汽車(chē)動(dòng)力性 第一節(jié)汽車(chē)行駛阻力 汽車(chē)行駛中所需要的功率和能量

第二章 汽車(chē)動(dòng)力性第一節(jié) 汽車(chē)行駛阻力汽車(chē)行駛中所需要的功率和能量取決于它的行駛阻力。汽車(chē)行駛阻力可以分為穩(wěn)定行駛va常數(shù)阻力和動(dòng)態(tài)行駛(va常數(shù)阻力。 一、穩(wěn)定行駛阻力 車(chē)輛穩(wěn)定行駛阻力包括車(chē)輪阻力、空氣阻力和坡度阻力。 1車(chē)輪阻力 車(chē)輪阻力由3局部組成：輪胎的滾動(dòng)阻力、路面阻力以及輪胎側(cè)偏引起的阻力。 1)輪胎的滾動(dòng)阻力 輪胎的滾動(dòng)阻力主要是輪胎的變形阻力，其次還包括路面和輪胎之間摩擦力和輪胎空氣阻力。其中，輪胎空氣阻力是整車(chē)空氣阻力的一局部。 通常用圖2-1所示的彈簧輪模型來(lái)解釋輪胎變形阻力產(chǎn)生的原因。如下圖，彈簧輪周?chē)植贾粋€(gè)個(gè)小彈簧和減振器。在滾動(dòng)中，各個(gè)彈簧反復(fù)經(jīng)歷壓縮和伸展過(guò)程，其阻尼功即為變形阻力。變形阻力可用單位行程的阻尼功來(lái)表示。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)說(shuō)明，汽車(chē)速度超過(guò)45m/s以后，變形阻力急劇增加，如圖2-2所示。其原因是：此時(shí)輪胎開(kāi)始振動(dòng)，形成振動(dòng)變形波。這就是說(shuō)，除了接觸局部外，輪胎的其他局部也在運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使阻尼功急劇增加。  路面與輪胎之間的摩擦阻力產(chǎn)生的原因可用圖z-1來(lái)說(shuō)明。車(chē)輪滾動(dòng)中，輪胎面上某點(diǎn)在通過(guò)與地面接觸區(qū)域時(shí)，胎面到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離由；變?yōu)椴稟r，然后再變?yōu)?；，因此?chē)輪角速度雖然不變，但胎面各點(diǎn)的圓周速度卻是變化的，這樣在接地區(qū)域內(nèi)，胎面與地面之間就存在縱向和橫向的相對(duì)局部滑動(dòng)。這就引起了摩擦阻力。 在40m/s以下的速度范圍內(nèi)，變形阻力占輪胎滾動(dòng)阻力的90%-95%，摩擦阻力占2%-10%，而輪胎空氣阻力所占比率極小圖2-3).高速時(shí)滾動(dòng)阻力的急劇增加與輪胎的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。如圖24所示，子午線(xiàn)輪胎比斜交輪胎的滾動(dòng)阻力小得多，同時(shí)，它的滾動(dòng)阻力在超過(guò)使用速度范圍界限后的急劇增加也比斜交輪胎明顯得多。  常用單位輪荷的輪胎滾動(dòng)阻力來(lái)定義無(wú)因次的滾動(dòng)阻力系數(shù)fg:fg=Fg/ Z式中：Fg輪胎滾動(dòng)阻力，N; Z輪胎載荷，N。 一般情況下，fg可取為常數(shù)。但在用數(shù)字計(jì)算機(jī)作模擬計(jì)算時(shí)，要考慮車(chē)速的影響，采用下述近似公式：fg= COC1vC2 v4式中：，v車(chē)速，m/s; CO、C1、C2系數(shù)。由于輪胎接地局部變形，使得壓力分布不再對(duì)稱(chēng)于輪胎中心，結(jié)果地面法向反力FZ相對(duì)于車(chē)輪中心前移了一個(gè)距離。圖2-5)。因此，為了驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，必須施以力矩 MgFzeZe該力矩又可表示為滾動(dòng)阻力凡與動(dòng)態(tài)半徑rd的乘積： MgFgrd這樣，滾動(dòng)阻力系數(shù)： fgFg/Z= Mg/ rdZ = e/rd (2-1)可見(jiàn)，d越小或。