汽车理论 余志生 第一章

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1、汽 车 理 论主讲：黄晓云这门课主要以力学为基础阐述汽车的主要 性能，主要包括以下内容：1汽车动力性 10 2汽车的燃油经济性 43汽车动力装置参数的选择 44汽车的制动性105汽车的操纵稳定性106汽车的平顺性57汽车的通过性5其中，汽车动力性、汽车的制动性、汽车 的操纵稳定性为本课重点Vehicle Tractive Performace授课章节：第1章 汽车的动力性 1.1汽车的动力性指标1.2汽车的驱动力与行驶阻力 目的要求：掌握汽车动力性的三方面评价指标、掌握沿汽 车行驶方向作用于汽车的各种外力、并在此基础上 掌握汽车行驶方程式的建立。重点难点：动力性的三方面评价指标、汽车驱动力。第

2、一章 汽车的动力性汽车的动力性： 指汽车在良好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。动力性是汽车各种性能中最基本、最重要 的性能，它决定了汽车运输效率之高低。第一节 汽车的动力性指标（evaluating indicator） 汽车的动力性主要有3方面评价指标：汽车的最 高车速uamax、加速时间t 、最大爬坡度iamax 1. 汽车的最高车速uamax 最高车速是指在水平的良好路面上汽车能达到的 最高行驶速度。此时汽车应为一定载荷，油门开度最大，变速器为最 高挡。2. 汽车的加速时间t 表明了汽车的加速能力，常用原地起步加速时间和超车加 速时间表示。1）原地

3、起步加速时间 指汽车由一挡或二挡起步并以最大加速强度（包括 选择恰当的换挡时机）逐步换到高挡后达到某一预定的距离或车速所需的时间。一般常用0400m或0100kmh的秒数表示汽车的原地起步加速 能力。如大中型轿车和小型轿车起步加速到100kmh所需时间约为10 17s和1225s。2）超车加速时间 是指用最高挡或次高挡由某一中等车速全力加速至某一高速 所需的时间。对超车加速能力无统一规定，有时用加速过程曲线全面反映加 速能力。 3. 汽车的最大爬坡度iamax 最大坡度是指汽车 满载（或某一载质量）、最低挡时在良好路面上能爬上的最大坡度，用 以表示一辆车的爬坡能力。道路坡度 是坡高与坡底长之比

4、的百分数，其值等于坡度 角的正切函数值。 最大坡度代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道 路最大坡度超出很多。最大坡度对于货车和越野汽车是一个重要指标。货车在30即 16.5左右，越野汽车可达60即30左右。轿车爬坡能力也强。 上述三方面指标均应在无风或微风条件下 测 定。1.驱动力（drive force） 发动机的转矩经传动系传至 驱动轮上得到的来自于地面的驱动汽车前进的外力。2.行驶阻力 包括滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻 力。3.汽车行驶方程式 汽车行驶方程式为 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力一、汽车的驱动力（一）汽车的驱动力 1. 发动机经传动系传至驱动轮上的转 矩

5、Tt式中， Ttq 发动机的有效转矩；ig变速器的传动比；i0主减速器的传动比；传动系的机械效率。如有轮边减速器、分动器、液力传动装置等要计入相应的传动 比和机械效率。 2. 汽车的驱动力Ft式中，r 为车轮半径；Ft汽车的驱动力；第二次课 授课章节：第1章 汽车的动力性 1.2汽车的驱动力与行驶阻力 目的要求：掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力， 即驱动力与各种行驶阻力，并在此基础上重点掌握 汽车行驶方程式的建立。 重点难点：驱动力与各种行驶阻力、汽车行驶方程式的建 立。 1） 发动机特性曲线将发动机的功率Pe、转矩Ttq以及燃油消耗率b与发动机曲轴转速之 间的函数关系以曲线表示，此曲线

