1、第二章第二章汽车的动力性汽车的动力性(作用于汽车的各种外力作用于汽车的各种外力)本章首先阐述汽车驱动力、各种行驶阻力、本章首先阐述汽车驱动力、各种行驶阻力、附着力及地面法向反作用力，建立驱动与附着力及地面法向反作用力，建立驱动与附着条件及汽车驱动力平衡方程。附着条件及汽车驱动力平衡方程。这些内容是分析汽车动力性的基础。这些内容是分析汽车动力性的基础。汽车在行驶过程中受到各种外力的作用汽车在行驶过程中受到各种外力的作用 沿汽车行驶方向作用于汽车的外力有驱动力和行沿汽车行驶方向作用于汽车的外力有驱动力和行驶阻力；驶阻力；在垂直于地面方向作用于汽车的外力，有重力垂在垂直于地面方向作用于汽车的外力，有
2、重力垂直于地面方向的分力和地面对车轮的法向反作用直于地面方向的分力和地面对车轮的法向反作用力；力；汽车横向平面内水平方向上的侧向力。汽车横向平面内水平方向上的侧向力。汽车的运动状态取决于作用在汽车上的各种外力汽车的运动状态取决于作用在汽车上的各种外力之间的关系。之间的关系。汽车的动力性决定于汽车的驱动力、行驶阻力及汽车的动力性决定于汽车的驱动力、行驶阻力及附着力之间的关系。附着力之间的关系。第一节第一节 汽车的驱动力汽车的驱动力 一、汽车的驱动力一、汽车的驱动力(一一)驱动力的产生驱动力的产生 动力传递路线：发动机（动力传递路线：发动机（）离合器离合器（）变速器（变速器（）万向节传动轴（万向节
3、传动轴（）主减速器（主减速器（）差速器（差速器（）半轴半轴车轮（车轮（）作用于驱动轮上的转矩：作用于驱动轮上的转矩：N.mnTPtqe、离变、gi传主、0i差tTr、TgtqtiiTT0差主传变离T汽车的传动系统汽车的传动系统轿车的传动系统轿车的传动系统驱动力驱动力 驱动力：驱动力：N （1-1）则：则：N 式中式中:发动机的有效扭矩，发动机的有效扭矩，N Nm m;变速器传动比；变速器传动比；主减速器传动比主减速器传动比；传动系的机械效率传动系的机械效率;作用于驱动轮的转矩，作用于驱动轮的转矩，N Nm m;车轮半径，车轮半径，m m。rTFttriiTrTFTgtqtt0tqTgi0iTt
4、Tr图图1-11-1汽车的驱动力汽车的驱动力汽车发动机产生的扭汽车发动机产生的扭矩矩T Tt t经传动系传至驱动经传动系传至驱动轮，驱动轮便产生一轮，驱动轮便产生一个作用于路面的圆周个作用于路面的圆周力力F F0 0，路面则对驱动轮，路面则对驱动轮作用一个反作用力作用一个反作用力F Ft t，F Ft t与与F F0 0大小相等，方向大小相等，方向相反。相反。F Ft t即为驱动汽车的外力，即为驱动汽车的外力，称为汽车的驱动力。称为汽车的驱动力。(二二)与发动机扭矩与发动机扭矩 的关系的关系 是由发动机产生经传动系传至驱动轮的扭矩，由传动过程可是由发动机产生经传动系传至驱动轮的扭矩，由传动过程
5、可知：知：N Nm m (1-2)(1-2)将式将式(1-2)(1-2)代入代入 得汽车的驱动力得汽车的驱动力 N.mN.m （1-31-3）由上式可知，由上式可知，汽车的驱动力与发动机的扭矩、传动系的各传汽车的驱动力与发动机的扭矩、传动系的各传动比及传动系的机械效率成正比，与车轮半径成反比。动比及传动系的机械效率成正比，与车轮半径成反比。因为因为 N.mN.m 故故 N N 式中：式中：发动机在转速为发动机在转速为n n时的功率，时的功率，kWkW。tTtqTTgtqtiiTT0rTFttriiTFTktqt0nPTetq9550nriiPFTket09550eP二、汽车的驱动力图二、汽车的
6、驱动力图 表示汽车驱动力表示汽车驱动力 与车速与车速 之间函数关系的曲线即之间函数关系的曲线即 曲线，通常称为汽车的驱动力图。驱动力图曲线，通常称为汽车的驱动力图。驱动力图的作法如下：的作法如下：驱动力图的纵坐标为汽车的驱动力驱动力图的纵坐标为汽车的驱动力 ，横坐标为车，横坐标为车速速 。车速车速 与发动机转速与发动机转速 的换算关系如下。的换算关系如下。汽车的速度常用汽车的速度常用 表示，则表示，则 auatuF tFautFmin/rnau0602iirnugsm/hkm/060210003600iirnugahkm/0377.0iirnugahkm/做做 曲线图曲线图(汽车的驱动力图汽车
7、的驱动力图)（1 1）计算参数）计算参数 特性、特性、；（2 2）运用公式）运用公式 （3 3）在某一确定的档位）在某一确定的档位 下为定值。若已知下为定值。若已知 特性、特性、，便便可按式可按式 求出对应于不同发动机转速的求出对应于不同发动机转速的 值。值。（4 4）再按）再按 的对应关系，在的对应关系，在 坐标系内找出对应点，将所坐标系内找出对应点，将所得得各点连接成圆滑曲线，就得到汽车在该档位下的驱动力曲线。各点连接成圆滑曲线，就得到汽车在该档位下的驱动力曲线。nTtqgirit、0riiTFTktqt00377.0iirnugaginTtqrit、0tF,0riiTFTktqtnuaa
