1.2汽车的驱动力与行驶阻力
确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。为此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，就可以估算汽车的各项动力性能指标。
汽车的行驶方程式为
=t F ∑F
式中 ——汽车驱动力；
t F ∑F ——行驶阻力之和。
驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。行驶阻力有滚动阻力、空气阻 力、加速阻力和坡度阻力。现在分别研究驱动力和这些行驶阻力，并最后把∑=t F F 这一行驶方程式加以具体化，以便研究汽车的动力性。
1.2.1 汽车的驱动力
在汽车行驶中，发动机发出的有效转矩，经变速器、传动轴、主减速器等后，由半轴传给驱动车轮。如果变速器传动比为、主减速比为、传动
系的机械效率为tq T g i 0i T η，则传到驱动轮上的转矩，即驱动力矩为
t
T T g tq t i i T T η0=
如图1-1所示，此时作用于驱动轮上的转矩，产生对地面
的圆周力，则地面对驱动轮的反作用力，即为汽车驱动力。
如果驱动车轮的滚动半径为t T 0F t F r ，就有r T F t t /=，因而，汽车驱动
力为
r F T
g tq t i i T η0= (1-1)
下面将对式(1-1)中发动机转矩T 、传动系机
械效率tq T η及车轮半径r 等作进一步讨论，并作出
汽车的驱动力图。
1.2.1.1 发动机的外特性
发动机的功率、转矩及燃油消耗率与发动机
曲轴转速的变化关系，即为发动机的速度特性。
当发动机节气门全开（或高压油泵处于最大供油
量位置），此特性称为发动机的外特性，对应的关
系曲线称为外特性曲线；如果节气门部分开启，则称为发动机部分负荷特性曲线。
图1-2为某发动机的外特性曲线。为发动机最低稳定工作转速，随着发动机转速的增加，发动机发出的功率和转矩都在增加，最大转矩时的发动机转速为，再增大发动机转速时， 有所下降，但功率继续增加，一直达到最大功率，此时发动机转速为；继续提高发动机转速，其功率反而下降。允许的最高转速，一般取(1.1～
1.2) 。
min n max tq T tq n tq T e P max e P P n max n P n 如转矩单位用N ·m 表示，功率单位用kW 表示，转速用r/min 表示,它们之间有如下关系：
tq T e P e n 9549e tq e n T P =
(1-2)
发动机制造厂提供的发动机特性曲线，一般是在试验台架上不带空气滤清器、水泵、风扇、消声器、发电机等附属设备条件下测试得到的。如果带上上述附属设备，测得的发动机外特性的最大功率约小15%；转速为时，功率约小2%～6%；转速再低时，两者相差更小。此外，由于在试验台架上所测的发动机工况相对稳定，而在实际使用中，发动机的工况通常是不稳定的，但由于两者差别不显著，所以在进行动力估算时，仍可用稳态工况时发动机的试验数据。
max 5.0n 1.2.1.2 传动系的机械效率
发动机发出的功率，经传动系传到驱动车轮的过程中，要克服传动系各部件的摩擦而有一定的损失。若损失的功率为，则传到驱动轮的功率为-，传动系的机械效率e P T P e P T P T η为 e
T e T e T P P P P P ?=?=1η 传动系的功率损失由传动系中各部件——变速器、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所占比重最大，其余部件功率损失较小。
损耗的功率含机械损失功率和液力损失功率。机械损失功率是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失的功率，其大小决定于啮合齿轮的对数，传递的转矩等因素。液力损失功率是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功率。其大小决定于润滑油的品质、温度、箱体内的油面高度，以及齿轮等旋转零件的转速。液力损失随传动零件转速提高、润滑油面高度及粘度增加而增大。
传动系的机械效率是在专门的实验装置上测试得到的。在动力性计算时，-机械效率取
为常数。采用有级机械变速传动系的轿车取0.9～0.92，货车、客车可取0.82～0.85。
1.2.1.3 车轮半径
轮胎的尺寸及结构直接影响汽车的动力性。车轮按规定气压充好气后，处于无载时的半径，称为自由半径。
汽车静止时，车轮中心与轮胎接地面的距离称为静力半径。由于径向载荷的作用，轮胎发生显著变形，所以静力半径小于其自由半径。
s r 以车轮转动圈数与车轮实际滚动距离之间关系换算得出的车轮半径，称为车轮的运动半径(滚动半径)，即
w n S r r w
r n S r π2= 显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径；而作运动学分析时应该用滚动半径。但在一般的分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径s r r r r ，即认为
