汽车理论重点(机械学院内部总结)(1)

重庆大学机械工程学院汽车理论复试要点笔记(内部总结)

备注：各课次内容中：用红色字标记的是重点，加粗且斜体标记的是难点，既用红色标记又加粗斜体标记的既是重点也是难点。

课次1： 内容：

第一章、汽车的动力性 §1-1 汽车的动力性指标

§1-2 汽车的驱动力与行驶阻力

一、汽车驱的驱动力：发动机的外特性，传动系的机械效率，车轮半径，汽车的驱动力图。

课次2：

二、汽车的行驶阻力：滚动阻力及滚动阻力系数，空气阻力及空气阻力系数，上坡阻力，加速阻力。

课次3：

三、汽车的行驶方程式

§1-3 汽车行驶的驱动与附着条件，附着力与附着利用率 课次4：

§1-4 汽车的驱动力——行驶阻力平衡：驱动力—行驶阻力平衡图，利用驱动力—行驶阻力平衡图分析汽车的动力性指标。 §1-5 汽车的动力因数与动力特性图：利用动力特性图分析汽车的动力性指标。

课次5：

§1-6 汽车的功率平衡：利用功率平衡图分析汽车的动力性指标。

课后习题：汽车动力性习题 试验1：汽车动力性路上试验

课次6：

第二章 汽车的燃油经济性 §2-1 汽车燃油经济性的评价指标

§2-2 汽车的燃油经济性计算：汽车发动机的负荷特性与万有特性，汽车稳定行驶时燃油经济性的计算

课次7：

§2-2 汽车的燃油经济性计算：汽车的加速、减速与停车怠速的耗油量计算。 §2-3 影响汽车燃没油经济性的因素：影响汽车燃油经济性的使用因素，影响汽车燃油经济性的结构因素，提高汽车燃油经济性的途径。

试验2：汽车燃油经济性实验

课次8：

第三章 汽车发动机功率与传动系传动比的选择 §3-1 发动机功率的选择

§3-2 传动系最小传动比的确定

课次9：

§3-3 传动系最大传动比的确定

§3-4 传动系档数与各档传动比的确定

课后习题：汽车燃油经济性及传动系统参数选择习题

课次10：

第四章 汽车的制动性 §4-1 制动性的评价指标

§4-2 制动时车轮的受力：地面制动力、制动器制动力与附着力的关系，滑动率与附着系数的关系。

课次11：

§4-3 汽车的制动效能：汽车的制动减速度，制动距离， 汽车制动效能的恒定性

§4-4 制动时汽车的方向稳定性：制动跑偏，制动侧滑。

课次12：

§4-5 前后制动器制动力的比例关系：

一、地面对前、后车轮的法向反作用力，前、后制动器制动力的理想分配曲线， 二、具有固定比值的前、后制动器制动力实际分配线，同步附着系数及其选择，制动过程分析

课次13：

三、在附着系数不同的道路上的制动过程分析、利用附着系数与附着效率。 §4-6 制动力调节：制动力调节原理，制动系限压阀、比例阀，防抱制动系统。 课次14：

第七章 汽车的通过性 §7-1 汽车通过性概述

§7-2 汽车间隙失效、通过性的几何参数 §7-3 汽车越过台阶、壕沟的能力

课后习题： 汽车制动性和通过性习题

课次15：

第五章 汽车的操纵稳定性

§5-1概述：操纵稳定性概念，车辆坐标系，刚体运动微分方程。 §5-2轮胎的侧偏特性：轮胎坐标系，轮胎侧偏现象与侧偏特性，

课次16：

§5-2轮胎的侧偏特性：影响侧偏特性的诸因素，有外倾角时轮胎的滚动。 §5-3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应：汽车操纵系统的简化模型对前轮角输入的响应：二自由度汽车的运动微分方程式 课次17 ：

§5-3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应：汽车的稳态响应，汽车的瞬态响应 。

§5-4汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系：悬架的侧倾特性，侧倾时左右车轮垂直载荷变化对汽车转向性能的影响

课次18：

§5-4汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系：侧倾时车轮外倾角的变化对汽车转向性能的影响，运动侧偏对汽车转向性能的影响。

课次19：

§5-5侧偏柔度、不足转向量及气车时域响应的计算

课后习题：汽车操纵稳定性习题 试验3：汽车稳态转向试验

课次20：

第六章 汽车的行驶平顺性

§6-1人体对振动的反应和平顺性的评价：人体对振动的反应，汽车行驶平顺性的评价方法与主要指标，研究汽车行驶平顺性的基本方法。 2 课次21：

§6-2路面的统计特性：路面功率谱，空间频率谱密度转化为时间频率谱密度，路面输入谱。 课次22 ：

§6-3汽车振动系统的简化，

单质量系统的振动:单质量系统的自由振动，单质量系统的频率响应特性，单质量系统在路面随机激励下的响应，谱分析与方差（均方根值）的计算。 课次23

§6-4车身与车轮双质量系统的振动 课次24

§6-4车身与车轮双质量系统的振动 复习

课后习题：汽车行驶平顺性习题

课次25： 考试

汽车理论

汽车理论是研究汽车主要使用性能的科学，是在分析汽车运动基本规律的基础上研究汽车主要使用性能与其结构之间的内在联系，分析汽车主要使用性能的各种影响因素，从而指出正确设计汽车和合理使用汽车的基本途径。

对汽车提出的使用性能的要求是多方面的，汽车理论主要研究汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等。

汽车的动力性 学习目标

通过本章的学习，应重点掌握汽车的动力性指标，熟练分析汽车的受力情况，深入理解汽车的行驶方程式，并熟练运用汽车的力平衡图和功率平衡图分析汽车的动力性指标。

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、所能达到的平均行驶速度。汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低很大程度上取决于汽车的动力性。所以，动力性是汽车各种性能中最基本最重要的性能。 1.1节 汽车动力性指标

从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要有以下三个评价指标。 1.1.1 汽车的最高车速uamax

最高车速是指在水平良好的路面(混凝土或沥青)上，汽车能达到的最高行驶车速。 1.1.2 汽车的加速时间t

汽车的加速时间表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有很大影响。常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。原地起步加速时间，指汽车由Ⅰ档或Ⅱ档起步，并以最大的加速强度(包括选择恰当的换档时机)逐步换至最高档后，到某一预定的距离或车速所需的时间。超车加速时间，指用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。由于超车时两车辆并行，容易发生安全事故，所以超车加速能力强，并行行程短，行驶就安全。一般常用0→400m或0→100km/h所需的时间来表明汽车的原地起步加速能力。对超车加速能力还没有一致的规定，采用较多的是用最高档或次高档，由某一中等车速全力加速行驶至某一高速所需的时间。轿车对加速时间尤为重视。 1.1.3 汽车的最大爬坡度i

汽车满载时，在良好路面上的最大爬坡度，表示汽车的上坡能力。显然，汽车的最大爬坡度指Ⅰ档最大爬坡度。轿车最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；而且它的Ⅰ档加速能力大，故爬坡能力也强。货车在各种地区的各种道路上行驶，所以必须具有足够的爬坡能力。实际上，imax代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道路最大爬坡度超出很多。这是因为应考虑到在坡道上停车后，顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力等要求的缘故。一般货车imax在30%即16.7°左右，越野汽车要在坏路或无路条件下行驶，因而爬坡能力是一个很重要的指标，它的最大爬坡度可达60%即31°左右。

三个指标的测定，均应在无风的条件下进行。

确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状态。因此，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车上的各种外力，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，就可以估算汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。

8.2节 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

式中

Ft?∑F

Ft——汽车驱动力；

∑F——行驶阻力之和。 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Ttq，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ig、主减速比为i0、传动系的机械效率为?T，则传到驱动轮上的转矩Tt，即驱动力矩为

Tt?Ttqigi0?T

如图1.1所示，此时作用于驱动轮上的转矩Tt，产生对地面的圆周力F0，则地面对驱动轮的反作用力Ft，即为汽车驱动力。如果驱动车轮的滚动半径为r，就有Ft因而，汽车驱动力为

图1.1汽车的驱动力

?Tt/r，

Ft?Ttqigi0?T (1.1) r 下面将对式(1.1)中发动机转矩丁Ttq、传动系机械效率?T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时，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。nmin为发动 1.2.1.2 传动系的机械效率

发动机发出的功率Pe，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PT，则传到驱动轮的功率为P传动系的机械效率?TT，e-P为

?T?Pe?PTP?1?T (1.5) PePe

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。

在汽车重力作用下，轮胎发生径向变形。车轮中心与轮胎接地面的距离称为静力半径rs。静力半径小于其自由半径，它取决于载荷、轮胎的径向刚度，以及支承面的刚度。 作用于车轮上除径向载荷外，还有转矩。车轮中心至轮胎与道路接触面切向反作用力之间的距离为动力半径。此时轮胎不仅产生径向变形，同时还产生切向变形。其切向变形取决于轮胎的切向刚度、轮胎承受的转矩及转动时的离心惯性力等。

以车轮转动圈数n与车轮实际滚动距离S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)rr，即

rr?S (1.6) 2?n显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径rs；而作运动学分析时应该用滚动半径rr。但在一般的分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径r，即认为

rs?rr?r

1.2.1.4 汽车的驱动力图

在各个排档上，汽车驱动力Ft与车速ua之间的函数关系曲线，称为汽车驱动力图。它直观地显示变速器处于各档位时，驱动力随车速变化的规律。

当已知发动机外特性曲线、传动系的传动比及机械效率、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(ne、Ttq)。

（2）根据选定的不同档位传动比，按式(1)算出驱动力值。

（3）根据转速ne、变速器传动比ig及主减速比i0，由下式计算与所求Ft对应的速度：

ua?0.377rne (1.7) igi0（4）建立Ft-ua坐标，选好比例尺，对每个档位，将计算出的值(Ft，ua)分别描点并连成曲线，即得驱动力图。

图1.3即为某五档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档位驱动力的变化。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

