2.5　汽車的行駛原理

汽車作為道路交通工具在行駛時(shí)遵循物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，但由于汽車在結(jié)構(gòu)和行駛原理上具有特殊性，因此汽車在道路上的運(yùn)動(dòng)也具有一定的特殊性。

2.5.1　汽車行駛的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力

汽車在行駛中受到的各種力如圖2.34所示。其中，道路坡角α，F(xiàn)z1、Fz2為作用在前后輪上的地面法向反作用力，F(xiàn)x1、Fx2為作用于前后輪上的地面切向反作用力，Tj1、Tj2為作用在前后輪上的慣性阻力偶矩，Tf1、Tf2為作用在前后輪上的滾動(dòng)阻力偶矩，F(xiàn)w為汽車受到的空氣阻力，hg為質(zhì)心高度，hw為空氣阻力作用線距地面高度。

1. 汽車的驅(qū)動(dòng)力Ft

汽車在各種道路條件下能夠?qū)崿F(xiàn)由靜止到運(yùn)動(dòng)，由低速行駛到高速行駛，必須有外力來驅(qū)動(dòng)汽車加速前進(jìn)，這個(gè)外來的驅(qū)動(dòng)力是通過輪胎與地面之間的附著關(guān)系產(chǎn)生的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過離合器、變速器、萬向傳動(dòng)軸、主減速器傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)輪，通過輪胎與地面的接觸區(qū)域產(chǎn)生輪胎地面向后的推力，但是由于路面堅(jiān)固、質(zhì)量巨大，輪胎接地部分無法推動(dòng)路面向后運(yùn)動(dòng)，根據(jù)作用力與反作用力定律可知，路面便產(chǎn)生一個(gè)作用于輪胎的力，此即為驅(qū)動(dòng)汽車的外力，此外力稱為汽車的驅(qū)動(dòng)力Ft。圖中Ft為地面作用于驅(qū)動(dòng)輪的切向反作用力Fx2。

式中，Tt為作用于驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩（N·m）；r為輪胎半徑（m）。

2. 汽車的行駛阻力F

汽車在行駛中除了受到驅(qū)動(dòng)力之外，還受到一系列阻礙汽車前進(jìn)的外力，這些阻礙汽車前進(jìn)的外力，統(tǒng)稱為汽車的行駛阻力。行駛阻力一般包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力四類阻力，即

（1）滾動(dòng)阻力Ff

滾動(dòng)阻力由輪胎滾動(dòng)時(shí)輪胎與路面發(fā)生變形而產(chǎn)生的，由式（2-50）可知

式中，F(xiàn)z為輪胎載荷（N）或地面法向反力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。滾動(dòng)阻力系數(shù)與輪胎結(jié)構(gòu)、輪胎氣壓、車速和路面性質(zhì)等有關(guān)。

（2）空氣阻力Fw

汽車行駛時(shí)受到空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力?？諝庾枇τ蓧毫ψ枇εc摩擦阻力兩部分組成。

壓力阻力是空氣作用在汽車外表面上的法向壓力的合力在行駛方向的分力。摩擦阻力是由于空氣的黏性而在車身表面產(chǎn)生的摩擦作用的阻力。影響空氣阻力的因素主要有汽車形狀、迎風(fēng)面積和車速。

式中，CD為空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，一般取值為1.225 8kg/m3；A為汽車迎風(fēng)面積；v為汽車行駛速度。

（3）坡度阻力Fi

當(dāng)汽車上坡行駛時(shí)，汽車重力沿坡道的分力，從作用效果上看是汽車行駛中的一個(gè)阻力，稱為汽車坡度阻力；當(dāng)汽車下坡時(shí)，汽車重力沿坡道的分力表現(xiàn)為汽車行駛的動(dòng)力。

式中，G為汽車重力，G=mg（N）；α為坡度角。

道路的坡度i以坡高h(yuǎn)與底長s之比來表示，即

i=h/s=tanα

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（TJG B01—2014）規(guī)定，高速公路平原微丘區(qū)最大坡度為3%，山嶺重丘區(qū)為5%；一般四級(jí)路面山嶺重丘區(qū)最大坡度為9%。當(dāng)坡度不大時(shí)，cosα≈1，sinα≈tanα=i，則有

（4）加速阻力Fj

汽車加速行駛時(shí)，需要克服汽車的慣性力，慣性力的方向與加速度方向相反，構(gòu)成了加速阻力Fj。汽車質(zhì)量分為平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量兩部分。加速時(shí)不僅平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生慣性力偶矩，其方向與加速旋轉(zhuǎn)方向相反。為了分析問題方便，將旋轉(zhuǎn)慣性力偶矩轉(zhuǎn)化為平動(dòng)慣性力，并以δ作為轉(zhuǎn)換系數(shù)。因此，汽車加速阻力為

2.5.2　汽車行駛方程及驅(qū)動(dòng)條件

1. 汽車行駛的動(dòng)力方程

汽車行駛過程中受到驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力，兩者的關(guān)系決定汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是，無論在任何狀態(tài)，汽車受到的驅(qū)動(dòng)力和受到的行駛阻力都是平衡的，即有

當(dāng)汽車驅(qū)動(dòng)力等于滾動(dòng)阻力、空氣阻力和坡度阻力之和時(shí)，汽車勻速行駛；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于滾動(dòng)阻力、空氣阻力和坡度阻力之和時(shí)，汽車才能起步或加速行駛；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力小于滾動(dòng)阻力、空氣阻力和坡度阻力之和時(shí)，汽車無法起步或減速行駛。

2. 汽車行駛的驅(qū)動(dòng)條件

當(dāng)汽車由靜止?fàn)顟B(tài)需要起步或加速時(shí)，汽車驅(qū)動(dòng)力必須不小于滾動(dòng)阻力、空氣阻力和坡度阻力之和，此即為汽車行駛的驅(qū)動(dòng)條件，又稱為汽車行駛的充分條件，即

3. 汽車行駛的附著條件

地面對(duì)輪胎的切向反作用力的極限值稱為輪胎與地面的附著力，常以F?表示。它與驅(qū)動(dòng)輪法向反作用力Fz成正比。

F?=Fz?

式中，?為附著系數(shù)。

要想汽車能夠正常行駛，汽車通過傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力要大于汽車受到的行駛阻力，但滿足該條件也不一定保證汽車能夠行駛。當(dāng)汽車在冰雪、泥濘的道路上行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)可以產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)力，但由于地面光滑，路面附著條件差，依然不能推動(dòng)汽車前進(jìn)。因此，要確保汽車能夠行駛，只保證驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力是不夠的，還必須確保路面的附著力大于汽車的驅(qū)動(dòng)力，這樣才不至于使汽車輪胎打滑，此即為汽車行駛的必要條件，即

因此，汽車行駛時(shí)必須同時(shí)滿足驅(qū)動(dòng)條件和附著條件，即為汽車行駛的充分必要條件。