汽车彳亍驶阻力分析222.1滚动阻力轮胎滚动时，与支承地面的接触区产生法向和切向相互作用力，并使接触区的轮胎和地 面发生相应 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轮胎在滚动过程中，轮胎的各个组成部分间摩擦以及橡胶元、帘线等分子之间的摩擦，产生摩擦热 而耗散，这种损失称为弹性元件的迟滞损失 图2-7中的右图为简化的轮胎模型它将充气轮胎视为由无数弹簧-阻尼器单元组成的弹性轮当每个单元进入£印迹时，弹簧 -阻尼器组成的轮胎单元首先被压缩，然后松弛由于存在阻尼消耗压缩能量，轮胎内部阻尼摩擦产生迟滞 损失，这种迟滞损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶图2-7中的左图所示为轮胎的弹性特性图中的 C曲线为压缩过程（加载）曲线，而D 曲线为松弛过程（卸载）曲线两条曲线所包围的面积及为阻尼的迟滞能量损失图2-7右图的阴影表示为轮胎接触区受力情况汽车静止时，车轮与地面接触区法向反作用力分布是前后对称的，其合力垂直接触面指向轮心（经 接触面的车轮中心垂线n-n'）;当车轮滚动时，以从动轮等速滚动为例，接触区法向反作用力的分布前 后不对称， 合法向反作用力Fzi向前偏移了一段距离a，见图2-8。
这是因为轮胎与地面接触区的前端处于压缩行程，而后端处于松弛行程，因而接触面前端法向力大于后端 法向力如果将合法向反作用力后移距离a至车轮中心的垂线n-n'，则有阻碍车 轮滚动的阻力偶矩Ffi从动轮等速转动时，受力平衡方程为弓Ezi(2-23)/ki =式中：Wi为重力；Fpi为水平推力弓1 =如幻=项u ~码1^1=^1 = -^!=-^要使从动轮在刚性路面上等速滚动，必须在轮心上作用水平推力 Fpi，与接触面的切向反作用力构成力偶矩来克服滚动阻力偶矩 Tfi即(2-24)令 f= a /r，贝 yW叫或如上佥二他, (2-25)式(2-25)表明，滚动阻力可视为车轮在一定条件下滚动时所需的推力与车轮负荷之比，或单位汽车重力所需之推力也就是说，滚动阻力等于汽车滚动阻力系数与车轮负荷的乘积，七;"-'一七-j轮(2-26)这样，人们在分析汽车行驶阻力时，不必考虑车轮所受到的滚动阻力偶矩 Tf,而只要知道滚动阻力系数就可求出滚动阻力Ff注意：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，而引进的一个在数值上等于轮缘地面切向反作用力利于动力Fx的值，这将有 学分析图2-9是驱动轮在刚性平直路面上等速行驶时的受力分析图。
图中Fx2是车轮驱动力矩Tt对支承路面作用力在轮缘上的切向反作用力，用力则驱动轮受力平衡方程为叫为重力，Fp2是车轴对轮胎中心的水平作(2-27)由式（3-27），可导出(2-28)Tt/r=F x2+ a Fz2/r其中% =:七=俱，则F『Ft-% （2-29）将图2-2和图2-9比较可发现，前者未考虑车轮滚动阻力而求得车轮驱动力 Ft实际上作用在驱动轮上驱动汽车前进的力是地面切向反作用力 Fx2它在数值上等于驱动力Ft减去滚动阻力Ff2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、磨损情况等有关有人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，见图2-10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100C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、材料、帘线对f的影响也很大子午线轮胎f小，天然橡胶f低轮胎充气压力对滚动阻力系数f影响也较大，见图2-11。
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f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适用寿命但是，轮胎充气压力不可过高，否则就会降低轮胎寿命和增加 道路早期损坏驱动轮的轮胎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 DFW110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%通常，滚动阻力系数通过试验确定试验方法有室内底盘测功机、道路滑行试验以及汽车牵引负荷车试 验等滚动阻力系数测试方法道路设计和施工部门也有利用势能与摩擦功守恒的原理，采用摆式摩擦系 数测试仪测试轮胎滑动阻力系数汽车动力性分析的实际中，人们通常根据经验直接选用滚动阻力系数表 2-5给出了汽车在不同路面上以中、低车速行驶时，滚动阻力系数的大致数值表2-5车轮滚动阻力系数路面类型 滚动阻力系数沥青或混）疑土路面（新） 0.010~0.018沥青或混）疑土路面（磨旧） 0.018 ~0.020路面类型 滚动阻力系数压实土路（雨后） 0.050~0.150泥泞土路（雨季或解冻0.100~0.250碎石路面卵石路面（平）卵石路面（坑洼）压实土路（干燥）0.020 ~0.0250.035 ~0.0300.035 ~0.0500.025 ~0.035期）干砂湿砂结冰路面压实雪道0.100~0.3000.060~0.1500.015~0.0300.030~0.050行车速度对滚动阻力系数影响很大。