s r r r r ≈≈
1.2.1.4 汽车的驱动力图
一般用根据发动机外特性确定的驱动力与车速u 之间的函数关系曲线来全面表示汽车驱动力，称为汽车驱动力图。它直观地显示变速器处于各挡位时，驱动力随车速变化的规律。
t F a 当已知发动机外特性曲线、传动系的传动比、机械效率、车轮半径等参数时，即可作出汽车驱动力图。具体方法如下：
（1）从发动机外特性曲线上取若干(n 、T )。
e tq （2）根据选定的不同挡位传动比，按式(1)算出
驱动力值。
（3）根据转速、变速器传动比及主减速比
，由下式计算与所求对应的速度：
e n g i 0i t F 0
377.0i i rn u g e a =
（4）建立-坐标，选好比例尺，对每个挡位，将计算出的值(，)分别描点并连成曲线，即得驱动力图。
t F a u t F a u 图1-3即为某五挡变速器货车的驱动力图。从驱动力图中可以看出驱动力与其行驶速度的关系及不同挡位驱动力的变化。驱动力图可以作为工具用来分析汽车的动力性。
1.2.2 汽车的行驶阻力
汽车在水平道路上等速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力；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，即坡度阻力；另外汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。因此汽车行驶的总阻力为
f F W F i F j F ∑=F f F +++
w F i F j F 上述各种阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的。坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在。水平道路上等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。
1.2.2.1 滚动阻力
汽车行驶时，车轮与地面在接触区域的径
向、切向的相互作用力，轮胎与地面亦存在相应
的变形。轮胎在硬路面上滚动时，轮胎变形是主
要的。
1.2.2.1.1 弹性车轮在径向加载后卸载过程中形
成的弹性迟滞损失
当汽车车轮在水平路面上，且不受侧向力作用时，车轮与地面间将产生径向和切向的相互作用力。
从图1-4中可见，当弹性车轮在硬支承路面上，对其进行加载和卸载的过程中，径向载荷W 与由其引起的轮胎径向变形量A 之间的对应关系。加载变形曲线与卸载变形曲线OCA ADE 并不重合，则可知加载与卸载不是可逆过程，存在着能量损失。面积为加载过程中对轮胎所作的功；面积OCABO ADEBA 为卸载过程中，轮胎恢复变形时释放的功。两面积之差OCADEO 即为加载与卸载过程的能量损失。这一部分能量消耗在轮胎各组成部分相互间的摩擦，以及橡胶、帘线等物质分子间
的摩擦，最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损失。
从图1-4b 中可见，在同样变形量δ
的情况下，处于加载过程的载荷较大，
即图中＞。这说明当车轮在径
FC FD
向载荷作用下滚动时，由于弹性迟滞现象，使地面对车轮的法向支持力为不对称分布，其法向反力合力作用线，相对于车轮中心线前移了一段距离，因而形成了阻碍车轮滚动的力偶矩 。
a F T z f =1.2.2.1.2 等速滚动从动轮受力分析
在水平路面等速直线滚动的汽车从动轮，如图1-5a 所示，其法向反力的合力相对车轮垂直中心线前移了一段距离。a 值随弹性损失的增大而增大。车轮所承受的径向载荷，与法向反力，大小相等，方向相反，即=－W 。
1Z F a W 1Z F 1Z F 若法向反力通过车轮中心，则是从动轮在硬路面上等速直线滚动的受力情况，如图1-5 b 所示。图中力矩为作用于车轮上阻碍车轮滚动的滚动力偶矩，且=。要使从动轮等速直线滚动，必须通过车轮中心，通过车轴施加以推力，它与地面切向反力构成一力偶矩来克服滚动力偶矩，由车轮中心力矩平衡条件，得
1Z F 1f T 1f T 1Z F a 1Z F 1P F 1x F 1f T 1P F r =f T
故所应施加推力为
1f P Z T a F F Wf r r
===或1P F f W = 式中称为滚动阻力系数，可见滚动阻力系数是单位汽车重力所需的推力。换言之，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷的乘积。故车轮滚动阻力f f F 为
f
f T F f r ==W 22 (1-3)
这样，在分析汽车的行驶阻力时，可不必具体计算阻碍车轮滚动的力偶矩，而只计算滚动阻力(实际作用在车轮上的是滚动阻力偶矩)。
1.2.2.1.3 等速滚动的驱动轮受力分析
图1-6中为道路对驱动轮的切向反力，T 为车架通
过悬架
2Z F 2P 给轮轴的反推力，法向反作用力也由于轮胎弹性迟滞损
失，使其作用线前移一段距离，即在驱动轮上同样作用有滚
动力偶矩T 。由对车轮中心的力矩平衡条件得：
Z F a 2f x F t f r T T =?