越大，那么滾動(dòng)阻力越大。 同時(shí)，輪胎的滾動(dòng)阻力Fg與輪荷Z和輪胎氣壓pi；有關(guān)，見(jiàn)圖2-6。  (2)柔性路面的阻力。與硬路面相比，受載車(chē)輪在柔性路面上土路、草地、沙土、雪地運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服附加的滾動(dòng)阻力。這種附加阻力由兩局部組成圖2-a)：一局部是使地面材料壓縮和移動(dòng)，形成輪轍所需的力，另一局部是克服輪轍與輪胎之間摩擦所需的力。 柔性路面上的附加滾動(dòng)阻力與地面壓強(qiáng)有關(guān)圖2-8)。此外，柔性路面與硬路面相反，減小輪胎氣壓有助于降低滾動(dòng)阻力。 (3)積水路面的阻力。在積水硬路面上運(yùn)動(dòng)的車(chē)輪圖2-9與路面之間存在三個(gè)區(qū)域：接近區(qū)域、過(guò)渡區(qū)域和接觸區(qū)域。在過(guò)渡區(qū)域，輪胎已有變形，但與路面之間僅有局部接觸；而在接觸區(qū)域，輪胎與路面之間才能有力的傳遞。 輪胎要排擠水層，這就產(chǎn)生了排水阻力Fs: Fshb式中：h水層厚度； b輪胎寬度； 水的密度； v擠水的速度。 圖2-10為排水阻力系數(shù)隨水層厚度和速度變化的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，當(dāng)水層厚度較大時(shí)，在高速段產(chǎn)生了滑水現(xiàn)象接觸區(qū)域消失，使s趨于定值，而與v無(wú)關(guān)。3)輪胎側(cè)偏引起的阻力上述討論中，車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)方向都垂直于它的軸線(xiàn)，也就是說(shuō)，滾動(dòng)阻力都在車(chē)輪平面內(nèi)。如果車(chē)輪還受有側(cè)向力Y(比方曲線(xiàn)行駛時(shí)，車(chē)輪平面與運(yùn)動(dòng)方向之間出現(xiàn)一個(gè)夾角，即側(cè)偏角將在汽車(chē)行駛平安性一章中詳細(xì)討論，此時(shí)的滾動(dòng)阻力將不在車(chē)輪平面內(nèi)，而是在車(chē)輪運(yùn)動(dòng)方向。  如圖2-11所示，當(dāng)側(cè)偏角為a時(shí)，其阻力 FEFgcosYsin其中，Ysin。即為曲線(xiàn)行駛時(shí)的附加阻力腸。曲線(xiàn)行駛的附加滾動(dòng)阻力系數(shù)而fQ(fQ=FQ/Z)與側(cè)偏角的關(guān)系如圖2-12所示。  當(dāng)側(cè)偏角a很小時(shí)，側(cè)向力Y與a近似成正比，所以有 fQ2對(duì)于前束角為的一對(duì)車(chē)輪，在直線(xiàn)行駛時(shí)，相當(dāng)于每個(gè)車(chē)輪的側(cè)偏角為612圖2-13)/2。 這樣因前束引起的附加阻力FQ1=2Ysin/2 (2-2)當(dāng)=10時(shí)，F(xiàn)Q1約為整車(chē)阻力的3%。我們已經(jīng)討論了車(chē)輪阻力的各個(gè)組成局部。為了說(shuō)明各局部之間的數(shù)量關(guān)系，在圖2-14上畫(huà)出了硬路面上各局部阻力系數(shù)與車(chē)速的關(guān)系。計(jì)算時(shí)的車(chē)輪阻力系數(shù)fa可從表2-1中選取。    2空氣阻力 氣流中物體的阻力與以下因素有關(guān)：流速v，空氣密度，物體的迎流面積A以及物體的形狀。物休的空氣阻力用下式表示： (動(dòng)壓力) 式中：CW無(wú)因次的空氣阻力系數(shù)。 假設(shè)v以km/h計(jì)，2m-4代入上式，那么得。 如果車(chē)輛在氣流中行駛，那么v=va 式中：一車(chē)速；