6、称为发动机转速特性曲线或简称为发动 机特性曲线。2） 发动机外特性曲线发动机节气门全开（或高压油泵在最大供油量位置）时的发动机特 性曲线称为发动机外特性曲线。是发动机所能达到的最高性能。3.影响汽车驱动力的因素 影响汽车驱动力的因素主要有：发动机输出转 矩、传动系变速器和主减速器等的传动比、传动效 率和车轮半径。（1）发动机输出转矩Ttq3）部分负荷特性曲线如果节气门部分开启（或高压油泵部分供油），则称为发动机 部分负荷特性曲线。4） 使用外特性曲线带上全部附件设备（水泵、发电机、空气滤清器、风扇、消声 器等）时的发动机特性曲线称为使用外特性曲线。使用外特性曲线的功率小于外特性的功 率。发动机

7、特性曲线可以通过实验测得。5）发动机有效功率和输出转矩的关系式中，pe发动机功率，kw;Ttq 发动机的有效转矩，N.m；n发动机转速，r/min。6）常采用多项式来表示由试验台测得的、接近 于抛物线的发动机转矩曲线（2）传动系变速器和主减速器等的传 动比车轮的驱动力与传动系传动比成正比。 主减速器传动比使用中一般不能改变。变速器倒挡、低速挡的传动比较大，在这些挡位可以获得较高的驱动力，但最高行驶速度较低。（3）传动系的机械效率1）传动系的机械效率设输入传动系的功率为Pin，传动系中损耗的功率为PT ，则传 动系的机械效率为在等速行驶情况下，PinPe，故 传动系的功率损失由传动系中的部件变速

8、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 失占比重最大，其余部件的功率损失较小。2）传动系功率损失的分类传动系功率损失可分为机械损失和液力 损失两大类。1）机械损失 是指齿轮传动副、轴承、油封 等处的摩擦损失。机械损失与啮合齿轮的对数、传递 的转矩等因素有关。2）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。传动效率与档位，齿 轮啮合情况轴承和油封松 紧等有关。 变速器挡位 越高，传动效率越高；走 合期后的效率最高。同一挡位，转矩增加 时，润滑油损失

9、所占比例 减少，传动效率较高。同 一挡位，转矩不变时，转 速低时搅油损失小，传动 效率比转速高时要高。对汽车进行初步的动 力性分析时，可把传动效 率看作一个常数。（4）车轮的半径1）自由半径 车轮处于无载时的半径称为自由半径。2）静力半径rs 汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面间 的距离称为静力半径。静力半径小于自由半径。3） 滚动半径rr 用车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间 的关系换算而得的半径，即，车轮的滚动半径为式中，nW车轮转动的圈数；s为在转动nW圈时车轮滚动的距离。滚动半径可试验求得，也可估算。对汽车作动力学分析时，应该用静力半径rs； 作运动学分析时，用滚动半径rr。4）车

10、轮半径r在一般情况下，不计滚动半径和静力半径间的差别，统称为 车轮半径，即rs=rr=r（二）汽车的驱动力图1.驱动力图 根据发动机外特性确定的驱动力与车 速之间的函数关系曲线Ft-ua称为汽车的驱动力图。驱动力图能全面表示汽车的驱动力。 2. 驱动力图的绘制（1）求Ft 已知发动机的外特性曲线、传动系的传动比、传动效率、车轮 半径等参数，即可用下式求出发动机转速n下各个挡位的Ft值，因是据外特性曲线求得的，所以是各挡 位驱动力的极限，实际行驶中，节气门常部 分开启，相应的驱动力较之为小。（2）求ua 根据发动机转速与汽车行驶速度之间的转换关系求出ua，即 可求得各个挡位的Ftua曲线。发动机

11、转速与汽车行驶速度之间的关 系式为式中，ua汽车行驶速度（kmh）；n发动机转速（rmin）；r车轮半径（m）。二、汽车的行驶阻力汽车行驶的总阻力为式中，Ff来自地面的滚动阻力；Fw来自空气的空气阻力；Fi坡度阻力，当汽车在坡道上上坡行驶时，重力沿坡道的分力 ；Fj汽车加速行驶时加速阻力；滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均 存在的，坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件 下存在。（）滚动阻力Ff1.滚动阻力 车轮在路面上滚动时产生的阻力。2. 滚动阻力产生的原因 由轮胎和路面的变形、 摩擦以及车轮轴承、油封、悬架零件、减震器中的摩擦等因素引起的。3. 轮胎和支撑面的相对刚度决定了变形 的特点。