2f t x t f T T F F r r
=?=?F
由上式可见，真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶的力为地面对车轮的切向反作用力，其数值等于驱动力减去驱动轮滚动阻力2x F t F f F 。
1.2.2.1.4 滚动阻力系数的影响因素
滚动阻力系数与路面种类及其状态、车速及轮胎等有关，其数值通过实验确定。
(1) 路面种类及其状态对滚动阻力系数的影响
表1-2给出了汽车在某些路面上以中、低行驶时，车轮滚动阻力系数的大致值。
(2) 轮胎的结构和材质对滚动阻力系数的影响
子午线轮胎与普通斜交轮胎相比，具有较低的滚动阻力系数。减小帘线层可使胎体减薄，从而可相应降低滚动阻力系数。因此，采用高强力粘胶帘布、合成纤维帘布或钢丝帘布等，均可在保证轮胎强度的条件下减少帘布层数。
(3) 汽车行驶速度对滚动阻力系数的影响
当车速在100km/h 以下时，滚动阻力系数变化不大；在某一车速（如140km/h ）以上时，增长较快。当车速达到某一临界车速（例如200km/h ）左右时，轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不是圆形而出现明显的波浪状。滚动阻力系数迅速增大，轮胎的温度也迅速升高，使轮胎帘线层脱落，几分钟内就会出现爆破现象。
(4) 轮胎气压对滚动阻力系数的影响
轮胎气压对滚动阻力系数的影响很大。轮胎气压低时，变形较大，滚动时的迟滞损失增大，滚动阻力系数相应增大。随着轮胎气压增高，硬路面上的滚动阻力系数逐渐减小。
1.2.2.2 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，称为空气阻力。它分为压力阻力和摩擦阻力两部分。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称为压力阻力。摩擦阻力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上的分力。
压力阻力又分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力。形状阻力与车身主体形状有关，流线型越好，形状阻力越小；干扰阻力是车身表面突起物（如后视镜、门把手、车灯等）引起的阻力；发动机冷却系、车内通风等所需空气流经车体内部时构成的阻
力，为内循环阻力；诱导阻力是空气升力在水平方向上的投影。
对于一般轿车，这几部分阻力的比例大致为：形状阻力占58%，干扰阻力占14%，内循环阻力占12%，诱导阻力占7%，摩擦阻力占9%。
空气阻力(N)的计算公式为
w F 15
.212
a D
W Au C F = (1-4) 式中 ——相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度(km/h)；
a u A ——迎风面积(m 2)；
——空气阻力系数。
D C 现代车身空气动力学工程师认为，低值的轿车车身应遵循下列要点(参看图1-7) D C
(1) 车身前部 发动机盖应向前下倾。面与面交接处的棱角应为圆柱状。挡风玻璃应尽可能“躺平”且与车顶圆滑过渡。前支柱应圆滑，侧窗应.与车身相平。尽量减少灯、后视镜等凸出物，凸出物的形状应接近流线型。在保险杠下面的前面，应装有合适的扰流板。车轮盖应与轮胎相平。
(2) 整车 整个车身应向前1°～2°。水平投影应为“腰鼓”形，后端稍稍收缩，前端呈半圆形。
(3) 汽车后部 最好采用舱背式(hatch back )或直背式(fast beak)。应有后扰流板。若用折背式(notch hack )，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些，后面应有鸭尾式结构，参看图1-7b 。
（4）车身底部所有零部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。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。
（5）发动机冷却进风系统仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱、精心设计的内部风道。
1.2.2.3 坡度阻力
如图1-8所示，当汽车上坡行驶时，其重力沿坡道斜面的分力表现为汽车坡度阻力，
i F
即
αsin G F i = (1-5)
式中α——道路坡度角(°)。
道路坡度是用坡高与底长之比表示：
i h S tan h i S
==α 当坡道角α<10°～15°时，
i =≈ααtan sin ，则：
sin tan i F G G Gi αα=≈= (1-6) 由于坡度阻力与滚动阻力均属与道路有关的汽车行驶阻力，故常把这两种阻力之和称为道路阻力(N)，即
i F f F ψF ααψsin cos
G fG F F F i f +=+= 令f i ψ=+，ψ称为道路阻力系数。
当坡度角α较小时，1cos ≈α，i ≈αsin ，则
F G ψψ= (1-7)
1.2.2.4 加速阻力