图1.3 汽车驱动力图 重力沿坡道的分力，即坡度阻力Fi；另外汽车加

速行驶时还需要克服的阻力即加速阻力Fj。因此汽车行驶的总阻力为

∑F?Ff+Fw+Fi+Fj (1.8)

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、切向和侧向均产生相互作用力，轮胎与地面亦存在相应的变形。无论是轮胎还是地面，其变形过程必然伴随着一定的能量损失。这些能量损失是使车轮转动时产生滚动阻力的根本原因。

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。图1.4为轮胎在硬支承路面上受径向载荷时的变形过程及对应的曲线。

图1.4 轮胎径向变形曲线 a)轮胎受力 b)变形曲线

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DCA与卸载变形曲线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OCABO为加载过程中对轮胎所作的功；面积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?的情况下，处于加载过程的载荷较大，即图中FC＞FD。这说明当车轮在径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。

1.2.2.1.2 等速滚动从动轮受力分析及滚动阻力系数

图1.5 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况

a)受力分析 b)滚动阻力

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FZ1相对车轮垂直中心线前移了一段距离a。a值随弹性损失的增大而增大。车轮所承受的径向载荷

W，与法向反力FZ1，大小相等，方向相反，即FZ1=-W。

若法向反力FZ1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1.5b所示。图中力矩Tf1为作用于车轮上阻碍车轮滚动的滚动力偶矩，且Tf1=FZ1a。要使

从动轮等速直线滚动，FZ1必须通过车轮中心，通过车轴施加以推力FP1，它与地面切向反力Fx1构成一力偶矩来克服滚动力偶矩Tf1，由车轮中心力矩平衡条件，得

FP1r=Tf1

故所应施加推力为

FP1?Tf1Faa?FZ1?W1?W1f或f?P1 rrrW1式中

f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Ff1为

Tf1?fW1 (1.9) Ff1?r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为驱动轮在硬路面上等速直线滚动时的受力图。

图中FZ2为道路对驱动轮的切向反力，TP2为车架通过悬架给轮轴的反推力，法向反作用力FZ2也由于轮胎弹性迟滞损失，使其作用线前移一段距离a，即在驱动轮上同样作用有滚动力偶矩Tf2。由对车轮中心的力矩平衡条件得：

图1.6 驱动轮在硬路面上滚动时的受力情况

Fx2r?Tt?Tf2

Fx2?TtTf2??Ft?Ff2 (1.10) rr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

Fx2，其数值等于驱动力Ft减去驱动轮滚动阻力Ff2。

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1.1列出了车速为50km/h时，汽车在各种路面上行驶时的车轮滚动阻力系数值。滚动阻力系数主要受路面的影响。路面的种类及其状态都影响滚动阻力系数。

表1.1 滚动阻力系数值

路面类型 良好的沥青或混凝土路面 一般的沥青或混凝土路面 碎石路面 良好卵石路面 坑洼的卵石路面 滚动阻力系数 0.010～0.018 0.018～0.020 0.020～0.025 0.025～0.030 0.035～0.050 压紧土路(干燥的) 压紧土路(雨后的) 泥泞土路(雨季或解冻期) 干砂 湿砂 结冰路面 压紧的雪道

0.025～0.035 0.050～0.150 0.100～0.250 0.100～0.300 0.060～0.150 0.015～0.030 0.030～0.050 (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；当车速在100km/h以上时，滚动阻力系数随车速提高而增大较快，当车速高到一定数值后，轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不是圆形，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。在硬路面上行驶的汽车，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。

汽车在软路面上行驶，气压低，轮胎变形大，使轮胎与地面接触面积增大,单位面积压力下降，地面变形小，使滚动阻力系数相应减小。

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%。

空气阻力中，形状阻力占的比重最大，所以，改善车身流线形状，是减小空气阻力的关键。

空气阻力Fw(N)的计算公式为

CDAua2 FW? (1.11)

21.15式中

ua——相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度(km/h)；

A——迎风面积(m2)；

CD——空气阻力系数。

空气阻力作用于由风洞试验测得的风帆中心，以代替分布于整个汽车表面的力。

为考查汽车造型对空气阻力的影响，在图1.7所示的4种车头和4种车尾组合的轿

车模型上做空气阻力系数CD值的测定实验。实验结果表明，用完全圆形的车头C型，代替挡风玻璃倾角45°阶梯形车头D型，对减小汽车空气阻力并无明显改善，但比较陡的挡风玻璃(E)或垂直的挡风玻璃(F)，使CD值显著增加。

图1.7 轿车模型的空气阻力系数CD 由图中所示Z型车尾呈细长的a)

CD随车型变化 b)汽车模型 空气阻力系数CD值最小，但这

种造型是不实际的。车尾装上适当尺寸的扰流板、保险杠下部或驾驶室顶部安装适当的导流板，都会减小空气阻力系数。

为减小干扰阻力，首要的是减少车身外突起物的数量，其突起物的形状也最好接近流线型。

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Fi表现为对汽车行驶的一种阻力，称坡度阻力。坡度阻力Fi(N)按下式计算：

Fi?Gsin? (1.12)

坡道的表示方法是用坡度

i，即用坡高h与底长S之比表示：

式中?——道路坡度角(°)。

i?sin?图1.8 汽车的上坡阻力 当坡道角?<10°～15°时， ?tan??i，则：

h?100%?tan? S

Fi?Gsin??Gtan??Gi (1.13)

由于坡度阻力Fi与滚动阻力Ff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F?(N)，即

令?F??Ff?Fi?fGco?s?Gsin? (1.14)

?fcos??sin?，?称为道路阻力系数。

?1，sin??i，则

当坡度角?较小时，cos?

F??Ff?Fi?Gf?Gi?G(f?i)?G? (1.15)

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Fj。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

?作为换算系数，则汽车加速时的加速阻力Fj(N)为，

Fj??mdu (1.16) dt式中?——汽车旋转质量换算系数，(?＞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)；

du——汽车行驶加速度，(m/s2)。 dt

1.3节 汽车的行驶方程式与汽车行驶条件 1.3.1 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

Ft?Ff?FW?Fi?Fj

Ttqigi0?TCDAua2du 或?Gfcos???Gsin???m (1.17)

r21.15dt 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。本节将对汽车

各部分取隔离体，进行受力分析，以便更具体确切地说明汽车的总体受力，同时推导出旋转质量换算系数?并建立汽车行驶方程式。

1.3.1.1 从动轮在加速过程中的受力分析

图1.9 加速时车轮的受力图 图1.10 加速时驱动轮的受力图

W1 —从动轮上的载荷 m1—从动轮的质量 W2—驱动轮上的载荷 m2—驱动轮的质量

Fz1—地面对从动轮的法向反作用力 Fz2

—地面对驱动轮的法向反作用力

IW1—从动轮的转动惯量 IW2—驱动轮的转动惯量

FP1—从动轴对从动轮的推力 FP2—驱动轴对驱动轮的阻力 Fz1—地面切向反作用力 Tf1—从动轮滚动阻力偶矩 Fx2地面切向反作用力 m1du—从动轮平移惯性力 Tf2—驱动轮的滚动阻力偶矩 dtd??IW1—绕从动轮重心的惯性力偶 Tt—半轴作用于驱动轮的力矩 dt 图1.9为加速时从动轮的受力图。

根据力(力矩)平衡条件，沿水平方向各力合力为零，即

FP1?m1du?Fx1 (1.18) dtd? dt绕车轮中心力矩之和为零，即 由于Tf1/rFx1r?Tf1?IW1?Ff1，??ua/r，则上式可写成

Fx1?Ff1?IW1du (1.19) 2rdtIW1du) (1.20) r2dt故从动轴对从动轮的推力为

FP1?Ff1?(m1?可见，推动从动轮前进的推力，要克服两种阻力，即从动轮的滚动阻力和从动轮的加速

阻力。加速阻力又由平移质量的加速阻力m11.3.2 汽车的行驶条件

由汽车的行驶方程得：

I1dudu和旋转质量的加速阻力W所组成。 dtr2dt?Gdu?Ft?(Ff?FW?Fi) gdt 可见，驱动力必须大于滚动阻力、坡度阻力和空气阻力后，才能加速行驶。若驱动力小于这三个阻力之和，则汽车无法开动，正在行驶中的汽车将减速直至停车。因此，汽车行驶的第一个条件为

Ft?Ff?FW?Fi (1.25)

此条件为汽车行驶的驱动条件，但它并不是汽车行驶的充分条件，实际上，驱动力是受附着力限制的。增加发动机转矩及增大传动比，可以增大驱动力。但驱动力达到路面可能给出的最大切向力，即附着力F?时，驱动轮会出现滑转现象，汽车不能前进。

附着力是路面对驱动轮切向反力的极限值，在硬路面上，它与驱动轮法向反作用力Fz2成正比，即

Fx2max?F??Fz2?

