2.3 影响汽车动力性的因素

汽车行驶方程式为

此方程表明了汽车行驶时，驱动力和各行驶阻力之间的平衡关系。当发动机转速特性、变速器传动比、主减速比、机械效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积及汽车总质量等初步确定后，便可利用此式分析汽车在良好路面（沥青、混凝土路面）上的行驶能力，即确定节气门全开时，汽车能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力。影响动力性客观评价指标的因素包括行驶阻力和附着性能。

行驶阻力是指汽车运动时需要克服运动中所遇到的阻力，这些阻力或来自汽车行驶的支持面，或来自汽车周围的介质（空气）。通常，前者称为滚动阻力，以符号 F _f 表示；后者称为空气阻力，以符号 F _w 表示（空气阻力在第11章有详细讲解，在此不再赘述）；而汽车上坡行驶时克服汽车重力在平行于路面方向的分力称为坡度阻力，用符号 F _i 表示；汽车加速行驶时所克服的惯性力称为加速阻力，用符号 F _j 表示。所以，汽车运动的阻力∑ F 为

式（2-13）表明了汽车行驶时所受外界阻力的影响，要维持汽车的运动，驱动力大于或等于汽车运动所遇到的外界阻力之和，即

当驱动力大于外界阻力时，汽车加速行驶；当驱动力等于外界阻力时，汽车尚能等速行驶；当驱动力小于外界阻力时，汽车将不能行驶或减速行驶（制动）。

需要注意的是，这四种阻力并不一定同时存在。比如，汽车在水平路面上匀速行驶时，就没有坡度阻力和加速阻力，即，上式中的 F _i 和 F _j 都等于0。

2.3.1 滚动阻力

1.滚动阻力 F _f 产生的机理

汽车行驶时，车轮与地面在接触区域的径向、切向和侧向均产生相互作用力，轮胎与地面亦存在相应的变形。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。

弹性车轮在径向加载与卸载过程中会形成弹性迟滞损失：当汽车车轮在水平路面上，且不受侧向力作用时，车轮与地面间将产生径向和切向的相互作用力。图2-8为轮胎在硬支承路面上受径向载荷时的变形过程及对应的曲线。从图2-8a中可见，当弹性车轮在硬支承路面上，对其进行加载和卸载的过程中，径向载荷 W 与由其引起的轮胎径向变形量 A 之间的对应关系。加载变形曲线 OCA 与卸载变形曲线 ADE 并不重合，则可知加载与卸载不是可逆过程，存在着能量损失。面积 OCABO 为加载过程中对轮胎所做的功；面积 ADEBA 为卸载过程中，轮胎恢复变形时释放的功。两面积之差 OCADEO 即为加载与卸载过程的能量损失。这一部分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。轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸载恢复时不能完全收回，一部分能量消耗在轮胎内部摩擦损失上，产生热量，这种损失称为轮胎的迟滞损失。

从图2-8b中可见，在同样变形量 δ 的情况下，处于加载过程的载荷较大，即图中 FC ＞ FD 。这说明当车轮在径向载荷作用下滚动时，由于弹性迟滞现象，使地面对车轮的法向支持力为不对称分布，其法向反力合力作用线，相对于车轮中心线前移了一段距离，因而形成了阻碍车轮滚动的力矩。

2.等速滚动从动轮受力分析及滚动阻力系数

在水平路面等速直线滚动的汽车从动轮，如图2-9a所示，其法向反力的合力 F _Z1 相对车轮垂直中心线前移了一段距离 a 。 a 值随弹性损失的增大而增大。车轮所承受的径向载荷 W ，与法向反力 F _Z1 ，大小相等，方向相反，即 F _Z1 = -W 。

若法向反力 F _Z1 通过车轮中心，则是从动轮在硬路面上等速直线滚动的受力情况，如图2-9b所示。图中力矩为作用于车轮上阻碍车轮滚动的滚动力矩，且 T _f1 = F _Z1 α 。要使从动轮等速直线滚动， F _Z1 必须通过车轮中心，通过车轴施加以推力 F _P1 ，它与地面切向反力 F _X1 构成一力矩来克服滚动力矩 T _f1 ，由车轮中心力矩平衡条件，得：

F _P1 r = T _f1

故所应施加推力为

式中 f ——滚动阻力系数。滚动阻力系数是单位汽车重力所需的推力，换言之，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷的乘积。故车轮滚动阻力 F _f 为

