汽车动力性能分析大揭秘

【知识引导】

一、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，就可以估算汽车的最高车速、加速度和最大爬坡度。

汽车的行驶方程式为

式中，Ft为驱动力（N）；F∑ 为行驶阻力之和（N）。

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，并把tFF=∑ 这一行驶方程式加以具体化，以便研究汽车的动力性。

1.汽车的驱动力

汽车发动机产生的转矩，经传动系传给驱动车轮。此时作用于驱动轮上的转矩Tt产生一对地面的圆周力F0，地面对驱动轮的反作用力Ft（方向与F0相反）即驱动汽车的外力（见图1-1），此外力称为汽车的驱动力。其公式为

式中，Tt为作用于驱动轮上的转矩；r 为车轮半径。

图1-1　汽车的驱动力

作用于驱动轮上的转矩Tt是由发动机产生的转矩经传动系传至车轮上的。若令tqT 表示发动机转矩，ig表示变速器的传动比，i0表示主减速器的传动比，ηT表示传动系的机械效率，则有

对于装有分动器、轮边减速器、液力传动装置等的汽车，应计入相应的传动比和机械效率，因此驱动力为

下面将对式（1-1）中的发动机转矩、传动系效率以及车轮半径进行一些讨论，并最后给出汽车的驱动力图。

（1）发动机的转速特性

如将发动机的功率Pe、转矩tqT 以及燃油消耗率b 与发动机曲轴转速n 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（简称发动机特性曲线）。如果发动机节气门全开（或高压油泵在最大供油量位置），则此特性曲线称为发动机的外特性曲线；如果节气门部分开启（或部分供油），则称为发动机的部分负荷特性曲线。

图1-2 为一台汽油发动机外特性中的功率与转矩曲线。nmin为发动机的最小稳定工作转速，随着发动机转速的增加，发动机产生的功率和转矩都在增加，最大转矩Ttqmax时的发动机转速为ntq；再增加发动机转速时，Ttq有所下降，但功率继续增加，一直到最大功率Pemax，此时发动机转速为np；继续增加转速时，功率下降，允许的发动机最高转速为nmax。

图1-2　汽油机外特性中的功率与转矩曲线

如转矩的单位符号以N·m 表示，功率的单位符号以kW 表示，转速的单位符号以r/min 表示，则功率与转矩有如下关系：

图1-3 是汽车发动机外特性及部分负荷特性的功率与转矩曲线。曲线上的数字为节气门开度百分比，相应的曲线便是各个节气门开度下的发动机转矩与功率。图1-4 是两种货车增压柴油机的外特性。

图1-3　汽油发动机外特性及 部分负荷特性中的功率与转矩曲线

图1-4　两种货车增压柴油机的外特性

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、发电机等附件设备下测得的。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。使用外特性曲线的功率小于外特性的功率。图1-5 是汽车发动机的外特性和使用外特性中的功率与转矩曲线。

图1-5　汽车发动机的外特性和使用外特性中的功率与转矩曲线

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15%；货车柴油机的使用外特性最大功率比外特性的最大功率约小 5%；轿车与轻型汽车柴油机使用外特性的最大功率比外特性的最大功率约小10%。

日本JIS 规定：1985 年以后生产的汽车均应给出净功率，即使用外特性功率。

还应指出，外特性台架试验是在发动机工况相对稳定，即保持水、机油温度于规定的数值，且在各个转速不变时来测量转矩与油耗数值；而在实际使用中，发动机的工况常是不稳定的，例如在汽车加速时，发动机是在节气门开度迅速加大，曲轴转速在连续由低升高的变化过程中。发动机的热状况、可燃混合气的浓度等，与外特性台架试验时的稳定工况有差异。在加速过程的不稳定工况下，发动机所能提供的功率比稳定工况时稍有下降。在进行动力性估算时，一般仍沿用稳态工况时发动机台架试验所得到的使用外特性中的功率与转矩曲线。

