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1 第 一 章 汽 车 动 力 性 本节重点计算并分析汽车行驶过程中的驱动力和行驶阻力。第 二 节 汽 车 的 驱 动 力 与 行 驶 阻 力 返回目录 2TtF0Ftr ua第二节 汽车的驱动力与行驶阻力一 、 驱 动 力 Ft驱动力Ft：发动机产生的转矩经传动系传到驱动轮，产生驱动力矩Tt，驱动轮在Tt的作用下给地面作用一圆周力F0，地面对驱动轮的反作用力F t即为驱动力。 3TtF0Ftrtq g 0 Tt T i iF r rTF tt t tq g 0 TT T i i uaTt驱动力矩；Ttq 发动机转矩；第二节 汽车的驱动力与行驶阻力一 、 驱 动 力 Ftig变速器传动比；i0主减速器传动比；T传动系的机械效率。 4 riiTF T0gtqt 能否解释为什么汽车低挡的加速能力好于高挡？思 考 Ft 与发动机转矩Ttq、变速器传动比 ig、主减速器传动比 i0、传动系的机械效率T 和车轮半径 r 等因素有关。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力由 可知 5 驱动力和车速都与发动机特性有直接关系，可以通过发动机特性曲线找出驱动力与车速之间的关系。发动机uaFt 计算驱动力是为了确定汽车的动力性指标，也即要找出驱动力和车速的关系。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 6 发动机的转速特性，即Pe、Ttq、b=f（n）关系曲线。节气门开启程度的不同外特性曲线部分负荷特性曲线思考计 算 汽 车 动 力 性 指 标 时，需 要 用 什 么 特 性 曲 线 ？1.发 动 机 的 转 速 特 性第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 79550tqe nTP 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 8 发动机转速特性曲线第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 9 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 带上全部附件设备时的发动机特性曲线，称为使用外特性曲线。一般，使用外特性与外特性相比： 汽油机的最大功率约小15%； 货车柴油机的最大功率约小5%； 轿车与轻型货车柴油机的最大功率约小10%。 10 宝来轿车发动机的基本参数如下 ： 水冷，直列四缸，每缸五气门最大功率 110kW/5700 r/min最大转矩 210Nm/17504600 r/min缸径行程 81mm86.4mm压缩比 9.3:1思考 宝 来 轿 车 发 动 机 的 转 矩 输 出 特 性 是 否 理 想 ？ 为 什 么 ？ 汽 车 起 步 加 速 时，过 早 换 入 高 挡 （ 即 发 动 机 转 速 较 低 时 即 换 入高 挡 ) 是 否 有 利 于 其 加 速 性 ？ 发 动 机 最 大 转 矩 对 应 的 转 速 较 低 好 还 是 较 高 好 ？ 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 11 in TinT P PP 等速行驶时ein PP eTe TeT 1 PPPPP PT传动系损失的功率。Pin输入传动系的功率；第二节 汽车的驱动力与行驶阻力2.传 动 系 的 机 械 效 率 T 12转速 机械损失液力损失转矩齿轮对数过低，热容量小过高，搅油损失大油面高度温度润滑油品质直接挡T最高T高损失小齿轮对数少T高损失的比重小损失大Ttq大传 动 系 损 失 的 功 率 PT主 要 与 哪 些 因 素 有 关 ？ 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力PT思考 13 传动系效率曲线第二节 汽车的驱动力与行驶阻力挡挡 11200r/min 21600r/min 31900r/min 42000r/min 14 部件名称T46 挡变速器95%辅助变速器（副变速器或分动器）95%8 挡以上变速器90%单级减速主减速器96%双级减速主减速器92%传动轴的万向节98%第二节 汽车的驱动力与行驶阻力表1-1 传动系各部件的传动效率 15 自由半径：车轮处于无载时的半径。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。滚动半径rr：车轮几何中心到速度瞬心的距离。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力3.车 轮 半 径 16 riiTF T0gtqt 0ga 377.0 iinru 做出的Ft - ua关系图，即驱动力图。依据下面两式以及发动机外特性曲线第二节 汽车的驱动力与行驶阻力4.汽 车 的 驱 动 力 图 17nmin ntq np nmaxn/(rmin-1) 800 3300 5700 6200Ttq/(Nm ) 142 195 159 143ig1=2.13 Ft1/N 5438 7468 6089 5477ua1/(kmh-1 ) 7.1 29.2 50.5 54.9 例：已知奥迪A4轿车发动机的数据（如下表所示），ig1=2.13，i0=6.333，r=0.317m，T=0.90，由和可以对应计算出 1 挡的Ft1和ua1。riiTF T0gtqt a g 00.377 nru i i第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 18 奥迪 A4 轿车驱动力图 1a /(km h )u 19 1tF 2tF 3tF 4tF 5tF第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 20jiwf FFFFF 滚动阻力Ff第二节 汽车的驱动力与行驶阻力二 、 汽 车 的 行 驶 阻 力汽 车 在 行 驶 过 程 中 将 会 遇 到 哪 些 行 驶 阻 力 ？如 何 保 证 汽 车 可 以 加 速 或 爬 坡 ？空气阻力Fw坡度阻力Fi加速阻力Fj汽车行驶总阻力思考 21 软路面上硬路面上产生滚动阻力的主要原因轮胎变形轮胎变形和路面变形轮 胎 变 形 为 什 么 会 产 生 滚 动 阻 力 ？轮胎的迟滞损失：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。1.滚 动 阻 力 Ff第二节 汽车的驱动力与行驶阻力思 考 22 ua加载变形区卸载变形区n n思考 由 轮 胎 的 迟 滞 损 失 图 看 ， 在 轮 胎 径 向 变 形 相 同 的 情 况 下 ，地 面 作 用 在 加 载 变 形 区 与 卸 载 变 形 区 的 法 向 反 力 是 否 相 等 ？ 