这样，在分析汽车的行驶阻力时，可不必具体计算阻碍车轮滚动的力矩，而只计算滚动阻力（实际作用在车轮上的是滚动阻力矩）。

3.等速滚动的驱动轮受力分析

图2-10为驱动轮在硬路面上等速直线滚动时的受力图。

图中， F _Z2 为道路对驱动轮的切向反力， F _P2 为车架通过悬架给轮轴的反推力，法向反作用力 F _Z2 也由于轮胎弹性迟滞损失，使其作用线前移一段距离 a ，即在驱动轮上同样作用有滚动力矩 T _f2 。由对车轮中心的力矩平衡条件得：

F _X2 r = T _t -T _f2

所以

由式（2-17）可见，真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶的力为地面对车轮的切向反作用力 F _x2 ，其数值等于驱动力 F _t 减去驱动轮滚动阻力 F _f2 。

对于汽车性能分析而言，无须细究驱动轮和从动轮的不同受力状况，而只需要知道整车受到的总的滚动阻力：

式中 G ——整车重力，单位为N；

f ——滚动阻力系数。

其中，滚动阻力系数 f 是一个很重要的参数。它的大小，和轮胎结构、轮胎气压、法向载荷、行驶车速和道路条件等因素有关。在一般性分析、计算中，常认为在确定车辆和路面的条件下，滚动阻力系数是常数。

比如，普通轮胎在正常充气压力下，在常见的沥青或混凝土路面上，滚动阻力系数大约在0.012～0.018范围内。

4.影响滚动阻力的因素

滚动阻力系数越大，滚动阻力就越大，汽车的动力性能会下降。滚动阻力系数与路面种类及其状态、车速及轮胎等有关，其数值通过实验确定。

（1）路面种类及其状态对滚动阻力系数的影响 表2-10列出了车速为50km/h时，汽车在各种路面上行驶时的车轮滚动阻力系数值。滚动阻力系数主要受路面的影响。路面的种类及其状态都影响滚动阻力系数，如泥泞土路，由轮胎与土壤之间的粘着性所致，滚动阻力系数只有0.100～0.250。

（2）轮胎的结构和材质对滚动阻力系数的影响 如图2-11所示，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，子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20%～30%。

滚动阻力与轮胎的帘线（棉、人造丝、尼龙、钢丝）和橡胶品质有关。减小帘线层可使胎体减薄，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）轮胎气压对滚动阻力系数的影响如图2-12所示，几种不同轿车的滚动阻力系数随着车速与充气压力而变化的曲线。可以看出来，充气压力对 f 值的影响很大。气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小，滚动阻力也越小。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。汽车在软路面上行驶，轮胎气压低，变形大，使轮胎与地面接触面积增大，单位面积压力下降，地面变形小，使滚动阻力系数相应减小。

（4）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，轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不是圆形，出现明显的波浪状，如图2-13所示。滚动阻力系数迅速增大，轮胎的温度也迅速升高，使轮胎帘线层脱落，几分钟内就会出现爆破。

（5）整车重力 G 的影响 整车重力越大，汽车行驶的滚动阻力越大，汽车的动力性越差。但整车重力 G 随着汽车的运行条件的变化而变化。汽车在驱动（牵引）、制动、转向工况由于打滑、轴荷转移等因素的影响，汽车对地面的轴向载荷会发生变化，从而滚动阻力也发生变化。

1）轮胎在制动或驱动（牵引）状态下，滚动阻力均比自由滚动时的滚动阻力大，图2-14给出了不同制动和牵引状态下滚动阻力的变化曲线，图中横坐标负向为制动系数（制动力在水平方向上的分力与轮胎垂直负荷的比值），横坐标正向为牵引系数（也称为驱动力系数，是驱动力在水平方向上的分力与轮胎垂直负荷的比值），纵坐标为滚动阻力系数，横坐标原点处则为自由滚动状态。

从图2-14中可以看出，牵引力或制动力增大时，滚动阻力均增大，自由滚动状态是滚动阻力的最低点，相同的驱动力系数（牵引系数）与制动系数下，牵引状态的滚动阻力大于制动状态下的滚动阻力。也就是说，在驱动（牵引）状态下，汽车的滚动阻力大于制动状态下汽车的滚动阻力。