驱动轮地面法向反作用力与汽车的总体布置、行驶状况及道路的坡度有关。式中?为附着系数，它与路面的种类和状况、车轮运动状况、胎压及花纹有关，行驶车速对附着系数也有影响。

在一般动力性分析中只取附着系数的平均值，见表1.2。

表1.2 轮胎与路面间的附着系数 路面 干燥的沥青或混凝土路面 潮湿的混凝土路面 潮湿的沥青路面 碎石路面(干) 碎石路面(潮湿) 土路(干) 土路(湿) 土路(泥) 雪路(松软) 雪路(压实) 冰路面 普通轮胎 0.70～0.80 0.5 0.45～0.6 0.60～0.70 0.40～0.50 0.50～0.60 0.30～0.40 0.15～0.25 0.20～0.35 0.20～0.35 0.10～0.20 高压轮胎 0.50～0.70 0.4 0.35 0.50～0.60 0.30～0.40 0.40～0.50 0.20～0.40 0.15～0.25 0.20～0.35 0.12～0.20 0.08～0.15 硬路面的接触强度大，地面的坚硬及微小的凸起物和轮胎表面的机械啮合作用等，使轮胎与地面之间产生较大的附着力，故附着系数较大。潮湿的路面和微观凸凹、被污秽、灰尘所填的路面，附着系数下降。

轮胎气压对附着系数有较大的影响，在干燥的硬路面上，降低轮胎的气压，轮胎与路面微观不平处的啮合面积增大，使附着系数加大。在潮湿的硬路面上，适当提高轮胎气压，可

以提高对路面的单位压力，有利于挤出接触处的水分，附着系数提高。此外，在硬路面上行驶的汽车，胎面花纹做成浅而细的形状，可以增强胎面与路面上微观突起物间的啮合作用，有利于提高附着系数。在软路面上行驶的汽车，胎面花纹做成粗而深的花纹，可增大嵌入轮胎花纹内的土壤的剪切断面，达到提高附着系数的目的。轮胎花纹做成具有良好的排水功能的形状，提高汽车在潮湿路面上的附着系数。

行驶车速对附着系数也有影响。在硬路面上，车速增加时，轮胎来不及与路面微小凸起部分很好啮合，附着系数下降。雨天在硬路面上行驶，车速提高时，轮胎与路面间的水不易被挤出，使附着系数显著下降。在松软路面上行驶的汽车，由于汽车车速的提高，车轮的作用力很容易破坏土壤的结构，造成附着系数也下降。

应当明确，附着力并不是汽车受到的一个力，它只是路面给车轮切向力的极限值。当地面切向力达到此值时，驱动轮将产生滑转，汽车不能行驶，因此，汽车行驶应满足的第二个条件——附着条件为(对于后轮驱动的汽车)

Fx2?Ft?Ff2?F??Fz2? (1.26)

而

Ft?Fz2(f??)

f??，所以上式可近似为

式中

Ft?Fz2?或Ft?Fz?? (1.27)

Fz?——作用于所有驱动轮上的地面法向反作用力。

Ff?FW?Fi?Ft?Fz?? (1.28)

图1.12为汽车加速上坡受力图。可推导出Fz1、Fz2随上述条件变化而变化的规律。

联立式(1.25)和式(1.27)得汽车行驶的驱动与附着条件为

这就是汽车行驶的必要与充分条件。

图1.12 汽车加速上坡受力图

1.4节 汽车驱动力—行驶阻力平衡图与动力特性图 1.4.1 驱动力—行驶阻力平衡图 前面得到汽车的行驶方程式为

Ft?Ff?FW?Fi?Fj

2Ttqigi0?TCDAuaGdu?Gfcos???Gsin???或 r21.15gdt 此方程表明了汽车行驶时，驱动力和各行驶阻力之间的平衡关系。当发动机转速特性、

变速器传动比、主减速比、机械效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积及汽车总质

量等初步确定后，便可利用此式分析汽车在良好路面（沥青、混凝土路面）上的行驶能力，即确定节流阀全开时，汽车能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力。

为了清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系，一般是采用汽车行驶方程式用图解法来进行分析的。汽车的驱动力-行驶阻力平衡图就是最基本的一种，将汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力叠加后画在驱动力图上，并表明该叠加量随车速的变化关系曲线。图1.13即为一具有五档变速器汽车的驱动力-行驶阻力平衡图。

1.4.2 利用驱动力—行驶阻力平衡图图解汽车动力性指标

利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图，我们可以图解分析汽车的各项动力性指标。

图1.13 汽车驱动力—行驶阻力平衡图 1.4.2.1 最高车速

汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，在水平、良好的路面上，节流阀全开，变速器置于最高档所能达到的车速。

根据汽车行驶方程Ft此时，Fi?Ff?FW?Fi?Fj

?0，Fj?0，Ft?Ff?FW，即驱动力-行驶阻力平衡图上Ft曲线（此时

?FW曲线的交点对应的车速，就是最高车速（图中为

为最高档驱动力曲线Ft5）与Ff175km/h）。

从图中还可以看出，当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力，这样，汽车就可以利用剩下来的驱动力加速或爬坡，或牵引挂车。当需要在低于最高车速的某一车速(如160km/h)等速行驶时，驾驶员可以关小节流阀开度(图中虚线)，此时发动机只用部分负荷特性工作，相应地得到虚线所示驱动力曲线，以使汽车达到新的平衡。 1.4.2.2 汽车的加速能力

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。由于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。例如用直接档行驶时，由最低稳定速度加速到一定距离或80%uamax所需时间（新车一般用0～100km/h所需的时间）。

由汽车行驶方程得：

dug?Ft?(Ff?FW) dt?G??

显然利用图1.13，可计算得各档的加速度曲线如图1.14所示。有的汽车Ⅰ档的?值甚大，Ⅱ档的加速度可能比I档的还要大。

根据加速度图，可以进一步求得由某一车速加速至另一较高车速所需的时间。

由于

j?du dtu2u1故

t??1du j图1.14 汽车的行驶加速度曲线

如果画出加速度倒数

1随速度变化的曲线，可用图解积分法求出曲线下的面积，即为加速j过程中的加速时间。 1.4.2.3 汽车的爬坡能力

汽车的爬坡能力是用最大爬坡度来评定。最大爬坡度imax%是指汽车满载时，在良好路面上以最低档所能爬行的最大坡度。此时汽车在良好路面上克服Ff来克服坡度阻力，故

因此

?FW后的力，全部用

du?0，即Fj?0 dtFi?Ft?(Ff?FW)

式中，Ff应为Gf

cos?，但Ff的数值本来就较小，且cos??1，故可认为

Gsin??Ft?(Ff?FW)

??arcsinFt?(Ff?FW)

G

这样利用图1.13，即可求出汽车能爬上的坡道角，并相应地求出坡度值，如图1.15所示。其中最大爬坡度imax为Ⅰ档时的最大爬坡度，直接档最大爬坡度i0max亦应引起注意，因为汽车经常是以直接档行驶的，如果i0max过小，迫使汽

图1.15 汽车爬坡度图 车在遇到较小的坡度时经常换档，这样就影响了

行驶的平均速度；其数值按下式求出：

i0max?式中

Ft0max?(Ft?FW) (1.29)

G——直接档时的最大驱动力。 Ft0max1.4.3 动力因数

利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图可以确定汽车的动力性，但不能用来直接评价不同种

类汽车的动力性。因为种类不同的汽车，其质量或外形有所不同，因此各行驶阻力也不同，也就是说即使驱动力相近的汽车，其动力性也不相近。所以可以预想到表征动力性的指标，应该是一种既考虑驱动力，又包含汽车自重和空气阻力在内的综合性参数。将汽车行驶方程式进行一定的变换，便可找出评定汽车动力性的参数。

Ft?Ff?FW?Fi?Fj

Ft?FW?G???Gdu gdt

Ft?FW?du (1.30) ???Ggdt式(1.30)的右边是汽车行驶时的道路阻力系数及加速度与

?的乘积，左边是汽车本身所具有g的参数。若令

Ft?FW为汽车的动力因数，并以符号D表示，则 G

D?Ft?FW?du (1.31) ???Ggdt式(1.31)称为汽车的动力平衡方程。由式(1.31)可知，不论汽车自重等参数有何不同，只要有

相等的动力因数D，便能克服同样的坡度和产生同样的加速度(设两汽车的?值相同)。因此，目前常把动力因数作为表征汽车动力特性的指标。 1.4.4 汽车的动力特性图及其应用

利用Ft-ua和FW?f(ua)的函数关系，根据式(1.31)计算出D并作出D-ua关系曲

线，因此，目前常把动力因数作为表征汽车动力特性的指标。称为动力特性图，如图1.16所示。再将汽车滚动阻力系数

f随车速ua变

化关系曲线，以同样的比例尺画在动力特性图上，就可以方便地分析汽车动力特性。 1.4.4.1 最高车速

在汽车达到最高车速时，

j?0，i?0，故汽车的动力平衡

方程式(31)变为D?f，即图15

图1.16 动力特性图 中高速档动力因数曲线与滚动阻力

系数曲线交点处对应的车速为最高车速。 1.4.4.2 各档爬坡能力

在各档爬最大坡度时，加速度 因此，D曲线与

j?0，动力平衡方程式为

D???f?i

f曲线之间的距离，就是汽车各档的爬坡能力。粗略估算时，

D?max?f，就是汽车的最大爬坡度。实际上,Ⅰ档所能上的坡度一般较大，因此，

cos?＜1，sin?≠i，故imax?D?max?f的误差较太，此时

D?max?fcos?max?sin?max

解此三角函数方程，求得?max然后再根据tan?maxD?max?f1?D?2max?f2?arcsin 21?f?imax换算成坡度。

1.4.4.3 加速能力

评定汽车的加速能力时，设i?0，则动力平衡方程为

D?f??dugdt

dug?(D?f) dt? 因此，在汽车动力特性图上，D曲线与

gf曲线之间距离的倍；就是汽车各档的加速

?度。当求直接档加速度时，若粗略判断，可取?与

?1，g?10m/s2,则加速度值就是D曲线

f曲线之间距离的10倍。

由上述可见，用动力特性图求解汽车的动力性指标十分合适和方便，在汽车的技术文件中常用动力特性来表征汽车的动力性。 在动力特性图上几个重要参数如下：

（1）汽车在水平良好路面上的最高车速uamax。

（2） Ⅰ档最大动力因数D?max。它可粗略地代表最大爬坡能力。

（3）直接档的最大动力因数D0max。它说明了汽车以直接档行驶时的爬坡与加速能力，该值对汽车行驶的平均速度有很大影响。

1.5节 汽车的功率平衡 汽车行驶时，不仅存在驱动力与行驶阻力的平衡关系，而且也存在发动机功率和汽车行驶的阻力功率间的平衡关系。即发动机发出的有效功率，始终等于机械传动损失与全部运动

阻力所消耗的功率。 1.5.1 功率平衡方程

汽车运动阻力所消耗的功率，有滚动阻力功率Pf、空气阻力功率P坡度阻力功率PiW、及加速阻力功率Pj，它们的表达式为

Pf?FfuaGfcos?uaFiuaGsin?ua? P ??i3.6?10003600360036003Fjua?GuaduFWuaCDAuaPW?? Pj? ?36007614036003600gdt功率平衡方程为

Pe?1?T?P?1?T(Pf?PW?Pi?Pj)

2uaCDAuaGdu即 P?(Gfcos??Gsin????) e3600?T21.15gdt当?较小时，sin??i，cos??1，上式可写成

2uaCDAuaGduPe?(Gf?Gi???)