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 23 au nnW dd 1pF 1XF au nnW p1F 1XFar au nnW 1pF 1XFZF ZFO E FCD A h ZF 1） 从 动 轮 受 力 分 析第二节 汽车的驱动力与行驶阻力FZdFZd fT ZF 24 aFT Zf f1p TrF raFrTF Z f1p raf p1F Wf WFf 1pWfF f rTF ff f滚动阻力系数 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力au nnW p1F 1XFar ZF au nnW 1pF 1XFfT ZF令 25 au W p2F2XF ZFtT a raFTrF ZX t2 ft TT rTrTFX ft2 ft FF 即路面作用于驱动轮的切向力FX2比Ft要小。 2） 驱 动 轮 受 力 分 析第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 264a4a10 100100 ufufff ua高 f 大 货车 f=0.0076+0.000056ua 3） 影 响 Ff的 因 素第二节 汽车的驱动力与行驶阻力轿车（ 1） 车 速 ua 27 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 zf 28轮胎的两个最重要参数：极限速度和承载量。 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力临界车速（最高车速） 当汽车车速超过临界车速时，轮胎会出现驻波现象，其周缘呈明显的波浪状，且轮胎温度快速增加。 后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎。 驻 波 现 象 ： 在 高 速 行 驶 时 ， 轮 胎 离 开 地 面 后 因 变 形所 产 生 的 扭 曲 并 不 立 即 恢 复 ， 其 残 余 变 形 形 成 了 一 种 波 ，这 就 是 驻 波 。 此 时 轮 胎 周 缘 不 再 是 圆 形 ， 而 呈 明 显 的 波浪 形 。 轮 胎 刚 离 开 地 面 时 波 的 振 幅 最 大 ， 它 按 指 数 规 律 沿 轮 胎 圆 周 衰 减 。 29 驻波现象（图像）第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 30 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。 （ 2） 轮 胎 结 构第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 31 （ 3） 气 压第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 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。 32 （ 4） 驱 动 力第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 33 为 什 么 驱 动 力 系 数 很 大 时，气 压 越 低 f 越 小 ？Ft胎面滑移Ffpa接地面积胎面滑移滑移引起的Ff思考第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 34上高速公路时，轮胎气压应该适当高一些。在松软路面、泥泞路面、雪地行驶时，可适当降低轮胎气压。 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 在 高 速 公 路 上 ， 轮 胎 变 形 产 生 的 滚 动 阻 力大 还 是 滑 移 产 生 的 滚 动 阻 力 大 ？ 胎压高轮胎变形小迟滞损失少Ff小胎压低滑移小Ff小 上 高 速 公 路 前 要 检 查 胎 压，在 给 定 的 胎 压 范 围 内，胎压 适 当 高 一 些 好 还 是 低 一 些 好 ？思考思考 35 路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面0.0100.018一般的沥青或混凝土路面0.0180.020碎石路面0.0200.025良好的卵石路面0.0250.030坑洼的卵石路面0.0350.050压紧土路干燥的0.0250.035 雨后的0.0500.150泥泞土路（雨季或解冻期）0.1000.250干沙0.1000.300湿沙0.0600.150结冰路面0.0150.030 压紧的雪道0.0300.050 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 由轮胎与土壤之间的粘着性所致（ 5） 路 面 条 件表1-2 滚动阻力系数 f 的数值 36 离心力前、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（ 6） 转 向第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 37 （ 1） 压 力 阻 力（占91）汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力称为空气阻力。 作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力。2.空 气 阻 力 FW第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 38 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 39 取决于车身主体形状。1） 形 状 阻 力第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 40 后视镜 车身表面的凸起物引起的阻力。 2） 干 扰 阻 力第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 41 后视镜 后视镜设计也要注重流线形第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 42 后视镜 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 43 后视镜 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 44 门把手 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 45 悬架导向杆和传动轴 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 46 满足冷却、通风等需要，使空气流经车体内部时构成的阻力。4） 诱 导 阻 力空气升力在水平方向的投影。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力3） 内 循 环 阻 力 由于流经车顶的气流速度大于流经车底的气流速度，使得车底的空气压力大于车顶，从而空气作用在车身上的垂直方向的压力形成压差，这就是空 气 升 力。 