为了便于计算，常采用多项式来描述由试验台测得的接近抛物线的发动机转矩曲线：

式中，系数a0、a1、a2…ak可由最小二乘法来确定；拟合阶数k 随特性曲线而异，一般在2、3、4、5 中选取。

例如，北京内燃机总厂生产的492Q 发动机，由试验测得的转矩特性如表1-1 所示。

表1-1　492Q 发动机转矩特性

可由如下五次多项式来表示发动机转矩：

（2）传动系的机械效率

输入传动系的功率Pin经传动系传至驱动轮的过程中，为了克服传动系各部件中的摩擦，消耗了一部分功率。如以PT表示传动系中损耗的功率，则传动系的机械效率为

在等速行驶情况下，Pin＝Pe，故

传动系的功率损失由传动系中的部件——变速器、传动轴万向节、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占比最大，其余部件的功率损失较小。

传动系功率损失可分为机械损失和液力损失两大类。机械损失是指齿轮传动副、轴承、油封等处的摩擦损失。机械损失与啮合齿轮的对数、传递的转矩等因素有关。液力损失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等功率损失。液力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。

传动系的效率是在专门的试验台上测得的。图1-6 为解放牌4 t 载货汽车CA10B 变速器在Ⅳ挡、Ⅴ挡工作时的传动效率。试验结果表明，在Ⅳ挡（直接挡）工作时，啮合的齿轮并没有传递转矩，因此比Ⅴ挡（超速挡）时的传动效率要高。同一挡位转矩增加时，润滑油损失所占比例减少，传动效率较高。转速低时，搅油损失小，传动效率比转速高时要高。

图1-6　发动机转矩百分比/%

传动效率因受到多种因素的影响而有所变化，但对汽车进行初步的动力性分析时，可把它看作一个常数。表1-2 为传动系各部件的传动效率。

表1-2　传动系各部件的传动效率

采用有级机械变速器传动系的轿车，其传动效率可取 0.9～0.92；货车、客车可取0.82～0.85。表1-2 推荐的数值亦可用来估算整部汽车的传动效率。

（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之间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，所以静力半径小于自由半径。如以车轮转动圈数与实际车轮滚动距离之间的关系来换算，则可求得车轮的滚动半径为

式中，nw为车轮转动的圈数；S 为车轮转动nw圈后滚动的距离。滚动半径由试验测得，也可以作近似估算。

欧洲轮胎与车辆技术协会（ETRTO）曾推荐用下式来计算滚动圆周:

式中，d 为ETRTO 会员生产轮胎的自由直径；F 为计算常数，子午线轮胎F＝3.05，斜交轮胎F＝2.99。以上系指在最大载荷、规定气压与车速在60 km/h 时的滚动圆周，故滚动半径为(www.chuimin.cn)

式中，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，但一般常不计它们的差别，因此可统称为车轮半径r，即认为

（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之间的函数关系曲线Ft-va来表示汽车的驱动力，称之为汽车的驱动力图。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，即可用式（1-1）求出各个挡位的Ft-va值，再根据发动机转速与汽车行驶速度之间的转换关系求出va，即可求得各个挡位的Ft曲线。发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为

式中，va为汽车行驶速度（km/h）；n 为发动机转速（r/min）；r 为车轮半径（m）；ig为变速器传动比；i0为主减速器的传动比。图1-7 是具有五挡变速器的货车驱动力图。

图1-7　货车NKR552/555 的驱动力图

驱动力图中的驱动力是根据发动机外特性求得的，是使用各挡位时在一定车速下汽车能发出的驱动力的极值。实际行驶中，发动机常在节气门部分开启下工作，相应的驱动力要比它小。

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。滚动阻力以符号Ff表示，空气阻力以符号Fw表示。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，称为坡度阻力，以符号Fi表示。汽车加速行驶时，还需要克服加速阻力，以符号Fj表示。因此，汽车行驶的总阻力为

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，坡度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坡度阻力和加速阻力。

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点。当弹性轮胎在硬路面（混凝土路、沥青路）上滚动时，轮胎的变形是主要的。此时，由于轮胎有内部摩擦，产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。

图1-8 为轮胎在硬支承路面上受径向载荷时的变形曲线。图中OCA 为加载变形曲线，面积OCABO 为加载过程中对轮胎做的功；ADE 为卸载变形曲线，面积ADEBA 为卸载过程中轮胎恢复变形时放出的功。由图可知，两曲线并不重合，两面积之差OCADEO即为加载与卸载过程中的能量损失。此能量系消耗在轮胎各组成部分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最后转化为热能消失在大气中。这种损失称为弹性物质的迟滞损失。