8、tuF atuF 发动机的速度特性发动机的速度特性 如将发动机的功率、转矩以及燃油消耗率凸与发如将发动机的功率、转矩以及燃油消耗率凸与发动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示，则此动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机速度特性曲线或简称为发动机特曲线称为发动机速度特性曲线或简称为发动机特性曲线。性曲线。发动机节气门全开发动机节气门全开(或高压油泵在最大供油量位或高压油泵在最大供油量位置置)，则此特性曲线称为发动机外特性曲线；，则此特性曲线称为发动机外特性曲线；节气门部分开启节气门部分开启(或部分供油或部分供油)，则称为发动机部，则称为发动机部分负荷特性曲线。分负荷特性曲线。发动
9、机制造厂提供的发动机特性曲线，有时是在试验台发动机制造厂提供的发动机特性曲线，有时是在试验台上未带水泵、发电机等条件下测得的。带上全部附件设上未带水泵、发电机等条件下测得的。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。备时的发动机特性曲线称为使用外特性曲线。发动机外特性曲线发动机外特性曲线使用外特性曲线的功率小于外特性的功率使用外特性曲线的功率小于外特性的功率 使用外特性曲线的功率小于外特性的功率。使用外特性曲线的功率小于外特性的功率。一般汽油发动机使用外特性的最大功率比一般汽油发动机使用外特性的最大功率比外特性的最大功率约小外特性的最大功率约小15152525；货车柴油机的使用外特
10、性最大功率约小货车柴油机的使用外特性最大功率约小5 51010；轿车与轻型汽车柴油机约小轿车与轻型汽车柴油机约小10101515。将外特性曲线转化成数据将外特性曲线转化成数据 为了便于计算，常采用多项式来描述由试为了便于计算，常采用多项式来描述由试验台测得的、接近于抛物线的发动机转矩验台测得的、接近于抛物线的发动机转矩曲线，即曲线，即 式中，系数式中，系数 可由最小二乘法来确可由最小二乘法来确定；拟合阶数定；拟合阶数 随特性曲线而异，一般在随特性曲线而异，一般在2 2、3 3、4 4、5 5中选取。中选取。kktqnananaaT2210kaaaa,210k例如，北京内燃机总厂生产的例如，北京
11、内燃机总厂生产的492Q492Q发动机，发动机，由试验测得的转矩特性为：由试验测得的转矩特性为：可由如下五次多项式来表示：可由如下五次多项式来表示：51641138241085607.81020898.110191286.61036485.1110913.039.160nnnnnTtq式中：式中：为发动机转矩为发动机转矩()；为发动机转速为发动机转速()。tqTmN nmin/r经验公式计算发动机外特性：经验公式计算发动机外特性：1 1、计算汽油发动机外特性、计算汽油发动机外特性 已知给定最大功率已知给定最大功率 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 。maxePPnkwnnnnnnPPPPP
12、ee32max2 2、计算柴油发动机外特性、计算柴油发动机外特性 已知给定最大功率已知给定最大功率 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 。（1 1）直接喷射柴油机的外特性）直接喷射柴油机的外特性 maxePPnkwnnnnnnPPPPPee32max5.15.0（2 2）有预燃室的柴油机外特性）有预燃室的柴油机外特性 kwnnnnnnPPPPPee32max4.16.03 3、已知给定最大功率、已知给定最大功率 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 ；最大转矩最大转矩 及其相应的曲轴转速及其相应的曲轴转速 计算。计算。maxePPnmaxtqTtqnmNnnnnTTTTtqtqPPtqtqt
13、q22maxmax)()(最大功率时相应的转矩。PTPePnPTmax9550n1n2n3n4n5n6n7n8n9Ttq1Ttq2Ttq3Ttq4Ttq5Ttq6Ttq7Ttq8Ttq9ntqTmN计算结果列表：计算结果列表：min/r对应于不同的档位，有不同的驱动力曲线，如图对应于不同的档位，有不同的驱动力曲线，如图1-21-2所示。由所示。由图可见，在不同档位下，图可见，在不同档位下，曲线对应的速度区间也不同。曲线对应的速度区间也不同。tF图图1-2 1-2 某汽车的驱动力图某汽车的驱动力图 三、传动系的机械效率三、传动系的机械效率 发动机产生的功率发动机产生的功率 ，经传动系传至驱动轮，
