汽车的驱动力和行驶阻力

确定汽车的动力性,需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力,即驱动力与行驶阻力。根据这些力的平衡关系,建立汽车行驶方程式,就可以估算出汽车的最高车速、加速能力和爬坡能力。

汽车行驶时,驱动力一定要克服行驶阻力,其行驶方程式为:

Ft=∑F 　(2-1)

式中 Ft——驱动力,N;

∑F——形式阻力之和,N。

1.汽车的驱动力

(1)驱动力的产生。

汽车发动机的转矩经传动系统传至驱动轮,驱动轮便产生一个作用于路面的圆周力F0,路面则对驱动轮产生一个反作用力Ft(F0与Ft大小相等、方向相反),即驱动汽车的外力,称为汽车的驱动力,汽车的驱动力的产生如图2-1所示,其数值为:

式中 Mt——作用于驱动轮上的转矩,N·m;

r ——车轮半径,m。

图2-1 汽车驱动力的产生

作用于驱动轮上的转矩Mt是由发动机产生并经传动系统传至驱动轮上的,由传动过程可知:

Mt=Meiki0ηT 　(2-3)

式中 Me——发动机的有效转矩,N·m;

ik——变速器的传动比;

i0——主减速器的传动比;

ηT——传动系统的机械效率。

将式 (2-3)代入式 (2-2)得:

由式 (2-4)可知,汽车的驱动力与发动机的转矩、传动系统各挡的传动比及传动系统机械效率成正比,与车轮半径成反比。

式中 Pe——发动机在转速为n(r/min)时的功率,kW。

所以有:

(2)传动系的机械效率。

发动机输出的功率Pe经传动系统传至驱动轮的过程中,部分功率用于克服传动系统各部件中的摩擦,因而消耗了一部分功率。驱动轮得到的功率仅为 (Pe-PT),PT表示传动系统中损失的功率。那么传动系统的机械效率为:

传动系统内损失的功率PT是在离合器、变速器、万向传动机构、主减速器、驱动轮轴承等处损失功率的总和。离合器在不打滑的情况下,其功率损失很小。万向传动机构的传动效率取决于两传动轴间的夹角,现代汽车的这个夹角很小,如果滚针润滑正常,则其功率损失很小。当汽车各部轴承润滑调整正常时,功率损失也很小。

传动系统的功率损失主要在变速器和主减速器这两个部位上。损失的功率可分为机械损失功率和液力损失功率两大类。

机械损失是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失,与传动副的数量、机械制造质量及传递的转矩有关。

液力损失是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,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。

虽然ηT受到多种因素影响,但对汽车进行初步的动力性分析时可把它取为常数,一般轿车取0.9～0.92.单级主传动货车取0.9,双级主传动货车取0.85,4×4汽车取0.85, 6×6汽车取0.8。

传动系统的机械效率可在专门的试验台上测出。

2.汽车的行驶阻力

汽车在水平道路上匀速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力Ff和来自空气的空气阻力Fw。当汽车在坡道上上坡行驶时,还必须克服重力沿坡道的分力Fi,称上坡阻力。汽车在加速行驶时还需要克服其惯性力Fj,称加速阻力。因此,汽车行驶的总阻力为:

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj 　(2-7)

上述诸阻力中,滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的,上坡阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。在水平道路上等速行驶时就没有上坡阻力和加速阻力。

(1)滚动阻力。

汽车车轮在滚动时,由于车轮与地面的变形以及两者之间的相互作用所产生的能量损失称为滚动阻力。滚动阻力产生的原因主要有以下几个方面。

1)道路塑性变形损失。

车轮滚动时会推移土壤,轮胎与路面之间产生摩擦、土壤受挤压产生塑性变形等都要消耗一定的能量。

2)轮胎弹性迟滞损失。

汽车行驶时,轮胎在径向、切向及侧向都会产生变形,并处于变形、恢复的循环中,其中有一部分能量要消耗在轮胎组织的内摩擦上,称为弹性迟滞损失,使轮胎发热,并向大气散出热量。