汽车加速行驶时，需克服其质量的惯性，这就是加速阻力。汽车质量分为平移质量和旋转质量(飞轮、车轮等)两部分。加速时平移质量要产生惯性力，旋转质量要产生惯性力偶矩，为了便于计算，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j F δ作为换算系数，则汽车加速时的加速阻力(N)为，
j F dt
du m F j δ= (1-8) 式中δ——汽车旋转质量换算系数，(δ＞1), 主要与飞轮、车轮的转动惯量，以及传动系
的传动比有关；
m ——汽车质量，(kg)；
dt
du ——汽车行驶加速度，(m/s 2)。 1.2.3 汽车行驶方程式
根据上节分析的汽车各行驶阻力，可以得到汽车的行驶方程式为
t f W i j F F F F F =+++
或 dt du m G Au C Gf r i i T a D T
g tq δααη+++=sin 15.21cos 2
0 该方程式表示了驱动力与行驶阻力的数量关系，但并未经过周密的推导。本节将依据动力学中的功率方程，导出旋转质量换算系数δ并建立汽车行驶方程式。
自动驾驶汽车硬件系统概述 自动驾驶汽车的硬件架构、传感器、线控等硬件系统 如果说人工智能技术将是自动驾驶汽车的大脑，那么硬件系统就是它的神经与四肢。从自动驾驶汽车周边环境信息的采集、传导、处理、反应再到各种复杂情景的解析，硬件系统的构造与升级对于自动驾驶汽车至关重要。 自动驾驶汽车硬件系统概述 从五个方面为大家做自动驾驶汽车硬件系统概述的内容分享，希望大家可以通过我的分享，对硬件系统的基础有个全面的了解： 一、自动驾驶系统的硬件架构 二、自动驾驶的传感器 三、自动驾驶传感器的产品定义 四、自动驾驶的大脑 五、自动驾驶汽车的线控系统
自动驾驶事故分析 根据美国国家运输安全委员会的调查报告，当时涉事Uber汽车——一辆沃尔沃SUV系统上的传感器在撞击发生6s前就检测到了受害者，而且在事故发生前1.3秒，原车自动驾驶系统确定有必要采取紧急刹车，此时车辆处于计算机控制下时，原车的紧急刹车功能无法启用。于是刹车的责任由司机负责，但司机在事故发生前0.5s低头观看视频未能抬头看路。 从事故视频和后续调查报告可以看出，事故的主要原因是车辆不在环和司机不在环造成的。Uber在改造原车加装自动驾驶系统时，将原车自带的AEB功能执行部分截断造成原车ADAS功能失效。自动驾驶系统感知到受害者确定要执行应急制动时，并没有声音或图像警报，此时司机正低头看手机也没有及时接管刹车。
目前绝大多数自动驾驶研发车都是改装车辆，相关传感器加装到车顶，改变车辆的动力学模型；改装车辆的刹车和转向系统，也缺乏不同的工况和两冬一夏的测试。图中Uber研发用车是SUV车型自身重心就较高，车顶加装的设备进一步造成重心上移，在避让转向的过程中转向过急过度，发生碰撞时都会比原车更容易侧翻。 自动驾驶研发仿真测试流程 所以在自动驾驶中，安全是自动驾驶技术开发的第一天条。为了降低和避免实际道路测试中的风险，在实际道路测试前要做好充分的仿真、台架、封闭场地的测试验证。 软件在环（Software in loop），通过软件仿真来构建自动驾驶所需的各类场景，复现真实世界道路交通环境，从而进行自动驾驶技术的开发测试工作。软件在环效率取决于仿真软件可复现场景的程度。对交通环境与场景的模拟，包括复杂交通场景、真实交通流、自然天气（雨、雪、雾、夜晚、灯光等）各种交通参与者（汽车、摩托车、自行车、行人等）。采用软件对交通场景、道路、以及传感器模拟仿
汽车驱动力-行驶阻力平衡图m=3880; g=9.8; nmin=600;nmax=4000; G=m*g; ig=[5.56 2.769 1.644 1.00 0.793]; nT=0.85; r=0.367; f=0.013; CDA=2.77; i0=5.83; L=3.2; a=1.947; hg=0.9; If=0.218;Iw1=1.798;Iw2=3.598; n=600:10:4000; Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1 000).^4; Ft1=Tq*ig(1)*i0*nT/r; Ft2=Tq*ig(2)*i0*nT/r; Ft3=Tq*ig(3)*i0*nT/r; Ft4=Tq*ig(4)*i0*nT/r; Ft5=Tq*ig(5)*i0*nT/r; ua1=0.377*r*n/ig(1)/i0; ua2=0.377*r*n/ig(2)/i0; ua3=0.377*r*n/ig(3)/i0; ua4=0.377*r*n/ig(4)/i0; ua5=0.377*r*n/ig(5)/i0; ua=0:5:120; Ff=G*f; Fw=CDA*ua.^2/21.15; Fz=Ff+Fw; plot(ua1,Ft1,ua2,Ft2,ua3,Ft3,ua4,Ft4,ua5,Ft5,ua,Fz); title('汽车驱动力-行驶阻力平衡图'); xlabel('ua(km*h^-1)'); ylabel('Ft/N'); gtext('Ft1'),gtext('Ft2'),gtext('Ft3'),gtext('Ft4'),gtext('Ft5'),gtext('Ff+F w');