14、经传动系传至驱动轮的过程中，必须克服传动系各机构的各种阻的过程中，必须克服传动系各机构的各种阻力，因而消耗一部分功率，称为传动系的功力，因而消耗一部分功率，称为传动系的功率损失率损失 。由离合器，变速器、万向传动机构及主减由离合器，变速器、万向传动机构及主减速器的功率损失组成。其中变速器和主减速速器的功率损失组成。其中变速器和主减速器的功率损失所占比例最大。器的功率损失所占比例最大。传动系的机械效率为传动系的机械效率为 ePTPTPeTeTeTPPPPP1传动系的功率损失可分为传动系的功率损失可分为机械损失机械损失和和液力损失液力损失两大类。两大类。（1 1）机械损失）机械损失指齿轮传动副、轴
15、承，油封等指齿轮传动副、轴承，油封等处的摩擦损失。处的摩擦损失。机械损失与啮合传动的齿轮对数和传递的扭矩有机械损失与啮合传动的齿轮对数和传递的扭矩有关。也受制造和装配质量影响。关。也受制造和装配质量影响。（2 2）液力损失）液力损失指消耗于润滑油的搅动、润滑指消耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件表面的摩擦等功率损失。油与旋转零件表面的摩擦等功率损失。液力损失随润滑油、的粘度液力损失随润滑油、的粘度(粘度取决于润滑油粘度取决于润滑油品种和温度品种和温度)、箱件内油面的高度以及旋转件的、箱件内油面的高度以及旋转件的转速增加而增大。转速增加而增大。图图1-3 81-3 88 8驱动型汽车传动系总的功
16、率损失与行驶速驱动型汽车传动系总的功率损失与行驶速度和润滑油温度的关系。度和润滑油温度的关系。由图由图1-31-3可见，总的来说，提高可见，总的来说，提高车速使传动系损失增加。这是车速使传动系损失增加。这是由于车速升高时，液力损失和由于车速升高时，液力损失和由各总成传递的扭矩均有所增由各总成传递的扭矩均有所增加。加。当各总成润滑油温度降低时，当各总成润滑油温度降低时，粘度增大，传动系总的功率损粘度增大，传动系总的功率损耗也增大。耗也增大。其主要原因都是液力损失增加其主要原因都是液力损失增加了。了。1油温 2 3KTm320KTm290KTm275传动系的效率是在专门试验台上测得的。传动系的效率
17、是在专门试验台上测得的。CAl0BCAl0B汽车变速器汽车变速器IVIV档、档、V V档的传动效率试验，证明档的传动效率试验，证明了如下的结论：了如下的结论：（1 1）该变速器，在）该变速器，在IVIV档档 (直接档直接档)工作时，啮合齿工作时，啮合齿轮没有传递扭矩，因此，比轮没有传递扭矩，因此，比V V档档(超速档超速档)时的传动时的传动效率要高。效率要高。（2 2）同一档位下，传递扭矩增加时，液力损失所）同一档位下，传递扭矩增加时，液力损失所占比例减少，传动效率较高。占比例减少，传动效率较高。（3 3）在同一档位、同一扭矩下转速低时搅油损失）在同一档位、同一扭矩下转速低时搅油损失小，传动效
18、率比转速高时要高。小，传动效率比转速高时要高。提高传动效率措施：提高传动效率措施：（1 1）对于变速器所有的档位来说，）对于变速器所有的档位来说，较高的较高的档位，传动效率也较高档位，传动效率也较高。直接档的传动效。直接档的传动效率最高，所以应尽可能采用高速档行驶，率最高，所以应尽可能采用高速档行驶，最好为直接档。最好为直接档。（2 2）若）若将齿轮间的啮合间隙及轴承，油封将齿轮间的啮合间隙及轴承，油封的松紧度调整好，新出厂的汽车按规范走的松紧度调整好，新出厂的汽车按规范走合合，均可以提高传动系的机械效率。，均可以提高传动系的机械效率。提高传动效率措施提高传动效率措施（3 3）采用减少润滑油粘
19、度的办法来降低传动）采用减少润滑油粘度的办法来降低传动系的液力损失系的液力损失。综合各种试验研究的结果表明综合各种试验研究的结果表明在传动系总的损失中，因传递在传动系总的损失中，因传递扭矩造成的损失所占比重较小。对传动系损失有影响的基本扭矩造成的损失所占比重较小。对传动系损失有影响的基本因素是各总成结构型式和润滑油粘度。因素是各总成结构型式和润滑油粘度。这种方法通常有两种形式：这种方法通常有两种形式：选择合适的润滑油基础油，并向基础油中加入特种添加选择合适的润滑油基础油，并向基础油中加入特种添加剂。剂。对在使用中润滑油温度低于标准值的总成采取保温措施。对在使用中润滑油温度低于标准值的总成采取保
