2.5 汽车动力性客观评价的分析与计算

汽车动力性分析通常采用图解分析法，应用汽车的驱动力—行驶阻力平衡图、动力特性图和功率平衡图三种方法求解汽车的动力性的评价指标，为评价汽车的动力性提供科学的依据。

1.利用“汽车的驱动力—行驶阻力平衡图”来确定客观评价指标

汽车的驱动力—行驶阻力平衡图是将汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力叠加后画在驱动力图上，并表明该叠加量随车速的变化关系曲线。图2-26即为一辆具有五挡变速器汽车的驱动力—行驶阻力平衡图。

在各个挡位上，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挡位时驱动力随车速变化的规律。

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，即可作出汽车驱动力图。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）根据选定的不同挡位传动比，按式 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 i _o ，由下式计算与所求 F _t 对应的速度：

4）建立 F _t -u _a 坐标，选好比例尺，对每个挡位，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。

只要车辆运动，就会有驱动力 F _t 、滚动阻力 F _f 和空气阻力 F _W 。驱动力—行驶阻力平衡图表达的就是这个关系。若以最高车速行驶时，此时匀速（没有 F _i 和 F _j ）， F _t 与（ F _f + F _W ）平衡；全力加速时，一般不考虑 F _i ， F _t 与（ F _f + F _W ）之差反应加速度；全力爬坡时，不考虑 F _j ， F _t 与（ F _f + F _W ）之差反应爬坡度。

（1）最高车速的确定 汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，在水平、良好的路面上，节气门全开，变速器置于最高挡所能达到的车速。

根据汽车行驶方程 F _t = F _f + F _W + F _i + F _j ，此时， F _i =0， F _j =0， F _t = F _f + F _W ，即驱动力—行驶阻力平衡图上 F _t 曲线（此时为最高挡驱动力曲线 F _t5 ）与 F _f + F _W 曲线的交点对应的车速，就是最高车速（图中为175km/h）。从图2-26中还可以看出，当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力，这样，汽车就可以利用剩下来的驱动力加速或爬坡，或牵引挂车。当需要在低于最高车速的某一车速（如160km/h）等速行驶时，驾驶人可以关小节气门开度（图中虚线），此时发动机只用部分负荷特性工作，相应地得到虚线所示驱动力曲线，以使汽车达到新的平衡。

（2）汽车加速时间的确定 汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价。由于加速度的数值不易测量，一般常用加速时间来表明汽车的加速能力。例如用直接挡行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或80% u _amax 所需时间（新车一般用0—100km/h所需的时间）。

由汽车行驶方程得：

显然，利用式（2-50）可计算得出各挡的加速度曲线，由图2-27可以看出，高档加速度更小一些，Ⅰ档加速度最大。但有的汽车，如越野车，Ⅰ挡的 δ 值甚大，Ⅱ挡的加速度可能比Ⅰ挡的还要大。

根据图2-27，可以进一步求得由 u ₁ 加速至另一较高车速 u ₂ 所需的时间。

由于

故加速时间为

如果画出加速度倒数 随速度变化的曲线，可用图解积分法求出曲线下的面积，即为加速过程中的加速时间，如图2-28所示。

（3）汽车最大爬坡度的确定 汽车的爬坡能力是用最大爬坡度来评定。最大爬坡度 i _max (%)是指汽车满载时，在良好路面上以最低挡所能爬行的最大坡度。此时汽车在良好路面上克服 F _f + F _w 后的力，全部用来克服坡度阻力，故 ，即 F _j =0

因此

式中， F _f 应为 Gf cos α ，但 F _f 的数值本来就较小，且cos α ≈1，故可认为

这样利用图2-26即可求出汽车能爬上的坡度角，并相应地求出坡度值，如图2-29所示。其中最大爬坡度 i _max 为Ⅰ挡时的最大爬坡度，直接挡最大爬坡度 i _0max 亦应引起注意，因为汽车经常是以直接挡行驶的，如果 i _0max 过小，迫使汽车在遇到较小的坡度时经常换挡，这样就影响了行驶的平均速度；其数值按式（2-54）求出：

式中 F _t0max ——直接挡时的最大驱动力。

2.利用“动力特性”来确定客观评价指标

利用“汽车驱动力—行驶阻力平衡图”可以确定汽车的动力性，但不能用来直接评价不同种类汽车的动力性。因为种类不同的汽车，其质量或外形有所不同，因此各行驶阻力也不同，也就是说，即使驱动力相近的汽车，其动力性也不相近。可以设想到表征动力性的指标，应该是一种既考虑驱动力，又包含汽车自重和空气阻力在内的综合性参数。将汽车行驶方程式进行一定的变换，便可找出评定汽车动力性的参数。

