2.5　汽車的行駛原理

汽車作為道路交通工具在行駛時遵循物體的運動學和動力學規律，但由于汽車在結構和行駛原理上具有特殊性，因此汽車在道路上的運動也具有一定的特殊性。

2.5.1　汽車行駛的驅動力與行駛阻力

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，Fz1、Fz2為作用在前后輪上的地面法向反作用力，Fx1、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阻力偶矩，Fw為汽車受到的空氣阻力，hg為質心高度，hw為空氣阻力作用線距地面高度。

1. 汽車的驅動力Ft

汽車在各種道路條件下能夠實現由靜止到運動，由低速行駛到高速行駛，必須有外力來驅動汽車加速前進，這個外來的驅動力是通過輪胎與地面之間的附著關系產生的。當發動機輸出的轉矩，經過離合器、變速器、萬向傳動軸、主減速器傳動到驅動輪，通過輪胎與地面的接觸區域產生輪胎地面向后的推力，但是由于路面堅固、質量巨大，輪胎接地部分無法推動路面向后運動，根據作用力與反作用力定律可知，路面便產生一個作用于輪胎的力，此即為驅動汽車的外力，此外力稱為汽車的驅動力Ft。圖中Ft為地面作用于驅動輪的切向反作用力Fx2。

式中，Tt為作用于驅動輪上的轉矩（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動力之外，還受到一系列阻礙汽車前進的外力，這些阻礙汽車前進的外力，統稱為汽車的行駛阻力。行駛阻力一般包括滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力四類阻力，即

（1）滾動阻力Ff

滾動阻力由輪胎滾動時輪胎與路面發生變形而產生的，由式（2-50）可知

式中，Fz為輪胎載荷（N）或地面法向反力；f為滾動阻力系數。滾動阻力系數與輪胎結構、輪胎氣壓、車速和路面性質等有關。

（2）空氣阻力Fw

汽車行駛時受到空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力由壓力阻力與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、迎風面積和車速。

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

（3）坡度阻力Fi

當汽車上坡行駛時，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阻力，稱為汽車坡度阻力；當汽車下坡時，汽車重力沿坡道的分力表現為汽車行駛的動力。

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與底長s之比來表示，即

i=h/s=tanα

《公路工程技術標準》（TJG B01—2014）規定，高速公路平原微丘區最大坡度為3%，山嶺重丘區為5%；一般四級路面山嶺重丘區最大坡度為9%。當坡度不大時，cosα≈1，sinα≈tanα=i，則有

（4）加速阻力Fj

汽車加速行駛時，需要克服汽車的慣性力，慣性力的方向與加速度方向相反，構成了加速阻力Fj。汽車質量分為平移質量和旋轉質量兩部分。加速時不僅平移質量產生慣性力，旋轉質量也會產生慣性力偶矩，其方向與加速旋轉方向相反。為了分析問題方便，將旋轉慣性力偶矩轉化為平動慣性力，并以δ作為轉換系數。因此，汽車加速阻力為

2.5.2　汽車行駛方程及驅動條件

1. 汽車行駛的動力方程

汽車行駛過程中受到驅動力和行駛阻力，兩者的關系決定汽車的運動狀態。但是，無論在任何狀態，汽車受到的驅動力和受到的行駛阻力都是平衡的，即有

當汽車驅動力等于滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力之和時，汽車勻速行駛；當驅動力大于滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力之和時，汽車才能起步或加速行駛；當驅動力小于滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力之和時，汽車無法起步或減速行駛。

2. 汽車行駛的驅動條件

當汽車由靜止狀態需要起步或加速時，汽車驅動力必須不小于滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力之和，此即為汽車行駛的驅動條件，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。它與驅動輪法向反作用力Fz成正比。

F?=Fz?

式中，?為附著系數。

要想汽車能夠正常行駛，汽車通過傳動系統產生的驅動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。當汽車在冰雪、泥濘的道路上行駛時，發動機通過傳動系統可以產生足夠大的驅動力，但由于地面光滑，路面附著條件差，依然不能推動汽車前進。因此，要確保汽車能夠行駛，只保證驅動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動力，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，汽車行駛時必須同時滿足驅動條件和附著條件，即為汽車行駛的充分必要條件。