20、温措施。通常采用安装护板，利用绝热材料保温等办法来减少各总成通常采用安装护板，利用绝热材料保温等办法来减少各总成的散热。例如，采取保温措施可使的散热。例如，采取保温措施可使6 66 6驱动型汽车的油耗平驱动型汽车的油耗平均下降均下降3 34 4。改变各总成的结构参数是一条复杂而艰巨的途径。例如改变各总成的结构参数是一条复杂而艰巨的途径。例如用强制润滑代替飞溅润滑是减少液力损失的一种有效方法，用强制润滑代替飞溅润滑是减少液力损失的一种有效方法，但实施却不容易。但实施却不容易。提高传动效率措施提高传动效率措施（4 4）应按规范保养，按需要修理，以提高。）应按规范保养，按需要修理，以提高。在汽车使用
21、过程中，由于机件磨损，配合在汽车使用过程中，由于机件磨损，配合情况变坏，传动系效率将不断下降。情况变坏，传动系效率将不断下降。实际使用中，传动系效率受各种因素影响实际使用中，传动系效率受各种因素影响而变化，但对汽车进行一般动力性分析时而变化，但对汽车进行一般动力性分析时可将它视为常值。可将它视为常值。传动系效率等于各总成传动效率的乘积传动系效率等于各总成传动效率的乘积。汽车的传动系效率汽车的传动系效率 货车、客车和越野汽车的传动系效率可根据货车、客车和越野汽车的传动系效率可根据其传动系的组合形式，按表其传动系的组合形式，按表1-11-1进行估算。也进行估算。也可把传动效率取为常数。可把传动效率
22、取为常数。单级主减速货车单级主减速货车 =0.90=0.90；双级主减速货车双级主减速货车 =0.85=0.85；4 44 4货车货车 =0.85=0.85；6 6 6 6货车货车 =0.80=0.80；有级机械变速传动的轿车有级机械变速传动的轿车 =0.90=0.900.92。TTTTT传动系各总成的传动效率传动系各总成的传动效率 表表1-11-1四、车轮半径四、车轮半径 r r 现代汽车装用的弹性充气轮胎，在径向、切向、横现代汽车装用的弹性充气轮胎，在径向、切向、横向都有弹性。故车轮半径因受力和运动状态不同而向都有弹性。故车轮半径因受力和运动状态不同而异。异。1 1、自由半径、自由半径 。
23、车轮无载荷情况下的半径。通车轮无载荷情况下的半径。通常指标准充气压力下的半径。常指标准充气压力下的半径。2 2、静力半径、静力半径 。车轮只承受法向载荷、不转动、。车轮只承受法向载荷、不转动、只有径向变形时轮轴中心至支承面间的距离。只有径向变形时轮轴中心至支承面间的距离。与法向载荷，轮胎的径向刚度及支承面刚度有关。与法向载荷，轮胎的径向刚度及支承面刚度有关。0rsrosrr sr车轮半径车轮半径 r r 3 3、动力半径、动力半径 。滚动的车轮除承受法向载荷外，还受扭。滚动的车轮除承受法向载荷外，还受扭矩作用，轮胎有径向和切向变形时，轮轴中心与支承面间的矩作用，轮胎有径向和切向变形时，轮轴中心
24、与支承面间的距离用距离用 表示。表示。与法向载荷、轮胎气压、及扭矩大小有与法向载荷、轮胎气压、及扭矩大小有关。由于轮胎的切向刚度大，而且高速滚动时又有离心力作关。由于轮胎的切向刚度大，而且高速滚动时又有离心力作用，使车轮半径略有增大，故用，使车轮半径略有增大，故 。4 4、滚动半径、滚动半径 。表示车轮旋转运动与平移运动的折算半径。表示车轮旋转运动与平移运动的折算半径。即车轮旋转转以后，轴心位移即车轮旋转转以后，轴心位移S S，由此折算出，由此折算出 。也与法也与法向载荷、胎内气压、扭矩、路面状况有关。向载荷、胎内气压、扭矩、路面状况有关。或或 F F计算常数，子午线轮胎计算常数，子午线轮胎F
25、 F=3.05;=3.05;斜交轮胎斜交轮胎F F=2.99=2.99；d d欧洲轮胎、轮辋技术协会会员生产的轮胎自由直径。欧洲轮胎、轮辋技术协会会员生产的轮胎自由直径。grgrgrgsrr rrwrnSr22Fdrrrrrr分析分析 弹性车轮在刚性路面上滚动，并受切向力作弹性车轮在刚性路面上滚动，并受切向力作用时，由于驱动力或制动力引起的轮胎变形用时，由于驱动力或制动力引起的轮胎变形不同，驱动力作用下的滚动半径减小，制动不同，驱动力作用下的滚动半径减小，制动力作用下的滚动半径增大。力作用下的滚动半径增大。作动力学分析时，应用静力半径；作动力学分析时，应用静力半径；作运动学分析时，应用滚动半径
26、。作运动学分析时，应用滚动半径。为了方便，在进行车辆性能的粗略估算时，为了方便，在进行车辆性能的粗略估算时，均采用车轮的滚动半径作为车轮的工作半径均采用车轮的滚动半径作为车轮的工作半径r r。各种车轮半径可由试验测得。各种车轮半径可由试验测得。静力半径可用下式估算：静力半径可用下式估算：mbdrs,1200254.0式中：式中：d d轮辋直径，轮辋直径，inin；b b轮胎断面宽度，轮胎断面宽度，inin；入入轮胎变形系数。轮胎变形系数。轿车轿车 入入=0.12=0.120.140.14 载货汽车、客车载货汽车、客车 入入=0.10=0.100.120.12 超低压胎超低压胎 入入=0.12=