式（2-55）的右边是汽车行驶时的道路阻力系数及加速度与 的乘积，左边是汽车本身所具有的参数。若令 为汽车的动力因数，并以符号 D 表示，则

式（2-56）称为汽车的动力平衡方程，其中 ψ 称为道路系数。由式（2-56）可知，不论汽车自重等参数有何不同，只要有相等的动力因数 D ，便能克服同样的坡度和产生同样的加速度（设两汽车的 δ 值相同）。因此，目前常把动力因数作为表征汽车动力特性的指标。

利用 F _t -u _a 和 F _w = f ( u _a )的函数关系，根据式（2-56）计算出 D 并作出 D—u _a 关系曲线，因此，目前常把动力因数作为表征汽车动力特性的指标，称为动力特性图，如图2-30所示。再将汽车滚动阻力系数 f 随车速 u _a 变化关系曲线，以同样的比例尺画在动力特性图上，就可以方便地分析汽车动力特性。

（1）最高车速的确定 在汽车达到最高车速时， ， i =0，故汽车的动力平衡方程式变为 D = f ，即图2-7中高速挡动力因数曲线与滚动阻力系数曲线交点处对应的车速为最高车速。

（2）各挡爬坡度的确定 在各挡爬最大坡度时，加速度 ，动力平衡方程式为

因此， D 曲线与 f 曲线之间的距离，就是汽车各挡的爬坡能力。粗略估算时， D _imax -f ，就是汽车的最大爬坡度。实际上，Ⅰ挡所能上的坡度一般较大，因此，cos α ＜1，sin α ≠ i ，故 i _max = D _imax -f 的误差较大，此时 D _imax = f cos α _max +sin α _max ，解此三角函数方程，求得 ，然后再根据tan α _max = i _max 换算成坡度。

（3）加速时间的确定 评定汽车的加速能力时，设 i =0，则动力平衡方程为

因此，在汽车动力特性图上， D 曲线与 f 曲线之间距离的 倍；就是汽车各挡的加速度。当求直接挡加速度时，若粗略判断，可取 δ ≈1， g ≈10m/s ² ，则加速度值就是 D 曲线与 f 曲线之间距离的10倍。

3.利用“功率平衡图”来确定客观评价指标

汽车行驶时，不仅存在驱动力与行驶阻力的平衡关系，而且也存在发动机功率和汽车行驶的阻力功率间的平衡关系。即发动机发出的有效功率，始终等于机械传动损失与全部运动阻力所消耗的功率。

汽车运动阻力所消耗的功率，有滚动阻力功率 P _f 、空气阻力功率 P _w 、坡度阻力功率 P _i 及加速阻力功率 P _j ，它们的表达式为

功率平衡方程为

即

当 α 较小时，sin α ≈ i ，cos α ≈1，上式可写成

汽车的功率平衡关系也可以用图解法表示。以纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动机功率 P _e 、汽车经常遇到的阻力功率 ，对应于车速的关系曲线绘在坐标图上，即得到如图2-31所示功率平衡图。

可见由于发动机功率随车速的变化，实际上是随转速的变化，发动机转速在各挡位对应的行驶车速不同，因此得出图示的各挡功率与行驶车速的关系曲线。

P _f 在低速范围内为一直线，在高速时由于 f 是 u _a 的一次函数， P _f 是 u _a 的二次函数；而 P _w 则是 u _a 的三次函数。两者叠加后，阻力功率曲线是一条斜率越来越大的曲线。它与挡位无关，只与车速有关，所以高速时，汽车主要克服空气阻力而消耗功率。

（1）最高车速的确定 汽车达最高车速时， ， i =0，则

即功率平衡图中，发动机功率曲线（直接挡）与阻力功率曲线的交点对应的车速 u _amax ，稍大于最高挡时发动机最大功率对应的车速 u _P 。

（2）加速能力的确定 评价加速能力时， i =0，则

所以，不同车速时的加速度为

（3）上坡能力的确定 评价汽车上坡能力时， ，粗略计算求出汽车的爬坡度为

在功率平衡图上，各挡功率曲线表示汽车在该挡上不同车速时可能发出的功率。总阻力功率曲线表示在平直良好路上，以不同车速等速行驶时所需要的功率。两者间的功率差值为后备功率，它可以用来使汽车加速、爬坡等。

利用功率平衡的方法求解动力性问题显得麻烦，但汽车的速度越高，遇到阻力越大，克服阻力所消耗的功率就越大，因此，功率平衡是从能量转换角度研究汽车动力性。利用功率平衡，还可以研究行驶时发动机的负荷率，即一定工况下，克服阻力所需发动机发出功率和该工况下发动机能够发出的最大功率的比值，以便研究经济性问题。

任务实施

任务引入