低速行驶时，滚动阻力近似与车速成正比显得线性 关系;高速时滚动阻力近似与车速成平方关系表2-6是一些常见的轮胎滚动阻力系数经验公式表2-6轮胎滚动阻力系数近似公式序号公式适用条件1f=0.0076+0.000056uaa载货汽车轮胎2f=0.01(1+u/60)载货汽车轮胎3f=0.066+0.0000286uaa重型载货汽车斜交轮胎4f =0.041+0.0000256ua重型载货汽车子午线轮胎5轿车子午线轮胎SRHRSR冬夏两用轮胎f00.0072~0.01200.0081 ~0.00980.0085~0.0120fi0.00025~0.00280.0012~0.00250.0025~0.0034f20.00065~0.0020.0002~0.00040.005~0.00106f=f0+f 1+f 2Ua轿车子午线轮胎与硬路面相比，车轮在柔性路面（土路、草地、砂土、雪地）上运动时，还需要克服附加滚动阻 力附加阻力包括接触面材料被压缩和移动行程的车辙阻力和轮辙与轮胎之间的摩擦力（见图2-12）柔性路面的附加滚动阻力与轮胎对地面的压强有关（见 图2-13）在柔性路面行驶时，降低轮胎充气压力对降低滚动阻力有利。
在积水硬路面运动的车轮与路面之间存在三个区域： 水膜区、过渡区和接触区，见图2-14在过渡区轮胎已有变形，与道路有局部接触；而在接触区轮胎与路面之间才完全接触传递力轮胎排挤水层就行程了排水阻力 Fs,即（2-30）式中：h为水膜厚度；b轮胎被水膜覆盖部分的宽度；？水的密度；u轮胎排水速度图2-15为排水阻力系数fs（fs=Fs/Fx）随水层的厚度和速度变化的关系当水层厚度较 大时，速 度超过一定值后，将出现水滑现象（Hydroplanning），使轮胎完全被水层浮起，使fs值为定值，而与 速度U无关此时，汽车基本丧失转向、制动能力如果车轮也受到侧向力Fy的作用，例如转弯或变更车道行驶，车轮运动方向不垂直其轴线，而是 车轮平面与运动方向成某一角度，即侧偏角此时，滚动阻力将增加如图2-16所示，当侧偏角为a时，滚动阻力Ff为Ff = F focosa + FySin a(2-31)式中：F .fo为直线行驶的滚动阻力；Fy为侧向力Fq 二 FySin a就是曲线行驶的附加阻力在行 驶方向的分量若定义附加滚动阻力系数 Fq为f q 二 fq/Fz(2-32)则附加滚动阻力系数『与侧偏角a的关系如图2-17所示。
当侧偏角a较小时，侧向f q2§/2,见图力Fy与侧偏角a近似成正比，即fq * .对于前束角度为§的汽车，在直线行驶时，相当于同一轴的每个车轮的侧偏角为2-18因前束而引起的附加阻力Fqj为当§ =1时，Fqj约为整车阻力的3%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 Fw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空气阻力由压力阻力和摩擦阻力两部分组成压力阻力是作用在汽车车身的法向压力在汽车行驶方向的分量见 图2-19压力阻力主要由压差、诱导和内循环阻力组成压差阻力主要与汽车的形状有关，约占 58%;诱导阻力主要来自汽车的突出部件，如后视镜、门把手、导水槽、驱动轴、悬架导向杆等，约占 14%;内循环阻力，是指因发动机冷却系、车身通风等需要气流流过汽车内部产生的阻力， 占12%;诱导阻力是指空气升力在水平方向的分力，占7%汽车周围包围着空气汽车向前运动时，附在车身 表面的空气附面层随之运动，当车身与空气相对速度增加时，附面层被破坏而离开车身表面，在后面形 成紊乱而破碎的气流，便是涡流。
由于汽车形状不是“理想的流线型”，在车位尾存在涡流分离现象 汽车的空气压差阻力就是由于车身后部存在涡流区而产生的如图2-20所示，汽车仅在前部很小的区 域存在层流，其余大部分区域的气流状态都是紊流气流在前窗凹角有一个局部分离区形成局部涡流，在顶盖后缘再次分离以致扩展全尾部，形成尾部涡流区汽车上部和底部的空气压力不同，引起横向气流和车辆的升力，横向气流也会在车身表面产生涡流 分离现象，造成压差，产生所谓诱导阻力，见 图2-21汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力造成的当气流流过车身 时，因粘性的作用，空气微团与车身表面发生摩擦而阻碍了气体的流动，而形成的一种阻力称为空气摩 擦阻力汽车的空气摩擦阻力很小，约占 9%在汽车行驶速度范围内，空气阻力与气流相对速度的动压力 成正比，即2/ 一 '匚舄 （2 34） 2式中：G空气阻力系数，一般为雷诺数R的函数（在车速较高、动压力较高而相应气体的粘性摩擦较 小时，CD将不随R而变化）；P为空气密度，一般视为常数；A为汽车正投影面积，通常称为迎风面 积（m2） ； Ur汽车相对空气的的速度（m/s）影响空气Fw的设计因素是空气阻力系数Cd和迎风面积A。
由于乘坐空间的制约A变化不大近年来 空气动力学设计取得了很大进展，其中 Cd变化较大20世纪50年代至20世纪70年代, CD 0.4 0.6,20世纪90年代CD 0.25 0.4,目前某些概念车 0.20CD的大小对轿车（高速）的性能影响极大 图2-22是大众集团汽车空气阻力系数的逐年变化情）兄表 2-7为汽车空气阻力系数CD和迎风面积A的变化范围表2-8为典型轿车空气阻力系数表2-7汽车空气阻力系数CD和迎风面积A的变化范围车型迎风面积Am空。