27、0.120.180.18。国产汽车轮胎的自由半径与静力半径国产汽车轮胎的自由半径与静力半径 表表1-21-2部分国产汽车车轮滚动半径部分国产汽车车轮滚动半径 表表1-31-3 第二节第二节 汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力 汽车行驶过程中所遇到的阻力可分为四种：汽车行驶过程中所遇到的阻力可分为四种：滚动阻力滚动阻力 ，空气阻力，空气阻力 、上坡阻力、上坡阻力 和加和加速阻力速阻力 。其中其中 、。在任何行驶条件下总是存在的。在任何行驶条件下总是存在的。克服、所消耗的能量是纯消耗，不能回收利克服、所消耗的能量是纯消耗，不能回收利用。克服用。克服 、所消耗的能量可分别在下坡所消耗的能量可分别在下坡和滑
28、行时重新利用。和滑行时重新利用。fFwFiFjFfFwFiFjF一、滚动阻力一、滚动阻力 滚动阻力滚动阻力 当车轮在路面上滚动时，由当车轮在路面上滚动时，由于两者间的相互作用力和相应变形所引起于两者间的相互作用力和相应变形所引起的能量损失的总称。的能量损失的总称。fF(一一)滚动阻力损失的组成滚动阻力损失的组成 装用弹性轮胎的汽车大多数行驶于坚硬路面装用弹性轮胎的汽车大多数行驶于坚硬路面上，此时滚动阻力主要是由轮胎变形引起的。上，此时滚动阻力主要是由轮胎变形引起的。汽车在松软路面上行驶时，滚动阻力主要来汽车在松软路面上行驶时，滚动阻力主要来自路面的塑性变形，其次是轮胎变形。自路面的塑性变形，其
29、次是轮胎变形。软路面上显著增大。轮胎变形的同时，轮胎软路面上显著增大。轮胎变形的同时，轮胎各组成部分之间也产生摩擦阻力。各组成部分之间也产生摩擦阻力。此外，胎面与路面接触部位的相对滑移引起此外，胎面与路面接触部位的相对滑移引起的摩擦阻力，以及悬架弹簧变形时，悬架机的摩擦阻力，以及悬架弹簧变形时，悬架机构各零件之间的摩擦阻力都要消耗能量。构各零件之间的摩擦阻力都要消耗能量。轮胎变形为什么会产生滚动阻力？轮胎变形为什么会产生滚动阻力？产生滚动阻力的主要原因产生滚动阻力的主要原因轮胎变形轮胎变形轮胎变形和路面变形轮胎变形和路面变形硬路面上硬路面上软路面上软路面上轮胎的迟滞损失轮胎的迟滞损失：轮胎在加
30、载变形时所消耗的能量在卸：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损失上，产生热量，这种损失称为轮胎的迟滞损失迟滞损失。(二二)轮胎滚动时的弹性迟滞损失轮胎滚动时的弹性迟滞损失 弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎在径向弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎在径向和周向均有变形。路面可近似地视为刚性，和周向均有变形。路面可近似地视为刚性，下面从径向变形出发讨论轮胎滚动时滚动下面从径向变形出发讨论轮胎滚动时滚动阻力的形成。阻力的形成。弹性轮胎的每一截面相当于一个微小弹性弹性轮胎的每一
31、截面相当于一个微小弹性体。轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形体。轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形可视为无数微小弹性体依次被压缩和恢复可视为无数微小弹性体依次被压缩和恢复松驰的过程。松驰的过程。滚动阻力滚动阻力 车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的变形。和支承路面的变形。轮胎和支承面的相对刚度决定了变形的特轮胎和支承面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬路面点。当弹性轮胎在硬路面(混凝土路、沥青混凝土路、沥青路路)上滚动时，轮胎的变形是主要的。上滚动时，轮胎的变形是主要的。
32、此时由于轮胎有内部摩擦产生弹性迟滞损此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失，使轮胎变形时对它作的功不能全部回收。收。9.00-209.00-20轮胎的径向变形曲线轮胎的径向变形曲线图中图中0CA0CA为加载变形曲线，面积为加载变形曲线，面积0CAB00CAB0为加载过程中对轮胎作功；为加载过程中对轮胎作功；ADEADE为卸载变形曲线，面积为卸载变形曲线，面积ADEBAADEBA为卸载过程中轮胎恢复变为卸载过程中轮胎恢复变形时放出的功。形时放出的功。由图可知，两曲线并不重合，由图可知，两曲线并不重合，两面积之差两面积之差0CADEO0CADEO即为加载与即为加