3600?T21.15gdt1.5.2 功率平衡图及其应用

汽车的功率平衡关系也可以用图解法表示。以纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发

动机功率

Pe、汽车经常遇到的阻力功率

1?T(Pf?PW)，对应于车速的关系曲线绘在坐

标图上，即得到如图1.17所示功率平衡图。 可见由于发动机功率随车速的变化，实际上是随转速的变化，发动机转速在各档位对应的行驶车速不同，因此得出图示的各档功率与行驶车速的关系曲线。

Pf在低速范围内为一直线，在高速时由于

f是ua的一次函数，Pf是ua的二次函数；而

图1.17 汽车功率平衡图

PW则是ua的三次函数。两者叠加后，阻力功率曲

线是一条斜率越来越大的曲线。它与档位无关，只与车速有关，所以高速时，汽车主要克服

空气阻力而消耗功率。 1.5.2.1 最高车速

汽车达最高车速时，

j?0，i?0，则

Pe?1?T(Pf?PW)

即功率平衡图中，发动机功率曲线(直接档)与阻力功率曲线的交点对应的车速uamax，稍大于最高档时发动机最大功率对应的车速uP。 1.5.2.2 加速能力

评价加速能力时，i?0，则

Pj??T[Pe?1?T(Pf?PW)]

所以，不同车速时的加速度为

du3600g?T1?[Pe?(Pf?PW)] dt?Gua?T1.5.2.3 上坡能力

评价汽车上坡能力时，

j?0，粗略计算求出汽车的爬坡度为

i?3600?T1[Pe?(Pf?PW)] Gua?T 功率平衡图上，各档功率曲线表示汽车在该档上，不同车速时可能发出的功率。总阻力

功率曲线表示在平直良好路上，以不同车速等速行驶时所需要的功率。两者间的功率差值为后备功率，它可以用来使汽车加速、爬坡等。

利用功率平衡的方法求解动力性问题显得麻烦。但汽车的速度越高，遇到阻力越大，克服阻力所消耗的功率就越大，因此，功率平衡是从能量转换角度研究汽车动力性的。利用功率平衡，还可以研究行驶时发动机的负荷率，即一定工况下，克服阻力所需发动机发出功率和该工况下发动机能够发出的最大功率的比值，以便研究经济性问题。

1.6 节 影响汽车动力性的主要因素 1.6.1发动机参数的影响

1.6.1.1 发动机最大功率的影响

发动机功率愈大，汽车的动力性愈好。设计中发动机最大功率的选择必须保证汽车预期的最高车速。最高车速愈高，要求的发动机功率愈大，其后备功率也大，加速和爬坡能力必然较好。但发动机功率不宜过大，否则在常用条件下，发动机负荷率过低，油耗增加。

单位汽车重力所具有的发动机功率Fe比功率和汽车的G称为比功率或功率利用系数。

类型有关。总重力49kN(5t)的货车其比功率在较小范围内变化，一般在75kW/kN以上。轿

车和总重力小于39.2kN的货车比功率较大，动力性很好。重型自卸汽车速度低，比功率较

小。

1.6.1.2 发动机最大扭矩

发动机的最大扭矩大，在i0、ig一定时，最大动力因数较大，汽车的加速和上坡能力也强。

1.6.1.3 发动机外特性曲线的形状

两台发动机的外特性曲线形状不同，但其最大功率和相对应的转速可能相等。假定汽车的总质量、流线型、传动比均为已知，为了便于比较，并假定总阻力功率曲线与两台发动机功率曲线交于最大功率点，后备功率较大的外特性曲线所代表的汽车具有较大的加速能力和上坡能力，因而动力性能较好。同时使汽车具有较低的临界车速，换档次数可以减少，因而有利于提高汽车的平均行驶速度。 1.6.2 主减速器传动比i0的影响

传动系总传动比是传动系各部件传动比的乘积。普通汽车上没有分动器和副变速器，如果变速器的最高档是直接档，减速器传动比i0对汽车动力性的影响，可利用汽车在直接档行驶时的功率平衡图来分析。

主减速器的传动比i0不同，汽车功率平衡图上发动机功率曲线的位置不同，与水平路面行驶阻力功率曲线的交点所确定的最高车速不同。当阻力功率曲线正好与发动机功率曲线交在其最大功率点上，此时所得的最高车速最大，uamax?uP，uP为发动机最大功率时的车

速。因此，主减速器的传动比i0应选择到汽车的最高车速相当于发动机最大功率时的车速，这时最高车速最大。

主减速器的传动比i0不同，汽车的后备功率也不同。i0增大，发动机功率曲线左移，汽车的后备功率增大，动力性加强，但燃油经济性较差。i0减小，发动机功率曲线右移，汽车的后备功率较小，但发动机功率利用率高，燃油经济性较好。 1.6.3 传动系档数的影响

无副变速器和分动器时，转动系档数即为变速器前进档的档数。变速器档数增加时，发动机在接近最大功率工况下工作的机会增加，发动机的平均功率利用率高，后备功率增大。有利于汽车加速和上坡，提高了汽车中速行驶时的动力性。档数多，可选用最合适的档位行驶，发动机有可能在大功率工况下工作。使功率利用的平均值增大。 档数的多少还影响到档与档间传动比的比值。比值过大时会造成换档困难。一般认为比 值不宜大过1.7～1.8。因此变速器头档传动比越大，档数也应越多。

各种汽车变速器档数有大致的规律。货车变速器档数随整车整备质晕的增加而增多。总质量3.5t以下轻犁货车绝大多数采用四档变速器。总质量3.5～10t的汽车80%用五档变速器。总质量14t以上的汽车85%带有副变速器，采用8、10、12个或更多档。越野车总质量在3.5t以下的多采用四档变速器和两档分动器。3.5t以上的采用五档或六档变速器和两档分动器。轿车现在越来越多的采用五档变速器。显然，档数多于五档会使结构和操纵变得大为复杂。

1.6.4汽车外形的影响

汽车的外形影响汽车的空气阻力系数，对汽车动力性也有影响。因为空气阻力和车速平方成正比，克服空气阻力所消耗的功率和车速的立方成正比，因此汽车的外形是否是流线型对汽车的最高车速影响很大。流线型外形对高速汽车的动力性、经济性影响十分显著。但对汽车的爬坡能力和低速时的加速性能影响不大。 1.6.5 汽车质量的影响 汽车在使用中，其总质量随载运货物和乘客的多少而变化。尤其是载货汽车拖带挂车时，总质量的变化更大，汽车质量对其动力性有很大影响。

汽车总质量增加时，动力因数D将随之下降，而道路阻力和加速阻力随之增大。故汽车的动力性将随汽车总质量的增加而变差，汽车的最高行驶速度和上坡能力也下降。

汽车的自身质量对汽车动力性影响也大，对于具有相同额定载重量的不同车型，其自身质量较轻的总质量也较轻，因而动力性也较好。因此，对于额定载重质量一定的汽车，在保证刚度与强度足够的前提下，尽量减轻自身质量，可以提高汽车的动力性。

采用拖挂运输可以提高运输生产率，现在已被世界各国广泛采用。汽车拖带挂车或牵引车拖带半挂车组成的汽车列车，其自身质量相过较小(与同样载重质量的汽车相比)，同时可充分利用汽车的后备功率。因此，拖挂运输对提高运输效率和降低运输成本都有利。 1.6.6 轮胎尺寸与型式的影响

汽车的驱动力与滚动阻力以及附着力都受轮胎的尺寸与型式的影响，故轮胎的选用与汽 车的动力性的关系十分密切。

汽车的驱动力与驱动轮的半径成反比，汽车的行驶速度与驱动轮半径成正比。但一般车轮半径是根据汽车类型选定。轮胎花纹对附着性能有显著影响。因而合理选用轮胎花纹与型 式对汽车的动力性有重要意义。 1.6.7汽车运行条件的影响

运行条件对汽车动力性影响的主要因素有：气候条件、高原山区、道路条件。

在我国南方行驶的车辆，由于气温高，发动机冷却系散热不良，容易过热和降低发动机 功率。试验指出汽车长时间在高气温环境下工作后，发动机功率只能发挥30%～45%。 在高原地区行驶的车辆，由于海拔较高，空气稀薄(气压和空气密度下降)，使发动机 充气量与气缸内压缩终点压力降低，因而使发动机功率下降。

汽车在使用过程中，道路条件不断地变化。有时行驶在坏路(雨季翻浆土路、冬季冰雪路和覆盖砂土路)和无路(松软土路、草地和灌木林等地带)的条件下，在这种情况下行驶，由于路面的附着系数减小和车轮滚动阻力增加，因而使汽车动力性能大大下降。

1.7节 汽车动力性试验

汽车动力性试验包括动力性评价指标（最高车速、加速时间、最大爬坡度）、驱动力、行驶阻力及附着力的测量。动力性试验可在道路上和实验室内进行。道路试验主要是测定最高车速、加速能力、最大爬坡度等评价指标。在实验室内可测量汽车的驱动力和各种阻力。1.7.1 道路试验

道路试验应在混凝土或沥青路面的直线路段上进行。路面要求平整、干燥、清洁、坡度不大于0.1%。试验时，大气温度应在-10～30℃之间，风速不大于3m/s。

道路试验测试项目有： 1.7.1.1 最高车速

汽车在试验道路上行驶，达到最高车速后，测定汽车通过1km路段所需要的时间，计算出uamax值。通过的时间用光电测时仪或秒表来测定。 1.7.1.2 加速时间

原地起步加速时间测定，汽车用Ⅰ档起步，节流阀开度开至最大，按最佳换档时机，以最大的加速强度逐步换至高档，全力加速至100km/h的加速过程所需时间。也有用原地起步加速行驶400m所需的时间来表明汽车的加速性能。