3)其他损失。

汽车行驶时,还包括从动轮轴承、油封处的损失及悬架零件间的摩擦和减振器内的损失等。

滚动阻力的大小一般用式 (2-8)计算:

Ff=Gf 　(2-8)

式中 G——汽车重力,N;

f——滚动阻力系数。

滚动阻力系数f表示单位车重的滚动阻力。汽车在不同路面或不同的运行条件下行驶时的滚动阻力系数是不一样的。滚动阻力系数的大小由试验确定,其影响因素主要有以下几个方面。

1)路面的类型、平整度、坚硬程度和干燥状况。

表2-1所示为车速在50km/h以下时不同路面上滚动阻力系数f的数值。

表2-1 车速在50km/h以下时不同路面上滚动阻力系数f的数值

2)轮胎的结构。

保证轮胎有足够的强度和寿命的前提下减少帘布层数,可以使胎体减薄而减小滚动阻力系数;子午线轮胎比普通轮胎的滚动阻力系数小,而且车速的变化对它的影响也较小;胎面花纹磨损的轮胎比新轮胎的滚动阻力系数小。

3)轮胎的气压。

气压降低时,在硬路面上轮胎变形大,滚动阻力系数增大;气压过高,在软路面上行驶时,路面产生很大的塑性变形,并会留下轮辙,也会使滚动阻力系数增大。

4)行车速度。

车速在50km/h以下时,滚动阻力系数变化不大;在100km/h以上时增长较快。车速达某一高速,如150～200km/h时,滚动阻力系数迅速增长,因为这时轮胎将出现驻波现象,即轮胎周缘不再是圆形而呈明显的波浪状,车辆的滚动阻力会显著增加。

此外,前轮定位失准以及车轮受到侧向力作用时,地面会对轮胎产生侧向反作用力,引起轮胎的侧向变形。例如在转弯行驶时,滚动阻力系数将大幅增加。

(2)空气阻力。

汽车是在空气介质中行驶的。汽车相对于空气运动时,空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力,用符号Fw表示。空气阻力可分为摩擦阻力和压力阻力两大部分。

1)摩擦阻力是由于空气的黏性在车身表面产生的切向力合力在行驶方向上的分力。摩擦阻力与车身表面粗糙度及表面积有关,占空气阻力的8%～10%。

2)压力阻力是作用在汽车外形表面上的法向压力合力在行驶方向上的分力。它主要包括形状阻力、干扰阻力、诱导阻力和内循环阻力。

根据空气动力学原理,在汽车行驶速度范围内,空气阻力Fw数值的大小通常用式(2-9)计算:

式中 CD——空气阻力系数,是单位动压在每平方米迎风面积上产生的空气阻力;

A ——汽车的迎风面积,m2;

va——汽车与空气的相对速度,km/h。

式 (2-9)表明:空气阻力的大小与空气阻力系数CD及迎风面积A成正比。A值受到使用空间的限制,不易进一步减小,所以降低CD是降低空气阻力的主要手段。CD值的大小与汽车外形有很大的关系,良好的流线型对于高速行驶的汽车至关重要。目前轿车的CD值已降至0.3左右,预计在不久的将来可降至0.2。CD值可通过风洞试验来测定。

(3)上坡阻力。

当汽车上坡行驶时,汽车的重力在平行于路面方向的分力,称为汽车的上坡阻力,如图2-2所示。

图2-2 汽车的上坡阻力

上坡阻力Fi的大小由式 (2-10)计算:

Fi=Gsinα 　(2-10)

式中 G——车辆重量,N;

α——行驶路面与水平路面的夹角,(°)。

道路坡度i常用坡高与底长之比的百分数来表示:

当10°＜α＜15°时,sinα≈tanα,故

Fi≈Gtanα=Gi

由于滚动阻力Ff和上坡阻力Fi均和道路条件有关,而且均与车重成正比,因此常把这两种阻力合在一起称为汽车的道路阻力。

(4)加速阻力。

汽车加速行驶时,需要克服其质量加速运动时的惯性力,即加速阻力Fj。通常把汽车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部分。加速时不仅平移的质量产生惯性力,旋转的质量还要产生惯性力偶矩。为便于计算,一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力,并以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量换算系数,因而汽车加速阻力Fj可写成:

式中 δ——选择质量换算系数,δ＞1;

G——汽车总重量,N;

g——重力加速度,g=9.8m/s2;

dv/dt——行驶加速度,m/s2。

δ主要与飞轮的转动惯量和车轮的转动惯量以及传动系统的传动比有关。

3.汽车行驶的驱动条件和附着条件

(1)汽车行驶的驱动条件。

汽车行驶的过程中,受到各种行驶阻力的作用,为保证汽车的正常行驶,必须有一定的驱动力,以克服各种行驶阻力。表示汽车驱动力与行驶阻力之间关系的等式,称为汽车的驱动力平衡方程,即:

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj 　(2-12)

式 (2-12)说明了汽车行驶中驱动力与各行驶阻力的平衡关系,其平衡关系不同,则汽车的运动状态不同。

若Fj=Ft- (Ff+Fw+Fi)＞0,即Ft＞Ff+Fw+Fi时,汽车将加速行驶。

若Fj=Ft- (Ff+Fw+Fi)=0,即Ft=Ff+Fw+Fi时,汽车将等速行驶。

若Fj=Ft- (Ff+Fw+Fi)＜0,即Ft＜Ff+Fw+Fi时,汽车将无法起步或减速行驶直至停车。

可见,汽车行驶的必要条件是:

Ft≥Ff+Fw+Fi 　(2-13)

式(2-13)为汽车的驱动条件,它反映汽车的行驶能力,但还不是汽车行驶的充分条件。

(2)汽车行驶的附着条件。

可以采用增加发动机转矩和加大传动比等措施来增大汽车的驱动力,但是这些措施只有在驱动轮与路面之间不发生滑转现象时才有效。如果驱动轮在路面滑转,则增大驱动力只会使驱动轮加速旋转,地面切向反作用力并不会增加。这种现象说明地面作用在驱动轮上的切向反作用力受地面接触强度的限制,并不能随意加大,即汽车行驶除受驱动条件制约外,还受轮胎与地面附着条件的限制。

地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力Fφ,在硬路面上附着力取决于轮胎与路面间的相互摩擦,它与驱动轮法向作用力Fz成正比,常写成:

Fφ=Fzφ 　(2-14)

式中 φ——附着系数,它表示轮胎与路面的接触强度,反映了轮胎与路面的摩擦作用。

但是附着系数φ与光滑表面间的摩擦系数不同,当轮胎与路面接触时,路面的坚硬微小凸起能嵌入变形的轮胎中,增加了轮胎与路面的接触强度,对轮胎在接地面积内的相对滑动有较大的阻碍作用。轮胎与地面间的上述作用,通常被称为附着作用。

在松软路面上,如车轮在比较松软的干土路面上滚动时,土壤的变形比轮胎的变形大,轮胎胎面花纹的凸起部分嵌入土壤,这时附着系数φ值大小不仅取决于轮胎与土壤间的摩擦作用,同时还取决于土壤的抗剪切强度。因为只有当嵌入轮胎花纹沟槽的土壤被剪切脱开基层时,轮胎在接地面积内才产生相对滑动,车轮才发生相对滑转。

显而易见,地面的切向反作用力不能大于附着力,否则会发生驱动轮滑转,即:

Ft≤Fφ 　(2-15)

式 (2-15)称为汽车的附着条件。

驱动轮的附着条件还可以写为:

Ft≤Fzφ

如将汽车的驱动条件和附着条件联系在一起,则可得出:

Ff+Fw+Fi≤Ft≤Fzφ 　(2-16)

式 (2-16)既为汽车行驶的驱动—附着条件,也是汽车行驶的充分和必要条件。