33、载与卸载过程之能量损失。卸载过程之能量损失。此能量系消耗在轮胎各组成部此能量系消耗在轮胎各组成部分相互间的摩擦以及橡胶、帘分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最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。后转化为热能而消失在大气中。这种损失称为弹性物质的迟滞这种损失称为弹性物质的迟滞损失。损失。图图1-41-4弹性车轮弹性车轮（从动轮受力分析从动轮受力分析）在硬路面上的滚动在硬路面上的滚动 分析，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，地面对车轮分析，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
34、车轮滚动时，在法线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n-nn-n 前后相对应点前后相对应点d d和和d d (图图1-4a)1-4a)变形虽然相同，但由于弹性迟滞现象，处于压缩过程的前部变形虽然相同，但由于弹性迟滞现象，处于压缩过程的前部d d点的点的地面法向反作用力就会大于处于恢复过程的后部地面法向反作用力就会大于处于恢复过程的后部d d 点的地面法向反作用力，这可以点的地面法向反作用力，这可以从图从图1-4b1-4b中看出。设取同一变形中看出。设取同一变形，压缩时的受力为，压缩时的受力为CFCF，恢复时受力为，恢复时受力为DFDF，而，而CFCF大大于于DFDF。这样
35、，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。这样，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F FZ Z相对相对于法线于法线n-nn-n 向前移了一个距离向前移了一个距离a(a(图图1-5a)1-5a)，它随弹性迟滞损失的增大而变大。，它随弹性迟滞损失的增大而变大。合力合力FzFz与法向载荷形大小相等，方向相反。与法向载荷形大小相等，方向相反。F FZdZdF FZdZd(三三)轮胎的弹性迟滞损失表现为阻碍车轮滚动轮胎的弹性迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的阻力偶的阻力偶 图图1-51-5从动轮在硬路面上滚动时的受力情况从动轮在硬路面上滚动时的受力情况 分析分析 从动轮在硬
36、路面上滚动时，由于地面法向反作用力分布从动轮在硬路面上滚动时，由于地面法向反作用力分布不对称，其合力不对称，其合力F FZ Z相对于车轮的垂直轴线向前移一个距相对于车轮的垂直轴线向前移一个距离离a a，如图，如图1-5a1-5a所示。合力所示。合力F FZ Z与与W W大小相等方向相反。大小相等方向相反。如果将法向反作用力如果将法向反作用力F FZ Z平移至与车轮的垂直轴线重合，平移至与车轮的垂直轴线重合，则从动轮在硬路面上滚动时的受力情况如图则从动轮在硬路面上滚动时的受力情况如图1-5b1-5b所示，所示，即车轮滚动时受有滚动阻力偶矩即车轮滚动时受有滚动阻力偶矩 的阻碍作用。的阻碍作用。欲使
37、车轮滚动，必须在车轮中心加一推力欲使车轮滚动，必须在车轮中心加一推力F FP1P1，它与地面，它与地面切向反作用力构成一个力偶矩克服滚动阻力矩。切向反作用力构成一个力偶矩克服滚动阻力矩。aFTZf(四四)滚动阻力系数及滚动阻力的计算滚动阻力系数及滚动阻力的计算 1 1、从动轮在硬路面上滚动时：、从动轮在硬路面上滚动时：由从动轮的平衡条件得由从动轮的平衡条件得:为克服滚动阻力偶矩为克服滚动阻力偶矩 ，应加之推力为，应加之推力为:若令若令 ，考虑，考虑 与与 的大小相等，则的大小相等，则 称为滚动阻力系数称为滚动阻力系数fPTrF1aFTzfraFrTFZfP1raf ZFWWFfWfFPP11或