超车加速时间测定，汽车在最高档工作，节流阀开至最大，由30km/h加速至0.8uamax的加速过程所需时间。

加速过程可采用车速测量仪，并配合磁带记录仪及X-Y记录仪，直接绘制出速度—时间和速度—行程曲线。不与地面接触的车速测量仪是利用光电原理和跟踪滤波技术，将车辆的行驶速度转换为电信号频率来测量汽车车速，安装方便，测量精度高，适用于高车速测量，最高测量速度可达250km/h，但在低车速时测量误差大。加速过程也可以采用数字式电子装置五轮仪来测定，但用五轮仪进行试验时，由于道路不平使第五轮产生跳动和侧滑，影响测量精度。 8.7.1.3 最大爬坡度

测量汽车的最大爬坡度，应有一系列不同坡度的坡道，坡道长度应大于汽车长度的2～3倍。试验时，汽车接上最低档，以最低速度驶至坡前，然后迅速将节流阀开至最大，驶上坡道。汽车所能爬上的最陡坡道的坡度，就是汽车的最大爬坡度。如果没有合适的坡度，坡度过大或过小，可以采用增减负荷或变换排档的方法，折算出最大爬坡度。

Gaig1 ?0?arcsin(sin?a)

Giga式中

?0——换算后的爬坡度；

?a——试验时实际爬坡度；

G——汽车最大总质量的重力；

Ga——试验时的汽车重力； ig1——变速器Ⅰ档传动比；

iga——试验时变速器所用档位的传动比。

8.7.1.4

汽车滚动阻力与空气阻力

图1.18 滑行过程中的u?t曲线与

du?u曲线 dt汽车的滚动阻力与空气阻力可以用滑行试验来测定。滑行试验是汽车加速至某一预定速

度，然后摘档脱开发动机，汽车滑行，直至停车。试验时，记录滑行过程中的速度与时间的关系曲线，通过计算可以得到减速度与车速的关系曲线（图1.18）。

滑行时汽车的滚动阻力与空气阻力之和为

式中

Ff?Fw?mduTr? dtrTr——滑行时传动系加于驱动轮的摩擦阻力矩。

若已知Tr，则根据一定车速下的减速度值，便能确定在该车速下的Ff与Fw之和。由于低速时空气阻力Fw小，所以可利用低速时的减速度值，不计空气阻力，直接求出低速时的滚动阻力Ff。

轮胎的滚动阻力也常用装有测力传感器的轮胎试验拖车来测量。地面与轮胎间的附着系数，用装有制动器或能驱动轮胎的试验拖车进行实地测量。 8.7.2 室内试验

室内的动力性试验主要是驱动力的测量，传动系机械效率、轮胎滚动阻力系数及汽车空气阻力系数的测定等。实验室常用的试验设备有： 8.7.2.1 汽车测功机

图1.19 汽车测功机——转鼓试验台

汽车的驱动力由汽车测功机（也称为转鼓试验台）来测量。通常有单鼓式和双鼓式两种测功机，图1.19是一种单鼓式的汽车测功机。试验汽车的驱动轮放在转鼓上，驱动轮的中心应与转鼓的中心在同一垂直平面内。转鼓轴端部装有液力测功器或电力测功器。测功器能产生一定的阻力矩并能调节转鼓的转速，也就相当于调节汽车的车速。由测力装置可以测出施加于转鼓的转矩T值

T?FL

式中 F——由拉力表测出的作用于测功器外壳长臂上的拉力； L——测功器外壳长臂上的长度。

试验时，应用钢丝绳拉住试验汽车。并在钢丝绳中装上拉力表，表上可读出汽车的挂钩拉力Fd，而

Fd?FX2 Tt?FX2r?Tf2 T?FX2R?Tf2

根据汽车驱动轮和转鼓的力矩平衡，有

由此可得驱动轮上的驱动转矩Tt为

Tt?FX2r?FX2R?T?Fd(r?R)?FL Ft?TtFd(r?R)?FL? rr故汽车的驱动力为

在各档位、各种车速下测得的节流阀全开时的Fd和F值，既能得到表征汽车动力性的驱动力图。

为了在实验室能直接测量汽车的加速性能，汽车测功机装有由电子调节器控制电子测功机负荷的装置，可以模拟加速过程中的全部阻力——滚动阻力、空气阻力和加速阻力。也有用不同惯量的飞轮组来代替试验汽车的质量，构成汽车在转鼓上加速所遇到的各种惯性阻力。

汽车测功机除了能做汽车的动力性试验外，还可以进行燃油经济性与排气分析等多种试验，是一种用途较广泛的汽车试验设备。 8.7.2.2 变速器机械效率试验台

变速器的机械效率由机械效率试验台进行测定。测定机械效率的试验台分为开式试验台和闭式试验台两种，常用的是闭式试验台。

图1.20 变速器机械效率闭式试验台

1-电力测功机 2-液力缸 3-传动轴 4-变速器 5-联轴节 6-齿轮箱 7-转矩传感器 8-磅秤

图1.20是闭式试验台，两个被实验的变速器4和齿轮箱6及传动轴3构成一个封闭的传动系统。该系统可以通过串联的液力缸2加载，转矩传感器7可测量出变速器第一轴上的载荷TX。电力测功器1驱动这个封闭系统所需的转矩为T1，然后将试验台中的变速器4拆下，换上一根传动轴，则电力测功器1驱动这个系统的转矩为T2。在假定两个变速器的机

械效率相等的条件下，则变速器的机械效率?T为

?T?TX?(T1?T2)

TX1.7.2.3 轮胎试验台

图1.21 轮胎转鼓试验

在轮胎试验台上可以测量轮胎的滚动阻力系数。图1.21是一种转鼓轮胎试验台，由电力测功器驱动的试验轮胎放在转鼓上，轮胎上加载垂直载荷W，转鼓轴连接着作为制动装置的测功器。试验中测出驱动轮胎的转矩Tt和作用于转鼓的制动力矩Td，则滚动阻力系数

f为

f?TtR?Tdr

Wr(R?r)式中

Tt——驱动轮胎的转矩；

Td——转鼓的制动力矩；

R——转鼓的半径； r——轮胎的动力半径；

W——作用于轮胎上的垂直载荷。

轮胎转鼓试验台还能全面测量轮胎的各项机械特性，如临界速度、侧偏特性等，是测试轮胎的重要试验设备。

除上述室内试验设备外，通常用风洞试验来准确测量汽车的空气阻力系数。 1.7.2.4 风洞试验

图1.22 风洞试验 如图1.22，将缩小的汽车模型置于风洞中，借助于强大鼓风机使空气以所需要速度流过风洞，并测量汽车模型所承受的空气阻力及其它空气动力特性参数，即可求出空气阻力系数。

为得到准确的试验结果，试验时必须做到几何相似及空气动力学相似。所谓几何相似就是要求缩小的模型与真实汽车完全相似；空气动力学相似是指模型在风洞中试验时，与汽车实际行驶情况下的雷诺数应相等，即

Re?uala?a?a?umlm?m?m

式中

la和lm——汽车和模型的长度；

ua和um——汽车行驶速度和风洞中空气的速度；

?a和?m——大气和风洞中空气的密度； ?a和?m——大气和风洞中空气的粘滞系数。

若模型的尺寸为实际汽车的n分之一，而两种情况下的?和?相同，要维持Re值不变，只能提高风洞中空气的流速，使um?nua，这是不易做到的。因此模型试验中的雷诺

数常低于按空气动力学相似计算所得的雷诺数。但在一定范围内，雷诺数的变化对测得空气阻力系数影响不大。因此，模型试验仍能在一定程度上反映汽车的空气动力学性能。

根据长期实践，目前已认识到模型试验中测得的空气阻力系数误差较大，一般为10%～20%，最大时误差可达40%。因此，近年来为了满足节约燃油对汽车外形提出的严格要求，已建立一批大型风洞，对实际的汽车进行空气动力学的研究。

小结

1. 汽车动力性的评价指标:最高车速uamax、加速时间t（原地起步加速时间和超车加速时

间）、最大爬坡度i

Ttqigi0?T2. 汽车的驱动力：Ft?

r3. 汽车驱动力的影响因素：发动机的转速特性、传动系的机械效率、车轮的半径

4. 汽车的行驶阻力：

?F?Ff?FW?Fi?Fj，其中滚动阻力Ff?Wf、空气阻力

CDAua2du、坡度阻力Fi?Gsin?、加速阻力Fj??m FW?dt21.155. 汽车行驶方程式：Ft?Ff?FW?Fi?Fj

Ttqigi0?TCDAua2du即 ?Gfcos???Gsin???m

r21.15dt6. 汽车的驱动-附着条件：Ff?FW?Fi?Ft?Fz??，这是汽车行驶的必要与充分条件。

7. 利用汽车驱动力-行驶阻力平衡图、动力特性图和汽车功率平衡图分析汽车动力性评价指标。

8. 影响汽车动力性的因素：发动机参数（发动机最大功率、发动机最大扭矩、发动机外特

性曲线的形状）、主减速器传动比i0、传动系档数、汽车外形、汽车质量、轮胎尺寸与型式、汽车运行条件

9. 汽车动力性试验：道路试验（主要测定最高车速、加速能力、最大爬坡度等评价指标）、

室内试验（测量汽车的驱动力和各种阻力）

第2章 汽车的燃油经济性

学习目标

通过本章的学习，应重点掌握汽车燃油经济性的评价指标，掌握汽车燃油经济性的计算方法，理解影响燃油经济性的汽车结构因素和使用因素。

石油是现代工业，尤其是交通运输的重要能源，汽车的燃料在今后较长的一段时间仍然是石油产品。随着工业的发展，车辆的增多，使用石油产品越来越多。现在各国都把节约汽车用油作为汽车制造业和汽车运输业中的二个重大问题。

2.1节 汽车燃油经济性的评价指标 汽车的燃油经济性，是指以最小的燃油消耗量完成单位运输工作量的能力。燃油消耗已占运输成本的40%左右，所以节约用油是降低运输成本的重要措施之一。汽车燃油经济性的评价指标主要又以下三种。 2.1.1 单位行驶里程的燃油消耗量