汽车驱动力-行驶阻力平衡图 m=3880; g=9.8; nmin=600;nmax=4000; G=m*g; ig=[5.56 2.769 1.644 1.00 0.793]; nT=0.85; r=0.367; f=0.013; CDA=2.77; i0=5.83; L=3.2; a=1.947; hg=0.9; If=0.218;Iw1=1.798;Iw2=3.598; n=600:10:4000; Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445 *(n/1000).^4; Ft1=Tq*ig(1)*i0*nT/r; Ft2=Tq*ig(2)*i0*nT/r; Ft3=Tq*ig(3)*i0*nT/r; Ft4=Tq*ig(4)*i0*nT/r; Ft5=Tq*ig(5)*i0*nT/r; ua1=0.377*r*n/ig(1)/i0; ua2=0.377*r*n/ig(2)/i0; ua3=0.377*r*n/ig(3)/i0; ua4=0.377*r*n/ig(4)/i0; ua5=0.377*r*n/ig(5)/i0; ua=0:5:120; Ff=G*f; Fw=CDA*ua.^2/21.15; Fz=Ff+Fw; plot(ua1,Ft1,ua2,Ft2,ua3,Ft3,ua4,Ft4,ua5,Ft5,ua,Fz); title('汽车驱动力-行驶阻力平衡图'); xlabel('ua(km*h^-1)'); ylabel('Ft/N'); gtext('Ft1'),gtext('Ft2'),gtext('Ft3'),gtext('Ft4'),gtext('Ft5'),gtext( 'Ff+Fw');
汽车驱动力的计算方式 将扭矩除以车轮半径，也可以从发动机马力与扭力输出曲线图中发现，在每不同转速下都有一个相对的扭矩数值，这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢？答案很简单，就是除以一个长度，便可获得“力” 的数据。举例说一下，一台1.6升的发动机大约可发挥15.0kg-m的最大 扭力，此时若直接连上185/60R14尺寸的轮胎，半径约为41厘米，则经 车轮所发挥的推进力量为36.6公斤（事实上公斤并不是力量的单位，而 是重量的单位，须乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的标准单位“牛 顿”）。 但36公斤的力量怎么能推动一吨多的汽车呢？而且动辄数千转的发动机转速更不可能恰好成为轮胎转速，幸好聪明的人类发明了“齿轮”，利用不同大小的齿轮相连搭配，可以将旋转的速度降低，同时将扭矩放大。 由于齿轮的圆周比就是半径比，因此从小齿轮传递动力至大齿轮时，转动的速度、降低的比率、以及扭矩放大的倍数，都恰好等于两齿轮的齿数比例，这个比例就是所谓的“齿轮比”。 举例说明--以小齿轮带动大齿轮，假设小齿轮的齿数为15齿，大齿轮的齿数为45齿。当小齿轮以3000rpm的转速旋转，而扭矩为20kg-m 时，传递至大齿轮的转速便降低了1/3，变成1000rpm；但是扭矩却放大 了三倍，成为60kg-m。这就是发动机扭矩经过变速箱可降低转速并放大 扭矩的基本原理。 在汽车上，发动机将动力输出至轮胎共经过两次扭矩放大的过程，第一次是由变速箱的档位作用而产生，第二次则取决于最终齿轮比（或称最终传动比，也可称为尾牙）。扭矩的总放大倍率就是变速箱齿比与最终齿轮比的相乘倍数。举例来说，一辆手动档的思域，一档齿轮比为3.250，最终齿轮比为4.058，而引擎的最大扭矩为14.6kgm/5500rpm，于是我们 可以算出第一档的最大扭矩经过放大后为 14.6×3.250×4.058=192.55kgm，比原引擎放大了13倍。此时再除以轮 胎半径约0.41m，即可获得推力约为470公斤。然而上述的数值并不是实际的推力，毕竟机械传输的过程中必定有磨耗损失，因此必须将机械效率的因素考虑在内。 论及机械效率，每经过一个齿轮传输，都会产生一次动力损耗，手动变速箱的机械效率约在95%左右，自动变速箱较惨，约剩88%左右，而传 动轴的万向接头效率约为98%，各位可以自己计算一下就知道实际的推力还剩多少。整体而言，汽车的驱动力可由下列公式计算： 扭矩×变速箱齿比×最终齿轮比×机械效率 驱动力= ———————————————————— 轮胎半径（单位为公尺）
汽车的驱动力 一、教学课程： 汽车理论 二、教学内容： 汽车驱动力的产生、计算及汽车的驱动力图 三、教学重点： 汽车驱动力的计算、驱动力图 四、教学难点： 汽车驱动力图 五、教学过程： （一）课程回顾 （二）讲授新课 1.汽车驱动力的产生 2.汽车驱动力的计算 若用Tt 表示作用于驱动轮上的转矩，r 表示车轮半径，驱动力Ft=Tt/r 若用tq T 表示发动机转矩，g i 表示变速器的传动比， o i 表示主减速器的传动比，T η表示传动系的机械效率，则有t tq g o T T T i i η=???，驱动力tq g o T t T i i F r η???= 3.汽车驱动力图 对发动机的转矩tq T 、传动系的效率以及车轮的半径r 做一些讨论，画出汽 车的驱动力图。 1）发动机的转速特性 如将发动机的功率e P 、转矩tq T 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，则此曲线称为发动机转速特性曲线或简称为发动机特性曲线。如果发动机节气门全开，则此特性曲线称为发动机外特性曲线，如果部分开启，则称为发动机部分负荷特性曲线。