图1-8　轮胎的径向变形曲线

二、汽车的功率平衡

汽车行驶时，不仅有驱动力和行驶阻力的平衡，也有发动机功率和汽车行驶阻力功率的平衡。即汽车行驶的每个瞬间，发动机发出的功率总是等于机械传动损失与各种行驶阻力所消耗的功率总和。

研究和分析汽车的功率平衡，不仅可以确定汽车的动力性指标，而且可以更方便地去理解汽车发动机的功率值和传动系统的参数，分析汽车的燃油经济性。

（1）汽车的功率平衡方程式

由汽车的驱动力平衡方程式可得发动机功率与行驶阻力功率之间的关系：

或

其中，滚动阻力消耗的功率为

克服坡度阻力消耗的功率为

克服空气阻力消耗的功率为

克服加速阻力消耗的功率为

式中　G——汽车总重力（N）；

f——滚动阻力系数；

α——路面坡度角（°）；

v——车速（km/h）；

CD——空气阻力系数；

A——迎风面积（m2）；

δ——汽车旋转质量换算系数，δ＞1；

j——汽车行驶加速度（m/s2）；

g——重力加速度（m/s2）。

（2）汽车功率平衡图

如同汽车的驱动力平衡图，将汽车各挡相应车速的发动机功率曲线Pe-v 及汽车在平直良好路面上等速行驶相应车速的阻力功率曲线绘在坐标图上，便得到汽车的功率平衡图，如图1-9 所示。

图1-9　汽车功率平衡图

显然，不同挡位时，功率不变，则各挡位上发动机功率所对应的车速不同。其特点是，各挡位功率曲线的起点功率、最大功率、结束点功率分别处于等高的位置。低挡位对应低车速，速度变化区域窄；高挡时车速高，速度变化区域宽。

功率平衡图上直接挡的功率曲线与阻力功率曲线的交点处所对应的车速，就是汽车在水平良好的路面上达到的最高车速。如果汽车在低于最高车速的某一车速下等速行驶，发动机的油门开度应减小，发动机应在部分负荷速度特性下工作，其功率曲线如图1-9 虚线所示，由此可见，维持汽车在一般车速下等速行驶所需的发动机功率并不大。称为汽车的后备功率，如图1-9 中的ab 段。后备功率可用来使汽车加速或爬坡，以及拖带挂车。后备功率越大，汽车的动力性越好。

三、汽车的驱动与附着条件

汽车要正常行驶，驱动力（Ft）必须等于或大于滚动阻力（Ff）、空气阻力（Fw）、坡度阻力（Fi）之和。两者相等时，汽车等速行驶；驱动力大于各阻力之和时，汽车加速行驶。故汽车行驶的必要条件可写成：

该公式称为汽车的驱动条件。

从前面分析可以看出，增大Ft可以通过增大发动机转矩和传动系传动比来达到。但这些措施只有在驱动轮与地面接触处不发生滑转时才有可能。车轮与路面不发生滑动（即滑转）的条件应是路面作用于驱动轮的切向反力（X2）必须小于、等于附着力，即

式中　φ——附着系数；

Z2——作用于所有驱动轮上的法向反作用力。

在轮胎与路面不发生滑移时，切向反力的最大值等于附着力（2Z φ·）。

由于滚动阻力系数（f）比φ 小得多（在良好的路面上），所以可以略去滚动阻力，即

式（1-9）称为汽车行驶的附着条件，是汽车行驶的充分条件。式中，Z2为作用于所有驱动轮上的法向反作用力。地面作用于驱动轮的法向反作用力及其附着系数越大，则汽车越容易满足附着条件。

附着系数主要取决于路面的种类和状况，以及轮胎花纹的结构。在良好的混凝土或沥青路面上，路面干燥时φ 值为0.7～0.8，潮湿时φ 值为0.5～0.6；干燥碎石路面的φ 值为0.6～0.7；干燥土路的φ 值为0.5～0.6；潮湿土路的φ 值为0.2～0.4。则有

式（1-10）称为汽车的驱动与附着条件。