力矩作用下，胎面与接触地面存在一定的滑动，增加能量损耗。驱动力越大，滚动阻力系数越大。汽车转弯行驶时，轮胎发生侧偏现象，滚动阻力增加。例如，通用公司DFW1100型34.5吨半挂车汽车在半径33m的圆周行驶试验表明，转弯行驶的滚动阻力比直线行驶时增加50%～100%。第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四影响滚动阻力的因素：1）车重：W↑轮胎变形↑f↑2）路面：路面塑性变形大f↑3）轮胎结构：子午线胎比普通胎f↓刚度好变形小4）轮胎气压：气压↓变形↑f↑坏路f↑5）车速：当ua＜50km/hf≈c当ua＞100km/hf↑当ua↑，振动Hz↑，轮胎周向，侧向扭曲变形↑第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四（2）空气阻力定义：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。分类：空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力两个部分。据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的80％被用于克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性。压力阻力定义：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力阻力。分类：形状阻力，干扰阻力，内循环阻力和诱导阻力。摩擦阻力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。第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车行驶空气作用空气阻力压力阻力（法向力）摩擦阻力（切向力）形状阻力内循环阻力诱导阻力干挠阻力第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四形状阻力58%干挠阻力14%内循环阻力12%诱导阻力7%摩擦阻力9%第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四形状阻力是压力阻力的主要部分，与车身主体形状有很大关系。干扰阻力是车身表面突起物如：后视镜、门把、引水槽、悬架导向杆、驱动轴等引起的阻力。内循环阻力是发动机冷却和车身通风等空气流动引起的阻力。诱导阻力是空气升力在水平方向的投影。第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四（3）坡度阻力当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力

Fi；，即

Fi=Gsinα 式中：G——作用于汽车上的重力，N。汽车的坡度阻力第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力，而且均与汽车重力成正比，故可把这两种阻力合在一起称作道路阻力，以Fφ表示，即

Fφ=Ff＋Fi=fGcosα＋Gsinα

第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四（4）加速阻力汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力Fj。汽车加速阻力可写作：式中：δ——汽车旋转质量换算系数，（δ＞1）；m——汽车质量，单位为kg;——行驶加速度。第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车驱动力—行驶阻力行驶方程式汽车的基本参数汽车的动力性能最高车速加速能力爬坡能力第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车驱动力—行驶阻力驱动力行驶阻力爬坡能力的确定驱动力Ft空气阻力Fw滚动阻力Ff爬坡能力等速第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四三、汽车行驶的驱动——附着条件与汽车的附着力

1.汽车行驶的驱动——附着条件汽车行驶的驱动力必须大于滚动阻力、坡度阻力和空气阻力后才能加速行驶。若驱动力小于这三个阻力之和，则汽车无法开动，正在行驶的汽车将减速直至停车。所以汽车行驶的第一个条件为:

Ft≥Ff+Fw+Fi

上式是汽车行驶的必要条件，称为汽车的驱动条件，但还不是汽车行驶的充分条件。通过加大发动机转矩、加大传动比等措施来增大汽车驱动力，但是这些措施只有在驱动轮和地面不发生打滑现象时有效。

第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四如果打滑，无论如何增大转矩，都不能增大地面的切向反作用力。这种现象说明，该切向反作用力受地面接触强度的限制，即汽车行驶除受驱动条件制约，还受轮胎与地面附着条件的限制。2.汽车的附着力。汽车的附着力取决于附着系数以及地面作用于驱动轮的法向反作用力。驱动轮地面法向反作用力与汽车的总体布置、行驶状况及道路的坡度有关。在一定附着系数的路面上，不同驱动方式的汽车具有不同的汽车附着力。

第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四附着力是由路面与轮胎决定的，切向反作用力不能大于附着力，大于后会发生驱动轮打滑的现象。第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四这就是汽车行驶必要与充分条件，称为汽车行驶的驱动—附着条件。驱动力大动力性强驱动力大足够的附着力（切向力）动力性强满足轮胎与地面的附着条件第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期四2、汽车的附着力附着力取决于附着系数以及地面作用于驱动轮的法向反作用力。汽车的附着力地面附着系数法向反作用力路面的种类和表面状况行驶车速车轮的运动状况汽车的总体布置行驶的状况车身的形状道路的坡度第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期四汽车的附着力主要取决于附着系数及地面作用在驱动轮的地面法向反作用力。附着系数主要取决于道路的种类和表面状况，同时也与轮胎结构，胎面花纹以及使用条件。一般动力性分析只需取附着系数的平均值。驱动轮地面法向反作用力与汽车的总体布置、行驶状况及道路的坡度有关。2、汽车的附着力