38、f滚动阻力系数滚动阻力系数 滚动阻力系数滚动阻力系数 。它表示车轮在一定条件下滚动时，。它表示车轮在一定条件下滚动时，所需之推力与车轮负荷之比，即单位车重所需之推所需之推力与车轮负荷之比，即单位车重所需之推力。试验表明，它不随力。试验表明，它不随 增减而变化。由此得滚增减而变化。由此得滚动阻力的计算公式为动阻力的计算公式为 (1-8)(1-8)即车轮滚动时的滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮即车轮滚动时的滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷的乘积。负荷的乘积。显然显然 需要指出，滚动阻力只是一个计算值，用需要指出，滚动阻力只是一个计算值，用 代替代替 的作用，有利于动力性分析的简化。的作用，有利于动
39、力性分析的简化。fffWFf1WrTFfffFfT2 2、驱动轮在硬路面上滚动时、驱动轮在硬路面上滚动时 图1-6 驱动轮在硬路面上滚动时的受力情况 驱动轮的垂直载荷；驱动轮的垂直载荷；驱动力矩所引起的驱动力矩所引起的确地面切向反作用力；确地面切向反作用力；驱动轴对车轮的作驱动轴对车轮的作用力；用力；法向反作用力。由法向反作用力。由于轮胎的弹性迟滞损失于轮胎的弹性迟滞损失向前移了一个距离，因向前移了一个距离，因此产生滚动阻力偶此产生滚动阻力偶矩矩 ；为车轮半径。为车轮半径。W2XF2PFZFfTr地面切向反作用力地面切向反作用力 根据驱动轮的平衡条件，对轮心取矩 式中 得 由此可见，作用在驱动
40、轮上，真正驱动汽车行驶的力是地面切向反作用力 ，它的数值应为驱动力 减去驱动轮的滚动阻力 。02tfxTTrFaFTzfftxTTrF2ftftXFFrTrTF22XFtFfF2XF汽车在水平路面上直线行驶的滚动阻力汽车在水平路面上直线行驶的滚动阻力 整车的滚动阻力，也可引用上面推导出的公式，将整车的滚动阻力，也可引用上面推导出的公式，将汽车在水平路面上直线行驶的滚动阻力写成下面公汽车在水平路面上直线行驶的滚动阻力写成下面公式式 N N （1-91-9）式中：式中：汽车重力，汽车重力，N N；滚动阻力系数。滚动阻力系数。公式公式(1-9)(1-9)中也包含了汽车行驶时轮胎的侧向变形、中也包含了
41、汽车行驶时轮胎的侧向变形、切向变形、道路变形以及悬架零件的摩擦等所引起切向变形、道路变形以及悬架零件的摩擦等所引起的损失。的损失。GfFfGf(五五)影响滚动阻力系数的因素影响滚动阻力系数的因素 滚动阻力系数的数值由试验确定。其数值与轮胎滚动阻力系数的数值由试验确定。其数值与轮胎(结构、材结构、材料、气压料、气压)，道路，道路(路面的种类与状况路面的种类与状况)及使用条件及使用条件(行驶速行驶速度与受力情况度与受力情况)有关。有关。1 1、轮胎的结构，帘线和橡胶品种对滚动阻力都有、轮胎的结构，帘线和橡胶品种对滚动阻力都有影响。影响。减少帘布层数，可以使胎体减薄而减小滚动阻力系数。（在保证轮胎有
42、足够强减少帘布层数，可以使胎体减薄而减小滚动阻力系数。（在保证轮胎有足够强度和寿命的前提下）度和寿命的前提下）采用合成纤维或钢丝帘线可以减少帘布层数。采用合成纤维或钢丝帘线可以减少帘布层数。子午线轮胎较一般轮胎的滚动阻力系数小，而且随车速的变化小。子午线轮胎较一般轮胎的滚动阻力系数小，而且随车速的变化小。9.00-209.00-20轮胎采用不同纤维所需帘布层数如表轮胎采用不同纤维所需帘布层数如表1-41-4。胎面花纹磨损的轮胎，比新。胎面花纹磨损的轮胎，比新轮胎的滚动阻力系数小。轮胎的滚动阻力系数小。2 2、轮胎气压对滚动阻力系数的影响很大。、轮胎气压对滚动阻力系数的影响很大。气压降低时，在硬
43、路面气压降低时，在硬路面上轮胎变形大，因此滚上轮胎变形大，因此滚动阻力系数增大，见图动阻力系数增大，见图1-71-7。但轮胎气压是根据载荷、但轮胎气压是根据载荷、平顺性、操纵稳定性等平顺性、操纵稳定性等多方面因素而规定的。多方面因素而规定的。例如：红旗轿车为例如：红旗轿车为176176196kPa196kPa，BJ212BJ212轻型越野轻型越野车前轮为车前轮为196kPa196kPa，后轮，后轮为为245kPa,245kPa,一般货车的轮一般货车的轮胎气压较高，如黄河胎气压较高，如黄河JNl50JNl50为为686kPa686kPa。图1-7 滚动阻力系数与行驶车速的关系 3 3、路面的种类
44、和状况不同，使滚动阻力系数在很大、路面的种类和状况不同，使滚动阻力系数在很大范围内变化。范围内变化。坚硬、平整而干燥的路面，滚动阻力系数最小。坚硬、平整而干燥的路面，滚动阻力系数最小。路面不平，滚动阻力系数将成倍增长。这是因为路路面不平，滚动阻力系数将成倍增长。这是因为路面不平引起的轮胎和悬挂机件的附加变形及减震器面不平引起的轮胎和悬挂机件的附加变形及减震器内产生的阻力要多消耗能量。内产生的阻力要多消耗能量。松软路面的塑性变形使滚动阻力系数增加很多。松软路面的塑性变形使滚动阻力系数增加很多。车速在车速在50km50kmh h以下时，不同路面上的滚动阻力系以下时，不同路面上的滚动阻力系数值见表数