图1 汽油发动机外特性中的功率与转矩曲线 2）传动系的机械效率 以T P 表示传动系中损失的功率，则传动系的机械效率为1e T T T e e P P P P P η-==- 传动系的功率损失由传动系中的部件的功率损失所组成。传动系的功率损失可分为机械损失和液力损失。传动系的效率是在专门的试验台上测得的。 3）车轮的半径 车轮处于无载时的半径称为自由半径。 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s r 。 滚动半径r r 是以车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系来换算的，2r w s r n π= 式中：w n 为车轮转动的圈数，s 为在转动w n 圈时车轮滚动的距离。 对汽车进行动力学分析时应使用静力半径，在进行运动学分析时应采用滚动半径，在实际应用中，一般不考虑它们的差别，统称为车轮半径r 。 4）汽车的驱动力图 一般用汽车发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线t a F u —来全面表示汽车的驱动力，称为发动机的驱动力图。设计中的汽车有了发动机的外特性曲线、传动系的传动比、传动效率、车轮半径等参数后，就可用
第2讲 2学时 教学目的及要求： 掌握汽车的驱动力－行驶阻力平衡图的绘制，汽车加速度曲线的绘制，汽车的加速度倒数曲线的绘制，汽车的加速时间曲线的绘制，汽车爬坡度曲线的绘制，汽车动力特性图的绘制。 主要内容： §1-3汽车驱动力-行驶阻力平衡图与动力特性图 §1-4汽车行驶的附着条件与汽车的附着率 教学重点： 驱动力－行驶阻力平衡图及利用驱动力－行驶阻力平衡图分析汽车的动力性，汽车的动力因数，动力特性图及利用动力特性图分析汽车的动力性 教学难点： 动力特性图及利用动力特性图分析汽车的动力性 教学过程: §1—3 汽车行驶的驱动与附着条件 一、汽车行驶的驱动与附着条件： 1、驱动条件—首先得有劲 δm du dt = F t – (F f + F W + F i ) ≥ 0 F t ≥F f +F W +F i 2、附着条件—有劲还得使得上 用F φ表示轮胎切向反力的极限，在硬路面上它与驱动轮所受的法向反力成正比：（φ为附着系数） （1）驱动轮的附着力： 前轮驱动汽车： F φ1 = F Z1φ 后轮驱动汽车： F φ2 = F Z2φ 全轮驱动汽车： F φ1 = F Z1φ F φ2 = F Z2φ （2）汽车的附着力： 前轮驱动汽车： F φ = F Z1φ 后轮驱动汽车： F φ = F Z2φ 全轮驱动汽车： F φ = F Z φ = F Z1φ+F Z1φ 对前驱动轮 F x1 ≤ F Z1φ 前驱动轮的附着率： C φ1 = F X1F Z1 则要求 C φ1 ≤φ
对后驱动轮F x2 ≤ F Z2 φ 后驱动轮的附着率： C φ2 =F X2 F Z2 则要求C φ2 ≤φ ∴F t≤F Z2（f+φ）∵f<<φ∴F t≤F Z2φ 一般形式F t ≤F Z φφ 3、驱动与附着条件： F f+F W+F i≤F t≤F Zφφ 二、汽车的附着力：F φ 1、汽车附着力——在车轮与路面没有相对滑动的情况下，路面对车轮提供的切向 反力的极限值。 Fφ=F Zφφ Fφ取决于： ①在硬路面上——可以是最大的静摩擦力， 主要取决于路面与轮胎的性质； ②在软路面上——取决于土壤的剪切强度和车轮与土壤的结合强度 2、Fφ的影响因素： ⑴载重量： 增加驱动轮的法向反力X2，有利于驱动。 例：越野车由货车的F Z2↗（F Z2+F Z1），使Fφ↗ ⑵轮胎结构： 深大花纹——在松软路面上，使土壤与车轮的结合强度提高； 松软路上放气P↘——胎面接地面积大，嵌入土壤的花纹数多，抓地能力强，且沉陷量小，土壤阻力小； ⑶附着系数：φ 取决于路面种类与状况、轮胎结构（花纹、材料等）及u a等因素。 三、驱动轮的法向反作用力 ——汽车行驶时重量再分配 1、根据受力图列方程： 将作用在汽车上的各力对前、后轮接地面中心取矩，则得： F Z1 = G L(bcosα- h g sinα)– 1 L(mh g du dt+∑T j)- F ZW1- 1 L∑T f F Z2 = G L(acosα+ h g sinα)+ 1 L(mh g du dt+∑T j)- F ZW2+ 1 L∑T f 式中，∑T j = T jW1+T jW2 ,∑T f = T f1+T f2 忽略旋转质量的惯性阻力偶矩和滚动阻力偶矩： F Z1 = F ZS1–mh g L du dt- F ZW1 F Z2 = F ZS2 + mh g L du dt- F ZW2 作用在驱动轮上的地面切向反作用力： 前轮驱动：F X1 = F f2 + F W + F i + m du dt 后轮驱动：F X2 = F f1 + F W + F i + m du dt