47 思考夏 季 在 高 速 公 路 上 开 空 调 省 油 还 是 开 窗 通 风 省 油 ？第二节 汽车的驱动力与行驶阻力打 开 天 窗 换 气 和 打 开 侧 窗 换 气 有 何 不 同 ？ 打开天窗换气时，天窗上方的压力低于车内的压力。（ 2） 摩 擦 阻 力（9） 由于空气粘性作用在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。 48 2rDw 21 uACF 2 41.2258N s m 15.21 2aDw AuCF CD空气阻力系数；A迎风面积；ur相对速度；空气密度。 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力（ 3） 空 气 阻 力 FW的 计 算 49 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力发动机盖应向前下倾（ 4） 减 小 CD值 要 遵 循 的 要 点1） 车 身 前 部 50 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力面与面交接处的棱角应为圆柱状。 51过渡不理想 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力面与面交接处的棱角应为圆柱状。 52 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。 53 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力越野车很难做到风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。 54 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。 55 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力上掀式前照灯（视频） 56 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力在保险杠下面，应安装合适的扰流板。 57 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力车轮盖应与轮胎相平。 58 思 考 ： F1方 程 式 赛 车 为 什 么 不 用 车 轮 盖 ？ 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 59 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力整个车身应向前倾12。2） 整 车 60 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力水平投影应为腰鼓形。 61 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力后端稍稍收缩，前端呈半圆形。 62 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力最好采用舱背式或直背式。3） 汽 车 后 部 63 应安装后扰流板。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 64 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 当车速超过120km/h，尾翼会自动升高160mm，为车身增加30的下压力；在车速低于80km/h，尾翼又会自动降低。 应安装后扰流板。 65 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力应安装后扰流板。 66 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力应安装后扰流板。 67 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力应安装后扰流板。 68 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力若用折背式，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。 69 后面应采用鸭尾式结构。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 70 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力后面应采用鸭尾式结构。 71 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。4） 车 身 底 部 72 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力底部比较凌乱 73 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力底部比较凌乱 74 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。5） 发 动 机 冷 却 通 风 系 统 75 冷却前制动器冷却前制动器冷却发动机和制动器冷却后制动器和润滑系统第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 76冷却发动机和前制动器冷却后制动器 为发动机提供充足的空气第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 77 什 么 是 超 级 跑 车 ？ 限量生产、价格高昂、动力强劲（3.5L以上、8缸以上）、起步快（0100km/h时间在5s以内）、技术超群、车身自重轻（采用碳纤维或轻质合金材料）、外观超前等。 形象的描述：外观鲜亮，让人爱得要死；加速时令人皮肤绷紧、汗毛直竖，让人吓得要死；数量奇少，价格奇高，让人想得要死。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力思 考 ： 对 于 轿 车 和 超 级 跑 车，哪 种 车 型 的 空 气 阻 力 系 数 更大 ？ 为 什 么 ？ 78 三种超级跑车兰博基尼法拉利保时捷第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 79 答案 由于尾翼的影响、发动机和制动器通风冷却的需要，超级跑车的空气阻力系数一般会大于普通轿车。兰博基尼跑车 在冷却通风口关闭且扰流板摆平时，CD值为0.33；展开时，CD值为0.36。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力思 考 ： 对 于 轿 车 和 超 级 跑 车，哪 种 车 型 的 空 气 阻 力 系 数 更大 ？ 为 什 么 ？ 