当燃油按质量计算时，用符号Qm表示燃油消耗量，其单位为kg/100km。当燃油按容积计算时，用符号QV表示燃料消耗量，其单位为L/100km。

单位行驶里程的燃油消耗量只考虑了行驶里程，没有考虑车型与载重量的差别，所以只能用于比较同类型汽车或同一辆汽车的燃料经济性，但它也可用于分析不同部件(如发动机、传动系等)装在同一汽车上，对燃料经济性的影响。其数值越小，汽车燃油经济性越好。 2.1.2 单位运输工作量的燃油消耗量

若燃油以质量计算时，该指标单位对于载重汽车为kg/(100t2km)，对客车为kg/(1000

人2km)。

若燃油以容积计算时，该指标单位对于载重汽车为L/100t2km，客车为L/(1000人2km)。 该指标可以用来比较不同类型、不同装载质量汽车的燃料经济性。其数值越小，汽车燃油经济性越好。

2.1.3 消耗单位燃油所行驶的里程

美国采用消耗单位燃油所行驶的里程的评价方法，其单位是MPG或mile/ USgal，指的是每消耗一加仑燃油能行驶的英里数(1mile=1.61km，1Usgal=4.55L)。其数值越大，汽车燃油经济性越好。

2.2节 汽车燃油经济性的计算 在汽车设计时，常需要在实际的试验样车制成之前，先根据所选用的发动机台架试验得 到的油耗曲线与汽车功率平衡图，对汽车进行燃油经济性的估算。其中包括汽车等速百公里油耗的计算，等速、加速、减速和怠速等行驶工况的油耗的计算。 2.2.1 汽车等速百公里油耗的计算

汽车以速度ua在路上等速行驶时，发动机相应工况的有效燃油消耗率为ge[g/(kW2h)]， 而此时汽车行驶100km所消耗的功率即阻力功率为P[kW]，则等速百公里油耗QV (L/100km)为

QV?式中

Pge (2.1)

1.02ua??——燃料的重度(N/L)，汽油取6.96—7.15N／L，柴油取7.94—8.13N／L；

ge——有效燃油消耗率[g/(kW．h)]。

有效油耗率ge与发动机的负荷率有关。所谓负荷率，是指在某一转速下，节流阀部分打开时，所发出的功率与该转速下节流阀全开时最大功率之比。有效油耗率ge与负荷率U的关系曲线，即为负荷特性曲线。发动机负荷特性是从台架试验上获得的，因此，由功率平衡图与负荷特性，可得出行驶时发动机的油耗。

图2.1 用功率平衡图与负荷特性计算汽车等速百公里油耗

a)功率平衡图 b)负荷特性 c)等速百公里油耗

图2.1所示为计算汽车等速百公里油耗的功率平衡图和负荷特性图，以及计算得到等速百公里油耗曲线。图2.1a中，若汽车以车速ua在水平路上行驶，发动机应提供的功率即为汽车阻力功率P?，即bc，此时发动机的负荷率为

?U??bc acuaigi0???与车速ua相对应的发动机转速为ne（ne?），根据ne、U?就能在负荷特性曲线0.377r上通过插值法找出有效燃油消耗率ge (见图2.1b)。

汽车行驶l00km，发动机应作的功为

W??P?100 ?ua若每隔一定车速（如l0km/h）求出相应的百公里油耗Q，便可作出汽车等速百公里油耗曲线Q-ua，按同样的方法，也可算出在有坡度的道路上行驶时的等速油耗曲线(见图2.1c)。

2.3.1 汽车结构因素

设计与制造出性能良好，燃油消耗低的汽车是很重要的。通过对汽车各个主要部件的改进，可以大大节约用油。下面介绍发动机、传动系、汽车外形等方面与燃料经济性的关系。 2.3.1.1 发动机方面

2.3.1.1.1 发动机的种类

为了节省能源，控制排气污染，充分发挥燃料的热效率，近年来对发动机进行了多方面的研究。目前来看，比较成熟的技术有汽油喷射发动机。 汽油喷射发动机可以精确地控制混合气的浓度；保证各缸供应混合气的均匀性；由于汽油是以一定压力喷人进油管中，所以雾化效果较好，燃油利用率高。

柴油机的压缩比较汽油机的大，所以热效率高，特别是在部分负荷时，柴油机的有效燃油消耗率ge较低。柴油机的燃油消耗(按容量计算)，比汽油机要节省20%~40%，而且柴油价格较汽油低。但是，柴油机排量大，重量大，噪声、振动较大，因此，柴油机的性能不断改善之后，扩大柴油机的使用范围是当前的发展趋势。 2.3.1.1.2 发动机的压缩比

发动机的压缩比提高，热效率增加，使发动机动力性、经济性得以改善，发动机油耗率有所降低。但汽油机压缩比提高到一定程度后，会产生爆燃，，并且会增加NOx的排放量。所以压缩比的提高有一定的限度，提高汽油机压缩比的措施主要有： （1）改进燃烧室和进气系统，提高发动机结构的爆燃极限。 （2）使用爆燃传感器，自动延迟产生爆燃时的点火提前角。

（3）喷水抗爆。

（4）开发高辛烷值汽油。

2.3.1.1.3 选用小排量发动机、提高发动机的负荷率

由发动机的负荷特性可知，在转速一定的条件下，负荷率在80%~90%时，有效耗油率最低。发动机在中等转速较高负荷率下工作时，其燃料经济性较好。一般汽车在水平良好路面上，以常用速度行驶时，只利用到相应转速下发动机最大功率的20％左右。由此可见，在汽车大部分使用中，发动机的负荷率都是较低的，因此，在保证动力性足够的前提下，汽车上不宜装用大功率的发动机，以提高发动机的功率利用率，降低汽车的燃油消耗量。 2.3.1.1.4 改善发动机的燃烧过程

为了改善汽油机的燃烧过程，主要趋向是采用稀薄混合气分层燃烧，其空燃比可达18以上，既能显著提高燃油经济性，又可以降低排放污染。 2.3.1.2传动系的影响

2.3.1.2.1 变速器类型的影响

目前在汽车上应用最广泛的仍然是机械式手动变速器，但随着人们对汽车乘坐舒适 性、操纵简便性以及起步平稳性要求的增加，自动液力变速器(AT)和更先进的机械无级变速器(CVT)的应用也越来越广泛。

汽车装用自动液力变速器后，由于液力变矩器的传动效率低，其燃油经济性有所下降。近年来，为了节油和进一步提高动力性，自动液力变速器的档位数有所增加，一般为四个档；在有的档位（如三档）进行功率分流，即较大部分功率不经过液力变矩器而直接经输出轴输出；高档装有锁止离合器，离合器锁止时完全消除了滑转，提高了传动效率，从而提高了燃油经济性。有数据表明，由于自动液力变速器使发动机在较佳工况下运转，所以装用自动液力变速器的汽车的油耗有时比装用手动变速器时还要低。

装用机械无级变速器(CVT)的汽车的燃油经济性与操控良好的手动变速器相当，优于自动液力变速器。

2.3.1.2.2 有级变速器档数和超速档应用的影响

在一定的行驶条件下，变速器应尽量用较高档位，这样发动机的负荷率较高，有效燃料消耗率较低，所以汽车燃油消耗量较低。

变速器档位增多以后，选择恰当的档位机会增多，这样使汽车处于燃油消耗量较低的机会增多。但档数太多，会使变速器和传动系结构复杂，操作不便。

传动系直接档的总减速比(主减速器速比)，是根据良好路面上的功率平衡图及直接档要求的动力因数采选择的。这样选择的传动比，在中等车速下行驶时，节气门开度仍然不大，发动机的燃料消耗率较高。为了改善良好路面上行驶时的燃料经济性，常不改变主减速器传动比，而在变速器中设置一个传动比小于1的超速档。在相同的车速和道路条件下，用超速档比用直接档时发动机的转速低，负荷率高，故燃料消耗率下降。因而可降低汽车的100km燃料消耗量。

2.3.1.2.3 主减速器传动比的影响

主减速器的传动比选择的较小时，在相同的道路条件和车速下，也同样使发动机的燃料消耗率减小，有利于提高汽车的燃料经济性。但主减速器传动比过小，会导致经常被迫使用低一档的档位，最小传动比档位的利用率降低，反而使燃料消耗量增加。 2.3.1.2.4 传动系的机械效率

传动系的机械效率越高，则传动过程中的功率损失越少，汽车的燃料消耗量也随之减少。

2.3.1.3 汽车质量的影响

汽车质量影响到滚动阻力、上坡阻力和加速阻力，因此影响燃油经济性。减小汽车质

量是降低油耗最有效的措施之一。

减小汽车质量方面采取的措施主要有：采用高强度轻材料，如高强度低合金钢、铝合金、塑料、树脂和各种纤维强化等材料制造汽车零件；改进汽车结构，如采用前轮驱动、承载式车身等，以及各种零件的薄壁化和小型化。汽车的轻量化、小型化也是汽车工业的发展方向之一。

2.3.1.4 汽车外形与轮胎

改善汽车外形，使车身形状近于流线型，以减小空气阻力系数，可以减少行驶过程中特别是高速行驶中的空气阻力，有显著的节油效果。某轿车空气阻力系数由0.5下降到0.3，可使油耗降低22%，预计在不久的将来，实际使用的轿车空气阻力系数可达0.2。

汽车轮胎的选用，主要影响动力性和经济性。公认子午线轮胎综合性能好，尤其滚动阻力小，与一般斜交胎相比可节油6%~8%。

2.3.2 汽车使用因素的影响

对于一定的车型而言，汽车燃料消耗量的多少，取决于汽车的技术状况、驾驶操作技术水平以及有关的运行条件。 2.3.2.1 汽车的技术状况

为了保持汽车的技术状况良好，必须正确执行汽车保修规范。正确地保养和调整可以提高发动机性能并降低汽车的行驶阻力。

汽油机点火系的技术状况，如点火能量，点火提前角和火花塞型号等，都对燃烧过程有很大影响，因而影响汽车的燃料经济性。 汽车底盘的技术状况与保养、调整的关系很大。正确调整传动系齿轮传动副的啮合间隙，轴承和油封的紧度，以及正常的润滑可以大大提高传动系统效率。前轮定位、制动器的正确调整可以减小汽车的行驶阻力。这些都有利于降低汽车的燃料消耗量。