1.2汽车的驱动力与行驶阻力 确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。为此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，就可以估算汽车的各项动力性能指标。 汽车的行驶方程式为 =t F ∑F 式中 ——汽车驱动力； t F ∑F ——行驶阻力之和。 驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。行驶阻力有滚动阻力、空气阻 力、加速阻力和坡度阻力。现在分别研究驱动力和这些行驶阻力，并最后把∑=t F F 这一行驶方程式加以具体化，以便研究汽车的动力性。 1.2.1 汽车的驱动力 在汽车行驶中，发动机发出的有效转矩，经变速器、传动轴、主减速器等后，由半轴传给驱动车轮。如果变速器传动比为、主减速比为、传动 系的机械效率为tq T g i 0i T η，则传到驱动轮上的转矩，即驱动力矩为 t T T g tq t i i T T η0= 如图1-1所示，此时作用于驱动轮上的转矩，产生对地面 的圆周力，则地面对驱动轮的反作用力，即为汽车驱动力。 如果驱动车轮的滚动半径为t T 0F t F r ，就有r T F t t /=，因而，汽车驱动 力为 r F T g tq t i i T η0= (1-1) 下面将对式(1-1)中发动机转矩T 、传动系机 械效率tq T η及车轮半径r 等作进一步讨论，并作出 汽车的驱动力图。 1.2.1.1 发动机的外特性 发动机的功率、转矩及燃油消耗率与发动机 曲轴转速的变化关系，即为发动机的速度特性。 当发动机节气门全开（或高压油泵处于最大供油 量位置），此特性称为发动机的外特性，对应的关
汽车行驶系概述 一、填空题 1. 以车轮直接与地面接触的行驶系，称为（轮式）行驶系，这样的汽车称为（轮式）汽车。 2. 轮式汽车行驶系一般由（车架）、（车桥）、（车轮）和（悬架）组成。 二、问答题 1. 汽车行驶系的功用是什么? 答：1）接受由发动机经传动系传来的转矩，并通过驱动轮与路面间的附着作用，产生路面对汽车的牵引力，以保证整车正常行驶。 2）传递并承受路面作用于车轮上的各向反力及其所形成的力矩。 3）缓和不平路面对车身造成的冲击和振动，保证汽车行驶平顺性。 4）与汽车转向系配合，实现汽车行驶方向的正确控制，以保证汽车操纵稳定性。 车架 一、填空题 1. 车架是整个汽车的（装配机体），汽车的绝大多数部件和总成都是通过（车架）来固定其位置的。 2. 车架的结构型式首先应满足（汽车总布置）的要求。 3. 边梁式车架由两根位于两边的（纵梁）和若干根（横梁）组成。 车桥与车轮 一、填空题 1. 车桥通过（悬架）和车架相连，两端安装（汽车车轮）。 2. 车桥的功用是（传递车架与车轮之间的各向作用力）。 3. 根据悬架结构的不同，车桥分为（整体式）和（断开式）两种，根据车轮作用的不同又分为（转向桥）、（驱动桥）、（转向驱动桥）和支持桥等四种。 4. 转向桥是利用（转向节）使车轮可以偏转一定角度，以实现（汽车转向）。 5. 转向桥主要由（前梁）、（转向节）、（主销）和（轮毂）等构成。 6. 车轮由（轮毂）、（轮辋）及它们间联接部分（即轮辐）组成。 7. 按照连接部分，即轮辐的结构的不同，车轮分为（辐板式）车轮和（辐条式）车轮两种。 8. 4.50E×l6(dc)型轮辋，表明该轮辋的名义直径是（165英寸），名义宽度为（4.50英寸），轮辋轮廓代号为（E）的（一）件式（深槽）轮辋。9. 轮胎的固定基础是（轮辋）。 10. 轮胎必须具有适宜的（弹性）和（承载花纹）能力。同时在其直接与地面接触的胎面部分应具有以增强附着作用的。 11. 汽车轮胎按胎体结构的不同分为（充气轮胎）和实心轮胎，现代绝大多数汽车采用（充气轮胎）。 12. 汽车轮胎按胎内压力的大小，分为（低压胎）、（高压胎）、（超低压胎）等三种，目前轿车、货车几乎全部采用（低压胎）。 13. 充气轮胎按胎体中帘线排列的方式的不同，分为（普通斜交胎）、（带束斜交胎）和（子午线胎）三种。 14. 背通斜交胎的外胎由（胎面）、（帘布层）、（缓冲层）及（胎圈）组成，（帘布层）是外胎的骨架，用以保持外胎的形状和尺寸。 15. 胎面是外胎最外的一层，可分为（胎冠）、（胎肩）和（胎侧）三部分。