80 减小CD值要遵循的要点总结如下：第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 81 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力未来轿车的外形 82 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力导流板 6）货车和半挂车的空气阻力也很重要，不少货车驾驶室上已装用导流板等装置，以减小空气阻力、节省燃油。 83 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 84 车型空气阻力系数CD 帕萨特0.28 奥迪A4 0.28 现代0.29 奔驰C级0.26 奔驰S级0.27 保时捷0.31 陆虎览胜0.38一些常见车型的空气阻力系数第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 85i sinF G 汽车重力沿坡道的分力。第二节 汽车的驱动力与行驶阻力3.坡 度 阻 力 Fi 86 路面imax高速公路平原微丘区3%高速公路山岭重丘区5%一级汽车专用公路平原微丘区5%一级汽车专用公路平原重丘区6%四级公路平原微丘区6%四级公路平原重丘区9%一般道路的坡度均较小。一些常见路面的坡度第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 87 i tansin GiGGF tansini第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 88 道路阻力cos ( )F Gf Gi G f i f iF F F sincos GGf 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力滚动阻力和坡度阻力之和。一般道路 较小， 1， i令f+i= ， 为道路阻力系数 F G sin 89 平移质量的惯性力 旋转质量的惯性力偶矩第二节 汽车的驱动力与行驶阻力汽车加速行驶时，克服其质量加速运动时的惯性力。tumF ddj 2 2f g 0 Tw2 21 11 I i iIm r m r 旋转质量换算系数I W 车轮转动惯量；If飞轮转动惯量。 4.加 速 阻 力 90 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力挡位不同，值不同 91总质量越小的车，旋转质量换算系数值越大。 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力总质量不同，值不同 92 t f w i jF F F F F cos 1tq g 0 T 2D a dcos sin21.15 dT i i C A uGf u G mr t tq g 0 T 2D a d21.15 dT i i C A uGf u Gi mr t sin tan i 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力三 、 汽 车 行 驶 方 程 式 93 20gf2w2 212121 ruiiIruImuE汽车受到外力的功率为P uFFFP )( iwf 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力用功率方程推导和汽车行驶方程式汽车以车速u行驶时的动能为E发动机功率为Pe ur iiTTP 0gtqetqe 传动系摩擦阻力的负功率为Pr uFP rr Fr 传动系摩擦力转换到车轮轮缘的阻力。 94 加速时飞轮和车轮的受力图第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 95 ruiiii 0g0ge 无级变速时 tiutuirit dddddd gg0e T0geftqt dd iitITT 如果只考虑飞轮的转动惯量，加速时作用于驱动轮的转矩 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 0geftqt dd iitITT 设传动系无任何摩擦阻力，作用于驱动轮的转矩为tT 96 er t t tq f g 0 Td (1 )dT T T T I i it 传动系各处摩擦转换到驱动轮处的摩擦阻力转矩为Tr第二节 汽车的驱动力与行驶阻力tiruiiIturiiIriiTrTF dd)1(dd)1()1( g2 Tg20f2 T202gfT0gtqrr utiruiiIturiiIriiTP dd)1(dd)1()1( g2 Tg20f2 T202gfT0gtqr 传动系摩擦损耗的功率为Pr传动系各处摩擦转换到车轮周缘的总摩擦阻力为Fr 97 2 2f g 0w2 2 22 2tq g 0f w id 1 1 1d 2 2 2 I i iImu u ut r rT i iF F F r utiruiiIturiiIriiT dd)1(dd)1()1( g2 Tg20f2 T202gfT0gtq 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力由汽车整体动能对时间的变化率等于所有作用力的功率，可得下式 98 tir uiiItuur iiIrIm dddd g2 2g20f2 202gf2 w utiruiiIturiiIFFFF dd1dd1 g2 Tg20f2 T202gfiwft )()( tir uiiIturiiIrImFFFF dddd g2 Tg20f2 T202gf2 wiwft 由上式得出汽车的行驶方程式 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力 99t ir uiiItum tir uiiIturiiIrImF dddd ddddg2 Tg20f g2 Tg20f2 T202gf2 wj 2 T202gf2w1 mriiImrI 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力由上式可得汽车的加速阻力为 100t ir uiiItum tir uiiIturiiIrImF dddd ddddg2 Tg20f g2 Tg20f2 T202gf2 wj 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力由上式可得汽车的加速阻力为 如果汽车装有有级式固定传动比变速器， 加速阻力 ，所以为装有固定传动比变速器汽车的旋转质量换算系数。gd 0dit j dduF m t 101t ir uiiItum tir uiiIturiiIrImF dddd ddddg2 Tg20f g2 Tg20f2 T202gf2 wj 第二节 汽车的驱动力与行驶阻力由上式可得汽车的加速阻力为 如果汽车装有传动比连续变化的无级变速器，加速阻力为上述两项之和，其中第二项加速阻力是由于传动比变化率 使发动机飞轮加速而产生的。gd /di t 102 第 二 节 汽 车 的 驱 动 力 与 行 驶 阻 力本 节 内 容 结 束下一节