图2-15是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。从图中可以看出，轮胎对滚动阻力系数的影响：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比较小，这也是子午线轮胎节油的机理之一。

值得注意的一个问题是，从图2-15中看，为什么驱动力系数很大时，轮胎的气压越低，滚动阻力系数 f 越小？

因此，有驾驶经验的驾驶人常常说，在泥泞的道路中起步时，轮胎的气压较低，起步比较容易。

换而言之，轮胎胎压较高时的滚动阻力系数较大。这是因为在较大驱动力系数工况下由于较高胎压，胎面与路面之间的附着系数有所下降的缘故。

2）转向状态。汽车在转向行驶时，由于在离心力的作用下，前、后轮产生侧偏力，侧偏力沿行驶方向产生分力，滚动阻力增加。图2-16为轮胎行驶时侧偏角对于滚动阻力的影响趋势。图2-16a为不同侧偏角对滚动阻力的影响曲线，图中横坐标为侧偏角 α ，一般在0～10°内变化，纵坐标为滚动阻力值，两条曲线分别表示在运动方向和在轮胎平面内的滚动阻力影响曲线。当轮胎的侧偏角增大时，由于转向力在运动方向上分量的作用和转向力本身的轻微增大，会使轮胎行驶方向上的滚动阻力显著增加，而对于轮胎平面内的滚动阻力影响则较小，这是因为侧倾力与轮胎平面相互垂直，此微小的变化是由于侧偏力本身的变化引起的。

图2-17画出了总质量为34.5t的半挂车绕半径为33m的圆周行驶时，滚动阻力的增长情况。试验表明，由于转向行驶增加的滚动阻力已经接近直线行驶时的50%～100%。因此，在转向过程中，由于动力性的下降，一般驾驶人会采用降挡的方式来弥补因为转向而下降的动力性。

2.3.2 坡度阻力

如图2-18所示，当汽车上坡行驶时，其重力沿坡道斜面的分力 F _i 表现为对汽车行驶的一种阻力，称坡度阻力。坡度阻力 F _i 按式（2-25）计算：

式中 α ——道路坡度角（°）。

坡道的表示方法是用坡度 i ，即用坡高 h 与底长 S 之比表示：

表2-11列出了我国的公路路线常见的坡度，从表中可知，一般道路的坡度角均较小，当坡度角 α ＜10°～15°时，sin α ≈tan α = i ，则：

图2-19表示了坡度与坡度角的关系。

在坡度比较大的时候，坡度阻力较大，汽车的动力性要下降。上坡时，一般驾驶人需要降挡甚至是用最低挡上坡。

2.3.3 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 F _j 。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矩，为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力矩，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 F _j 为

式中 δ ——汽车旋转质量换算系数， δ ＞1；

m ——汽车质量，单位为kg；

——汽车行驶加速度，单位为m/s ² 。

加速阻力是制约汽车动力性的重要因素，主要与旋转质量换算系数、汽车总质量、汽车加速度有关。

旋转质量换算系数 δ 大于1，这是考虑到汽车加速时，不仅整车质量要平移加速，飞轮和车轮等旋转质量也在加速，因此加速阻力比仅有平移质量 m 时要大些。同一汽车，传动比越大， δ 越大。当车辆加速时，发动机（曲轴）输出功率不会完全转化为传动系输入功率，飞轮会扣除一部分用于自身加速，即作用在驱动轮上的实际驱动力比名义驱动力 F _t = 小。而为了使车轮加速旋转，驱动轮和从动轮都不能再保持力矩平衡，而需要一个向前旋转的合力矩，为此，地面需要给车轮一个“额外”的切向反力，方向向后。即，加速时，车轮获得的推力减小，而阻力增大。因此加速度前面要乘以一个大于1的旋转质量换算系数。

δ 主要与飞轮、车轮的转动惯量，以及传动系的传动比有关。用式（2-23）表示

式中 I _W ——车轮的转动惯量，单位为kg·m ² ；

I _f ——飞轮的转动惯量，单位为kg·m ² ；

i ₀ ——主传动比；

i _g ——变速器的速比。

图2-21给出了货车旋转质量换算系数与传动系统总传动比的关系，总质量越小的货车，旋转质量换算系数值越大，这也说明了总质量较大的货车，其运输成本较低。

在进行动力性初步计算时，由于一般汽车满载时 和 为0.03～0.05，取其平均值，则 δ 值可用下式估算：

任务实施

任务实施