45、值见表1-51-5。滚动阻力系数的数值滚动阻力系数的数值 表表1-51-5 行车速度对滚动阻力系数影响行车速度对滚动阻力系数影响 行车速度对滚动阻力系数影响很大。如图行车速度对滚动阻力系数影响很大。如图1-71-7，车，车速在速在50km/h50km/h以下时，滚动阻力系数变化不大。在以下时，滚动阻力系数变化不大。在1OOkm1OOkmh h以上时增长较快。以上时增长较快。车速达某一高速时，如车速达某一高速时，如150150200km/h200km/h左右，滚动阻左右，滚动阻力系数迅速增长。这时轮胎发生驻波现象，轮胎周力系数迅速增长。这时轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不再是圆形而呈明显的波浪状。出
46、现驻波后，滚缘不再是圆形而呈明显的波浪状。出现驻波后，滚动阻力系数显著增加。动阻力系数显著增加。在进行汽车动力性分析时，一般取良好硬路在进行汽车动力性分析时，一般取良好硬路面的滚动阻力系数值。面的滚动阻力系数值。驻波现象（图像）驻波现象（图像）驻波现象驻波现象 驻波现象：驻波现象：在高速行驶时，轮胎离开地在高速行驶时，轮胎离开地面后因变形所产生的扭曲并不立即恢复，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。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，浪形。轮胎刚离开地
47、面时波的振幅最大，它按指数规律沿轮胎圆周衰减。它按指数规律沿轮胎圆周衰减。滚动阻力系数的经验公式滚动阻力系数的经验公式 对于轿车，当对于轿车，当 kmkmh h时，时，当当 kmkmh h时，时，值可按下式估算值可按下式估算 货车轮胎气压高，行驶速度低，其估算公式为货车轮胎气压高，行驶速度低，其估算公式为:轿车的轿车的 估算公式：估算公式：50au0165.0f50auf5001.010165.0auff4410)100()100(aaufufffauf000056.00076.0滚动阻力系数的经验公式滚动阻力系数的经验公式 轿车的 估算公式：f4410)100()100(aaufufffSR
48、SR级级允许最高速度为允许最高速度为180km/h180km/hHRHR级级允许最高速度为允许最高速度为210km/h210km/hSR-M+SSR-M+S级级用于泥浆和积雪覆盖路面。用于泥浆和积雪覆盖路面。几种国产车型的滚动阻力系数几种国产车型的滚动阻力系数 在使用中如果轮胎气压不足，前后轴的平行性在使用中如果轮胎气压不足，前后轴的平行性差，前轮定位失准等都会使滚动阻力系数增加。差，前轮定位失准等都会使滚动阻力系数增加。当右侧向力作用时，地面对轮胎产生侧向反作当右侧向力作用时，地面对轮胎产生侧向反作用力，引起轮胎的侧向变形，例如在转弯行驶用力，引起轮胎的侧向变形，例如在转弯行驶时，滚动阻力系
49、数大幅度增加。时，滚动阻力系数大幅度增加。应用表应用表1-51-5时，对于轿车，轮胎气压较低，轮胎时，对于轿车，轮胎气压较低，轮胎变形较大，其滚动阻力系数值应偏向上限。对变形较大，其滚动阻力系数值应偏向上限。对于载货汽车，轮胎气压较高，其滚动阻力系数于载货汽车，轮胎气压较高，其滚动阻力系数值应偏向下限。值应偏向下限。滚动阻力系数滚动阻力系数 f f 的数值的数值路面类型路面类型滚动阻力系数滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面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一般的沥青或混凝土路面0.0180.020碎石路面碎石路面0.0200.025良好的卵石路面良好的卵石路面0.
50、0250.030坑洼的卵石路面坑洼的卵石路面0.0350.050压紧土路压紧土路干燥的干燥的0.0250.035 雨后的雨后的0.0500.150泥泞土路（雨季或解冻期）泥泞土路（雨季或解冻期）0.1000.250干沙干沙0.1000.300湿沙湿沙0.0600.150结冰路面结冰路面0.0150.030压紧的雪道压紧的雪道0.0300.050滚动阻力系数滚动阻力系数转向：转向：离心力离心力前、后轮产生侧偏力前、后轮产生侧偏力侧偏力沿行驶侧偏力沿行驶方向产生分力方向产生分力滚动阻力增加滚动阻力增加二、空气阻力二、空气阻力 汽车是在空气介质中行驶的。汽车相对于汽车是在空气介质中行驶的。汽车相对于