轮胎气压对滚动阻力系数影响很大。若轮胎气压降低30%，以40km／h的速度行驶，轿车油耗增加5—10%，柴油载货汽车油耗增加20~25%。国外十分重视检查轮胎气压，实行监测仪器仪表化，并研制了胎压警报装置，当胎压低于标准值时，警报装置发出信号，通知驾驶员。

燃料和润滑油的质量对汽车的燃料消耗也有很大影响， 2.3.2.2 驾驶和使用技术水平 2.3.2.2.1 发动机的起动升温

油路、电路、怠速和点火提前角的正确调整及发动机预热，是顺利起动的前提。常温起动时，化油器车辆应轻踏加速踏板(电喷发动机车辆不要踩加速踏板)尽量一次起动成功。再次起动时间不得超过5s，两次起动间隔不得超过10s。三次起动不成功时，必须进行检查，排除故障。起动后应迅速转入怠速。起动时忌重踏和反复踏加速踏板。

冬季在室外停放的化油器车辆冷起动前，应注意发动机的充分预热(电喷发动机车辆不需要)。关闭百叶窗，根据温度适当关闭阻风门，轻踏几次加速踏板，起动发动机。起动后，以稍高的转速运转一二分钟后逐渐推开阻风门，抬起离合器踏板，继续运转一分钟左右，再缓慢减速到怠速运转升温。

汽车行驶过程中，经常遇到停车熄火后重新起动(热起动)的情况。此时，发动机的温度较高，起动时轻踏加速踏板，然后马上转入怠速运转。 2.3.2.2.2 汽车起步加速

试验表明，发动机水温上升到40℃以上起步，具有较好的节油效果。机体温度低时燃料雾化不良，燃烧不完全，另外机油粘度大，摩擦损失功率增加，因而特别耗油。冬季汽车起步后l0km以内，车速不要超过40km/h，并根据气温适当延长低档行驶时间，直到水温和

各总成温度上升至正常后，可进入正常行驶。

车辆一般应从一档起步。

汽车坡道起步时，加速踏板、离合器、驻车制动器的操作配合应协调，不使车辆倒退、熄火，达到平稳地顺利起步。 2.3.2.2.3 档位的选择和变换

汽车在良好路面上行驶，在一定的行驶状态下，即可使用次高档，也可用最高档，但用最高档时较节约燃料。为了节约燃料，在节气门开度不超过90%的条件下，应尽可能使用最高档。

汽车上坡行驶时，应及时减档。减档过早，不能充分利用汽车惯性爬坡；减档过晚，车速降低过多，常需要多换一次档，增加油耗。 2.3.2.2.4 汽车行驶速度

汽车满载在良好路面上行驶时，存在一个使得等速燃料消耗最小的车速，即技术经济车速。车速高于或低于经济车速，汽车等速油耗均上升。不同车型的经济车速可通过试验得到。 2.3.2.2.5 离合器的运用

两脚离合器换档是规范化操作，而经验丰富的驾驶员常采用一脚离合器换档法。试验表明，良好道路起步连续换档至40km/h，一脚离合器换档法可节约燃料0.4mL，时间缩短1s；在坡道减档，一脚离合器换档法由五档到四档，节约燃料1.65mL，，缩短时间0.56s。 2.3.2.2.6 加速踏板的使用 汽车行驶时，加速踏板要轻踏，柔和控制，减少加速泵供油的机会。避免空轰加速踏板。试验表明，某车每空轰一次加速踏板，就要耗油3~5mL；节气门开度不宜过大，以避免加浓装置参加工作而增加油耗。 2.3.2.2.7 行车温度的控制

汽车行车温度，包括发动机冷却水温度、机油温度、发动机罩内气温、变速器和驱动桥齿轮油温度等。 水温过低，会使燃料不易雾化，各缸进气不均，燃烧室壁散热损失增加，燃烧速度下降，造成发动机功率和转矩下降，油耗增加；另外，机油的流动性和飞溅润滑能力下降，增加了机械损失。

水温过高，会使机体过热，充气量下降，容易出现爆燃、早燃等异常燃烧现象；供油系容易发生气阻，造成功率下降，油耗增加，且在高温下机油压力和粘度下降；并加速机油因氧化和热分解而发生的变质，加快发动机的磨损。 正常的发动机水温，有利于燃料的雾化和混合气的分配均匀，使得发动机有良好的燃料经济性和动力性，并保证机油的粘度和润滑能力，减少发动机的磨损。 2.3.2.2.8 合理利用滑行

汽车滑行可分为减速滑行、加速滑行和下坡滑行。

汽车行驶中，当前方遇障碍，以及预见性停车和到达停车场时，预先将变速器置空档的滑行，称为减速滑行。当汽车接近上述障碍时，车速已降低，可不采取制动或少用制动而顺利通过或停车，这样就可达到节约燃料和保证安全的目的。

汽车以高档加速至较高车速后，空档滑行至较低的车速，然后再挂高档加速，这种加速和空档滑行交替进行的方法，称为加速滑行方法。试验结果表明，在平均车速相同的情况下，采用最佳的加速滑行模式与等速相比，满载时的节油率达16.7%~11.8%，空载时的节油率达23.4%~21.3%。

一般加速滑行不适合拖带挂车的汽车列车，因汽车列车的负荷率已较高，采用加速滑行方法加速时，负荷率很高，比油耗高，节油效果不明显，甚至油耗增加。此外，加速滑行操作法，使驾驶员的劳动强度增加，对安全不利。

汽车加速滑行只能在道路宽直、无视线遮挡、行人和车辆稀少的条件下采用；要求汽车的技术状况良好，滑行距离应达到加速距离的1.5倍以上；加速滑行的最大车速，不应超过经济车速范围的上限；加速时应缓慢踏加速踏板，至全开的80%~90%，以免混合气加浓装置起作用。在高速公路行驶时不能使用加速滑行法。

在坡度小于5%的缓直坡道或陡坡接近坡尾，可空档滑行；在路况熟悉的波状起伏微丘地带，可在临近坡顶时空档滑行过坡顶，至临近坡尾再挂档加速冲过第二个坡道，但在这种道路滑行时，发动机不得熄火。

在长而陡的坡道上，严禁熄火空档滑行。应在高档不熄火滑行，利用发动机阻力，并施加间歇制动，控制车速。如果熄火空档滑行，长时间用行车制动器控制车速，制动器容易发热使制动效能下降，甚至失效或烧毁制动摩擦片。 2.3.2.3 运行条件的影响

汽车的运行条件包括气候、地理位置，道路条件等。对汽车燃料经济性的影响很大。 我国幅员广大，各地区气候和地理条件差别很大，而汽车设计是按一般条件来考虑的。

针对当地特殊环境，对汽车，发动机部件做相应的改变，能消除或减轻特殊环境对汽车性能的影响，达到节油的目的。例如：在高原地区运行的汽车，由于空气稀薄，使动力性下降，燃料经济性恶化。利用空气稀薄时发动机不易爆燃的条件，提高压缩比，能使功率有所恢复。化油器车辆可缩小化油器主量孔，防止混合气过浓，能改善燃油经济性。在山区及丘陵地区安装下坡或怠速节油器，可节约下坡滑行时不必要的燃油消耗；发动机冷却风扇采用风扇离合器，根据发动机工作温度调节供给冷却系的风量，既可减少驱动驸件的动力消耗，又可缩短发动机的预热时间，在北方有明显的节油效果。 道路条件对汽车的燃油消耗量影响很大。不同路面的道路阻力系数相差很大。在同一车速下，当道路阻力系数增大时，汽车的燃料消耗量增加。因为道路阻力系数增大时，汽车的行驶阻力增加，汽车的行驶阻力增大，则要求发动机发出较大的功率，发动机的燃料消耗率随之减小，但前者的影响为大。

在道路阻力系数增大时，汽车最低燃料消耗量对应的经济车速减小。 小结

1. 汽车燃油经济性的评价指标：单位行驶里程的燃油消耗量QV[L/100km]、单位运输工作

量的燃油消耗量[L/100t2km]、消耗单位燃油所行驶的里程[MPG] 2. 汽车等速百公里油耗的计算：QV?Pge

1.02ua?2geCDAua3. 汽车等加速行驶油耗的计算：QV?(G???)

3672?T?21.154. 汽车燃油经济性的影响因素：

汽车结构因素：发动机方面（发动机的种类，发动机的压缩比，选用小排量发动机、提高发动机的负荷率，改善发动机的燃烧过程）、传动系的影响（变速器的类型、有级变速器档数、主减速器传动比、传动系的机械效率）、汽车质量、汽车外形与轮胎 汽车使用因素：汽车的技术状况、驾驶和使用技术水平、运行条件

复习思考题

1、何谓汽车的燃油经济性?评价指标是什么?评价试验方法有哪些?

2、推导出汽车的燃料消耗方程式。

3、何谓等速行驶燃料经济特性?如何利用它分析比较汽车的经济性? 4、分析发动机的负荷率对汽车燃料经济性的影响，汽车在使用时如何提高发动机的负荷亭? 5、某汽车总质量5360kg，轮距1650mm，车高2165mm，空气阻力系数0.96，发动机有效油耗=245g／ps2h，机械效率0.85，估算在i=0.015的柏油路面上以60km／h稳速行驶百公里油耗是多少?