12、 汽车在硬路面上行驶时，主要因轮胎弹性 变形产生弹性迟滞损失形成滚动阻力；在软路 面上则主要因路面塑性变形形成滚动阻力。4. 弹性轮胎的迟滞损失当弹性轮胎在硬路面上滚动时，由于轮 胎有内部摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎 变形时对它作的功不能全部回收。（1） 0CA加载变形曲线，（2）面积0CAB0为加载过程中对 轮胎作的功；（3） ADE为卸载变形曲线；（4）面积ADEBA为卸载过程中轮 胎恢复变形时放出的功；（5）面积OCADEO加载与卸载过程 之能量损失，即弹性物质的迟滞损失。此能量系消耗在轮胎各组成部分相互 间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间 的摩擦，最后转化为热能而消失在大气中 。5.

13、 轮胎的迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶当车轮不滚动时，地面对车轮的法向反作用力的分布是 前后对称的；但当车轮滚动时，在法线nn前后相对应点变 形虽然相同，但由于弹性迟滞现象，就使地面法向反作用力的 分布前后并不对称，而使它们的合力FZ相对于法线n-n向前 移了一个距离a，它随弹性迟滞损失的增大而变大。合力FZ与法向载荷W相等，方向相反。如果将法向反作用力Fz平移至与通过车轮中心 的垂线重合，滚动时有滚动阻力偶矩TfFz a 阻碍车轮滚动。第三次课 授课章节：第1章 汽车的动力性 1.2汽车的驱动力与行驶阻力 目的要求：掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力， 即驱动力与各种行驶阻力，并

14、在此基础上重点掌握 汽车行驶方程式的建立。 重点难点：汽车各种行驶阻力、汽车行驶方程式的建立。 6. 滚动阻力（1）从动轮在硬路面上等速滚动时的受力情况滚动时有滚动阻力偶矩TfFz a阻碍车轮滚动。欲使从动轮在硬路上等速滚动，必须在车轮中心加一推 力Fp1，它与地面切向反作用力Fx构成一力偶矩来克服上述 滚动阻力偶矩。由平衡条件得故令则式中，f滚动阻力系数。 结论：滚动阻力系数是车轮在一定条 件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比， 即单位汽车重力所需之推力，这样就引出 了滚动阻力的概念。1）滚动阻力 等于滚动阻力系数与 车轮负荷之乘积，即且Fx1=Fp1=Ff这样，在分析汽车行驶阻力时，不 必具

15、体考虑车轮滚动时所受到的滚动阻 力偶矩，而只要知道滚动阻力系数求出 滚动阻力便可以了（滚动阻力无法在真 正的受力图上表现出来，它只是一个数 值）。这将有利于动力性分析的简化。滚动阻力系数由试验确定，也可根 据某些经验公式计算。2）滚动阻力系数与路面的种类、行驶车 速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。汽车在凹凸不平的路面、在松软的路面 上、在积水路面上行驶时， 滚动阻力系数较高 。 轮胎的结构、材质和充气压力等对滚动 阻力系数有明显的影响。驱动车轮的滚动阻力系数一般大于从动 车轮。行驶车速对滚动阻力系数也有很大影响 。在转弯行驶时，轮胎发生侧偏现象，滚 动阻力大幅度增加，但一般动力性分析中，常

16、不考虑转弯时增加的阻力。（2）驱动轮在硬路面上等速滚动时的受力图中Fx2为驱动力矩Tt所引起的道路对车轮的切向 反作用力。Fp2为驱动轴作用于车轮的水平力。法向反 作用力Fz也由于轮胎迟滞现象而使其作用点向前移了一 个距离a，即在驱动轮上也作用有滚动阻力偶矩Tf 。由 平衡条件得结论：真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶 的力为地面切向反作用力Fx2，它的数值为驱 动力Ft减去驱动轮上的滚动阻力。所以，驱动 力只是一种定义，和滚动阻力一样，在受力图 上，也是画不出来的。（二）空气阻力1.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。2.空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力 两部分 。（1）摩擦阻力（ 10） 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。 （2） 压力阻力 作用在汽车外形表面上的 法向压力的