m1=2000 m2=1800; m=3880; r0=0.367 gt=0.85; f=0.013; CDA=2.77; i0=5.83; If=0.218; Iw1=1.798; Iw2=3.598; Ig5=[5.56 2.769 1.644 1.00 0.793]; for i=1:3401; n(i)=i+599; Ttq(i)=-19.313+295.27*(n(i)/1000)-165.44*(n(i)/1000).^2+40.874*(n(i)/1000).^3-3.8445*(n(i)/100 0).^4; end for i=1:3401; for j=1:5; Ft(i,j)=Ttq(i)*i0*Ig5(j)*gt/r0; ua(i,j)=0.377*r0*n(i)./(Ig5(j)*i0); F(i,j)=f*m*9.8+CDA*ua(i,j).^2/21.15; end end plot(ua,Ft,ua,F) xlabel('ua/(km/h)'); ylabel('F/N'); title('汽车驱动力-行驶阻力平衡图'); gtext('Ft1') gtext('Ft2'); gtext('Ft3'); gtext('Ft4'); gtext('Ft5'); gtext('Ff+Fw');
>> m=3880; >> g=9.8; >> G=m*g; >> ig=[5.56 2.769 1.644 1.00 0.793]; >> nT=0.85; >> r=0.367; >> f=0.013; >> CDA=2.77; >> i0=5.83; >> L=3.2; >> a=1.947; >> hg=0.9; >> If=0.218; Iw1=1.798; Iw2=3.598; nmin=600;nmax=4000; >> n=600:10:4000; >> Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4; >> Ft1=Tq*ig(1)*i0*nT/r; >> Ft2=Tq*ig(2)*i0*nT/r; >> Ft3=Tq*ig(3)*i0*nT/r; >> Ft4=Tq*ig(4)*i0*nT/r; >> Ft5=Tq*ig(5)*i0*nT/r; >> ua1=0.377*r*n/ig(1)/i0; >> ua2=0.377*r*n/ig(2)/i0; >> ua3=0.377*r*n/ig(3)/i0; >> ua4=0.377*r*n/ig(4)/i0; >> ua5=0.377*r*n/ig(5)/i0; >> ua=0:5:120; >> Ff=G*f; >> Fw=CDA*ua.^2/21.15; >> Fz=Ff+Fw; >> plot(ua1,Ft1,ua2,Ft2,ua3,Ft3,ua4,Ft4,ua5,Ft5,ua,Fz); >> title('汽车驱动力-行驶阻力平衡图'); >> xlabel('ua(km*h^-1)'); >> ylabel('Ft/N'); >> gtext('Ft1'),gtext('Ft2'),gtext('Ft3'),gtext('Ft4'),gtext('Ft5'),gtext('Ff+Fw');
2012年——2013年《汽车使用性能与检测》四月份测试卷汽车的动力性是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、所能达到的平均速度。它表示了汽车以最大可能的平均行驶速度从事交通运输的能力。汽车的动力性是汽车各种实用性能中最重要、最基本的性能. 1 驱动力的概念 汽车发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上的转矩Tt车轮对地面产生圆周力F0，而地面对车轮都反作用力Ft即为驱动汽车的外力，此外力就称为汽车的驱动力.其数值为：Ft=Tt/r。 Tt-----为作用于车轮上都转矩； r----- 为车轮半径。 1、驱动力的产生 汽车发动机产生的扭矩经传动系传至驱动轮，驱动轮便产生一个作用于地面的圆周力F，路面则对车轮产生一个反作用力F1,F1与F大小相等、方向相反，分别作用在车轮和路面上。 2 汽车的动力性指标 从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发,汽车的动力性主要由以下三个指标来评定:(1)汽车的最高车速(2)汽车的加速时间(3)汽车能爬上的最大坡度. 3 汽车的驱动力、行驶阻力 汽车的驱动力汽车发动机产生的有效转矩,经汽车传动系传至驱动轮上。作用于驱动轮上的转矩产生一个对地面的作用力,地面对驱动轮的反作用力即是汽车的驱动力. 4 汽车的行驶 通常将汽车的驱动力-行驶阻力平衡图、功率平衡图和动力特性图总称为汽车的行驶特性图。它表明了驱动力-速度、行驶阻力-速度、各档发动机转速-速度、滚动阻力及坡度阻力与速度的关系 5 汽车的动力性分析 最高车速： 无风条件下,汽车在水平良好路面上行驶,行驶阻力与驱动力相平衡时达到的稳定车速。加速能力： 汽车的加速性能主要分为原地起步加速性能和超车加速性能。汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价。但因加速度的数值不易测量,一般常用加速时间来表明汽车的加速能力。 爬坡能力： 汽车的爬坡能力是指汽车满载在良好的路面上克服阻力后的余力全部用来克服坡度阻力时等速行驶的最大爬坡度。 6 结束语 利用汽车的行驶特性图来分析汽车的动力性指标是一种简单、直观、有效的方法。通过对汽车动力性的分析,寻求改善汽车动力性的方法。从而为发动机和变速器的设计、传动系传动比的合理选择以及汽车最佳动力换档规律的确定提供了理论上的依据