第3章 发动机功率的选择和传动系传动比的确定

学习目标

通过本章的学习，要求掌握选择发动机功率和传动系档位数和传动比的方法。

汽车发动机的功率和传动系传动比对汽车的动力性与燃油经济性有很大影响。在确定这些参数时，必须充分考虑到满足这两个基本性能的要求。此外，还要注意到满足驾驶性的要求。

3.1节 发动机功率的选择

通常设计中常先从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机的功率。最高车速虽然只是动力性中的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力。因为最高车速越高，要求的发动机功率越大，汽车后备功率大，加速与爬坡能力必然较好。

如果给出了期望的最高车速，则选择的发动机功率应不小于以最高车速行驶时阻力功率之和，即

Pe?1?GfCA3?umax?Dua?max? （3-1）

?T?360076140?在给定m、CD、A、f、?T这些值后，便能求出应有功率Pe的数值。

在实际工作中，还利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机应有功率。汽车比功率是单位汽车总质量具有的发动机功率，比功率的常用单位为kW/t，汽车比功率可由下式求得：

汽车比功率=

1000PfgCDA3e （3-2） ?uamax?uam3.6?T76.14m?Tmax各种货车的

f、?T及CD值大致相等且最高车速也相差不多，但总质量变化范围很大。

货车最高车速为100km/h左右。一辆中型货车的比功率约为10kW/t，其中用以克服滚动阻力功率的，即式（3-2）中的第一项，约占2/5。对于各类货车上式第一项的数值大体相同。式中第二项是克服空气阻力功率的部分，它随A/m而变化，货车总质量增大时，迎风面积增加有限，故第二项将随着总质量的增加而逐步减少。因此不同货车的比功率将随着其总质量的增大而逐步减小。货车比功率一般在7.35 kW/t（10PS/t）以上。小于2～3t的轻型货车大多是轿车的变型车，动力性能较好，比功率很大。重型自卸车最高车速低，比功率较小。

因此，货车可以根据同样总质量与同样类型车辆的比功率统计数据，初步选择发动机功率。

轿车行驶车速高，且不同轿车动力性能相差可以很大，现代轿车的最高车速一般在140～200km/h之间；比功率相差也比较大，一般轿车比功率在15～90 kW/t之间。在德国，高速公路不限制车速，因此其轿车最高车速较高，为140～230km/h之间。

很多国家甚至对车辆应有的最小比功率作出规定，以保证路上行驶车辆的动力性不低于一定水平，防止某些性能差的车辆阻碍车流。 10.2节

传动系最小传动比的选择

汽车大部分时间以最高档行驶，也就是用最小传动比的档位行驶的，因此最小传动比的选定是很重要的。

传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的乘积，即 式中

it?igi0ic

ig——变速器的传动比；

i0——主减速器的传动比； ic——分动器或副变速器的传动比。

普通的汽车没有分动器或副变速器，而变速器的最小传动比为直接档或超速档。当变速器的最小传动比为直接档时，传动系的最小传动比就是主减速器的传动比i0；当变速器的最小传动比为超速档时，则传动系的最小传动比应为变速器最高档传动比与主减速器的传动比的乘积。

选择主减速器传动比i0应考虑以下几点： 3.2.1 最高车速

主减速器的传动比i0不同，汽车功率平衡图上发动机功率曲线的位置不同，与水平路面行驶阻力功率曲线的交点所确定的最高车速不同。当阻力功率曲线正好与发动机功率曲线交在其最大功率点上，此时所得的最高车速最大，uamax?uP，uP为发动机最大功率时的车

速。因此，主减速器的传动比i0应选择到汽车的最高车速相当于发动机最大功率时的车速，这时最高车速最大。 3.2.2 汽车的后备功率

主减速器的传动比i0不同，汽车的后备功率也不同。i0增大，发动机功率曲线左移，汽车的后备功率增大，动力性加强，但燃油经济性较差。i0减小，发动机功率曲线右移，汽车的后备功率较小，但发动机功率利用率高，燃油经济性较好。 3.2.3 驾驶性能

最小传动比还受到驾驶性能的影响。驾驶性能是指动力装置的转矩响应、噪声和振动。驾驶性能与喘振、加速不畅、怠速不稳、回火、爆震及放炮等现象有关。这些现象出现越少，驾驶性能越好。驾驶性能由驾驶员通过主观评价来确定。

影响驾驶性能的因素有发动机排量、气缸数目、传动系刚度以及传动系最小传动比等。最小传动比对转矩响应有较大的影响。最小传动比如果过小，则发动机要在重负荷下工作，加速性能差，会出现噪声和振动。如果最小传动比过大，会使燃油经济性变差，发动机高速运转时噪声也比较大。 3.2.4 燃油经济性

选择最小传动比时，不但要考虑动力性，也要考虑燃油经济性。选择最小传动比时，通常使uamax?uP；为了保证有足够的后备功率，增大最小传动比，uP可稍小于uamax；为

了提高燃油经济性，减小最小传动比，使uP稍大于uamax。据统计，约60%的轿车uamax/uP值在0.9～1.1之间，在0.7～0.9之间的约占30%，其余约10%在1.1～1.39之间。

最小传动比也可由最高档动力因数D0max来确定。

Ttqmaxi0?TCDA2?uatr21.15 D0max?G式中 G——汽车总质量的重力[N]；

uat——最高档时发动机发出最大转矩时的汽车车速[/km/h]。

一般推荐最高档动力因数，中型货车D0max≈0.04～0.08，中级轿车D0max≈0.1～0.15。 10.3节

传动系最大传动比的选择

传动系最大传动比itmax，对普通汽车来说，为变速器Ⅰ档传动比ig1与主减速器传动比i0之乘积。确定传动系最大传动比就是确定变速器Ⅰ档传动比ig1与主减速器传动比i0。

确定最大传动比时，主要考虑三方面的因素，即最大爬坡度、附着条件和汽车的最低稳定车速。 3.3.1 最大爬坡度

汽车爬坡时车速低，可不计空气阻力，汽车的最大驱动力应能克服最大爬坡度，为

Ftmax?Ff?Fimax

即

Ttqmaixg1i0?T ?Gfcos?max?Gsin?maxrⅠ档传动比ig1应为

ig1?G(fcos?max?sin?max)r

Ttqmaxi0?T一般货车的最大爬坡度约为30%，即?max≈16.7°。轿车应具有爬上30%以上坡道的能力。 3.3.2 附着条件

确定最大传动比后应验证是否满足附着条件

Ftmax?Ttqmaxig1i0?T?F?

r验算时，可取附着系数?=0.5～0.6。 3.3.3 最低稳定车速

对于越野汽车传动系，最大传动比itmax应保证汽车能在极低车速下稳定行驶。这样可以避免在松软地面上行驶时土壤受冲击剪切破坏而损害地面附着力。最大传动比itmax应为

nritmax?0.377min

uamin式中

uamin——最低稳定车速。

此外，轿车的最大传动比是根据加速能力的要求来确定的，可参考同等级的轿车来选择。

10.4节 传动系档位数与各挡传动比的选择 3.4.1 传动系档位数的选择

汽车的动力性、燃油经济性和汽车传动系的档位数有着密切的关系。档位数多，使发动机发挥最大功率的机会增多，提高了汽车的加速能力和爬坡能力。同时，档位数多，使发动机在低燃油消耗区工作的可能性增加，降低了油耗。因此，传动系档位数的增加会改善汽车的动力性和燃油经济性。

档位数还取决于最大传动比与最小传动比之间的比值，因为档与档之间的传动比比值不能过大，比值过大会造成换档困难。一般比值不大于1.7～1.8。因此，最大传动比与最小传动比的比值增大，档位数也应增多。

汽车类型不同，档位数也不同。轿车车速高、比功率大，高档的后备功率大，原常采用三、四个档位，近年来，为进一步节省燃油，装用手动变速器的轿车多已采用5档变速器。中小型货车比功率小，一般采用四、五个档位。重型货车的比功率更小，使用条件也很复杂，所以一般采用六到十几个档位，以适应复杂的使用条件，使汽车有足够的动力性和良好的燃油经济性。越野汽车的使用条件最复杂，其传动系的档位数比同吨位的普通货车要多一倍。

档位数增多，会使变速器结构复杂。有的档位数多的汽车，常在变速器后面接上一个副变速器，使档位数倍增。越野汽车在变速器后面采用分动器，达到多轴驱动的要求，同时使档位数倍增。

在确定汽车的最小传动比、最大传动比和传动系的档位数后，还要确定中间各档的传

动比。

汽车变速器各档的传动比应该按等比级数分配。

ig1ig2??????q ig2ig3式中

q——常数，各档之间的公比。

ig1?qig2，ig2?qig3，ig3?qig4，??

各档的传动比为

对于一个四档变速器，ig4=1，各档传动比和q有如下关系

ig3?q，ig2?q2，ig1?q3

q?3ig1

则 所以ig32?3ig1，ig2?3ig1。

由此可以推出，n个档位的变速器，各档传动比应该是

n?2n?1in?3，in?1in?4，?，in?1in?m，? ig2?n?1ig1，ig3?g1g4?g1gm?g1在确定了各档传动比后，还要校验相邻档位传动比的比值q，q应小于1.7～1.8，如q值过大，则应增加传动系的档位数。按等比级数分配传动比的主要目的在于充分利用发动机

提供了功率，提高汽车的加速和爬坡能力，提高汽车的动力性。同时，换档时也能无冲击地平稳结合离合器，驾驶员在起步和加速时操作方便。

实际上，各档传动比之间的比值不会正好相等，这主要考虑到各档的利用率不同，汽车主要用高档行驶，因此高档位相邻两档之间的传动比的间隔应小一些，特别是最高档与此高档之间更应小一些。所以，实际上各档传动比分布关系应为

ig1ig2i??????gn?1 ig2ig3ign 小结

1. 发动机功率的初步选择：Pe

2. 汽车比功率：单位汽车总质量具有的发动机功率，[kW/t]

汽车比功率=

?1?GfCA3?umax?Dua?max?

?T?360076140?1000PfgCDA3e?uamax?uamax m3.6?T76.14m?T3. 主减速器传动比i0的选择应考虑：最高车速、汽车的后备功率、驾驶性能、燃油经济性。 4. 确定最大传动比时应主要考虑最大爬坡度、附着条件和汽车的最低稳定车速。

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