第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期四只有四轮驱动的汽车才能够充分利用整部汽车的重力来产生汽车附着力。前轮驱动汽车的附着利用率不如后轮驱动的汽车，为克服此缺点，前轮驱动轿车的质心位置都布置的偏前。第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期四四、影响汽车动力性的因素

1.汽车结构参数对动力性的影响（1）发动机参数对汽车动力性的影响发动机的外特性、最大功率和最大转矩对汽车动力性影响最大。在附着条件允许时，显然，发动机功率转矩越大，汽车的动力性就越好。但发动机功率过大，也是不合理的，一方面发动机功率过大将导致发动机尺寸、质量、制造成本增加，特别是运行时的燃油经济性显著下降；另一方面，汽车驱动力的提高受到附着条件的限制，不能无限地加大，所以过大地增大发动机功率也是无益的。

通常用发动机比功率（即发动机最大功率与汽车总重力之比）来衡量汽车发动机功率匹配。发动机比功率的大小对汽车的动力性和燃油经济性等有很大影响，是选择发动机功率的重要依据之一。

第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期四（2）传动系参数对汽车动力性的影响。

1）传动效率传动系机械效率越高，传动损失功率越小，发动机有效功率更多地转变为驱动力，汽车动力性好。可在润滑油中加入减磨添加剂和选用粘度适当且受温度影响小的润滑油，对提高传动效率有明显效果。

2）主减速器传动比变速器处于直接挡时，主减速器传动比将直接影响汽车的动力性。若主减速器传动比设置不当，在其它条件不变的情况下，会使汽车的最高车速降低，汽车的最高车速小于发动机最大功率相对应车速，将使汽车发动机最大功率不能利用，同时汽车后备功率也明显降低，汽车动力性全面变坏。

第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期四

3）变速器传动比及档数对汽车动力性的影响汽车以最低档（Ⅰ挡）行驶时，必须保证汽车具有足够的驱动力，以使汽车具有克服最大行驶阻力的能力。如其它条件相同，I挡的传动比直接影响汽车起步加速性能和最大爬坡能力。现代汽车大多仍保持变速器的最小传动比为1，即最高挡为直接档；少数汽车变速器最小传动比小于1，即最高挡为超速档。利用超速挡的目的主要是提高汽车在良好道路上行驶的最高车速和高速时的燃油经济性。变速器档位多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速能力和爬坡能力。

第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期四（3）空气阻力系数Cd对汽车动力性的影响若两汽车总重和驱动力相同，则空气阻力Fw越小，克服道路阻力和加速阻力的能力越强，最高车速也提高，汽车的动力性越好。

空气阻力系数Cd、迎风面积以及车速决定了汽车空气阻力的大小。空气阻力在汽车低速行驶时，对汽车动力性影响较小；而在汽车高速行驶时，空气阻力在汽车行驶阻力中占很大比重，对汽车动力性影响较大。所以改善汽车流线型，减少空气阻力，对高速行驶汽车是非常必要的。

第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期四（4）汽车总重对动力性的影响汽车总重对汽车动力性影响很大。除空气阻力外，其它行驶阻力都与汽车的总重成正比。动力因素与汽车总重成反比。因此，随着汽车总重的增加，其动力性变差，汽车行驶的平均速度下降。如果能减轻汽车的自重，则可减小汽车行驶的滚动阻力、上坡阻力和加速阻力，使汽车动力性得到改善，而且燃油经济性也变好。第五十三页，共六十页，编辑于2023年，星期四（5）轮胎尺寸与型式对汽车动力性的影响汽车的驱动力Ft与轮胎半径r成反比，而车速Va与轮胎半径r成正比，因此，轮胎半径对与动力性有关的驱动力和车速是矛盾的。现在，在良好路面上行驶的汽车，轮胎半径有减小的趋势。首先，汽车在良好路面上行驶时，附着力较大，用小直径的轮胎，可得到较大的驱动力。车速的提高可以用减小主减速器传动比来解决。轮胎尺寸和主减速器传动比减小，使汽车质心高度降低，提高了汽车的行驶稳定性，有利于汽车的高速行驶。软路面上行驶的汽车，车速不高，要求轮胎半径大些，主要是为了增加轮胎与路面间的附着系数。

第五十四页，共六十页，编辑于2023年，星期四

2.使用因素对汽车动力性的影响（