汽车理论一页开卷

第一章：汽车的动力性 汽车的动力性系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。汽车的动力性主要由汽车的最高车速U amax 、汽车的加速时间t （原地起步加速时间和超车加速时间）、

汽车的最大爬坡度i max 三个指标来评价。最高车速是指在水平良好的路面（混凝土或沥青）上汽车所能达到的最高行驶

车速。低挡超车加速能力更强。汽车的上坡能力是用满载（或某一载质量）时汽车在良好路面上的最大爬坡度i max 表示的。地面对驱动轮的反作用力F t （方向与F 0相反）即是驱动汽车的外力，此力称为汽车的驱动力F t =Tt r T t =T tq i g i 0ηT 驱动力F t = T tq i g i 0ηT /r P e =T tq n/9550(转矩N ·m 功kw 转速r/min) 传动系的机械效率在等速行驶工况下P in =P e 故ηT =（P e - P T ）/P e =1-P T /P e 传动系功率损失分为。汽车行驶速度与转速之间的关系：U a =0.377rn/i g i 0 U a (km/h) n(r/min) r(m) 滚动阻力F f 空气阻力F w 坡机械损失和液力损失度阻力F i 加速阻力F j 汽车行驶总阻力∑F =F f +F w +F i +F j 滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。f=F p1/W 滚动阻力F f =Wf 真正作用在驱动轮上驱动汽车的力为地面切向反作用力F X2，它的数值为驱动力F t 减去驱动轮上的滚动阻力。子午线轮胎的滚动阻力系数比斜胶轮胎的低。转弯行驶时，轮胎发生侧偏现象，滚动阻力大幅增加。空气阻力分为压力阻力和摩擦阻力。压力阻力又分为4部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。形状阻力占压力阻力的大部分，

与车身主体形状有很大关系。空气阻力F w =C D AU a 2/21.15 降低C D 值应遵循以下要点：1 车身前部 发动机盖应向下倾斜 2 整车 整个车身应向前

倾斜1°到2°。水平投影应为腰鼓形，后端稍稍收缩，前端呈半圆形。3 汽车后部 最好采用舱背式或直背式。后应有扰流板 4 车身底部 所有零部件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。5 发动机冷却进风系统 仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱、精心设计的内部风道。汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力，F i =Gsin α。当车轮半径r 减小时，Ua=0.377rn/i g i 0 Ua 减小，滚动阻力系数f 减小，Ft= T tq i g i 0ηT /r Ft 增大，所以F i =F t -F f -F w -F j , 所以F i 增大。坡度阻力与滚动阻力合称道路阻力，以F Ψ表示，即F Ψ=F f +F i =Gf+Gi Ψ=f+i Ψ称为道路阻力系数F Ψ=G Ψ 汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。汽车的加速阻力：F j =δm du dt δ为汽车旋转质量换算系数，δ>1,m （kg ）du dt (m/s 2) δ=1+1m ?+ΣIw/r 2+I f i g 2i 02ηT /mr 2 汽车行驶方程式：T tq i g i 0ηT /r=Gf+C D AU 2a /21.15+Gi+δm du dt F t =F f +F w +F i +F j 一般汽车所谓的爬坡能力，是指汽车在良好路面上克服F f +F w 后的余力全部用来（即等速）克服坡度阻力时能爬上的坡度。令(Ft-Fw)/G 为汽车的动力因数并以符号D 表示，D=Ψ+δdu/gdt 求最大爬坡度时du dt =0 所以D=Ψ=f+i tan αmax =i max 。汽车的动力性能不止受驱动力的制约，它还受到轮胎和地面附着条件的限制。地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力F φ，在硬路面上它与驱动轮法向反作用力F z 成正比，常写成F Xmax =F φ=F z φ, φ称为附着系数，它是由路面与轮胎决定的。地面切向反作用力不能大于附着力，否则将发生驱动轮滑转现象，即对于后轮驱动的汽车：T t ?T f2r =F X2≤F z2φ 这就是汽车行驶的附着条件。F X2F Z2≤φ,式中F X2F Z2称为后轮驱动汽车驱动轮的附着率C φ2，即C φ2≤φ 驱动轮的附着率是表明汽车附着性能的一个重要指标，是汽车驱动轮在不滑转工况下充分发挥驱动力作用所要求的最低地面附着系数。汽车的附着力决定于附着系数以及地面作用于驱动轮的法向反作用力。前后轮地面法向发作用力是由静态轴荷的法向发作用力、动态分量、空气升力、滚动阻力偶矩产生的部分。降低空气升力的方法：车身前部压低，尾部肥厚向上的楔形造型，合适的保险杠下面的阻风板与后行李箱盖上的后扰流板。等效坡度q : 后轮驱动 C φ2=q/(a/L+?g q/L) q=(a/L)/( 1/φ-?g /L)) 前轮驱动 C φ1=q/(b/L-?g q/L) q=(b/L)/( 1/φ+?g /L) 由汽车的附着率曲线图a 可知，一挡加速时的最大C φ2为0.64，在φ=0.7的良好路面上汽车可以全力加速行驶。但从b 图中看出，在φ=0.7的路面上，该车1挡（节气门全开时）的爬坡能力是基本无法实现的。不过2挡的最大C φ2为0.45，相应的爬坡度达23%，远大于四级公路在山岭重丘区的最大纵向坡度9%。所以该车在良好路面上的附着能力是令人

满意的。通过改善车身形状，或者增加一些辅助的空气动力装置，可以降低空气升力系数，达到减小附着率以改

善操纵稳定性与动力性的目的；也可以通过调整汽车的总体布置，变动前后轴的轴荷来减小驱动轮的附着率。P e -1ηT (P f +P w )称为汽车的后备功率，汽车的后备功率越大，汽车的动力性越好。通常用液力变矩器的无因次特性来表征液力变矩器的特性。无因次特性给出了变矩比K 、效率η及泵轮转矩系数λp 随速比i 变化的规律。在任何速

比下，泵轮转矩系数维持不变的液力变矩器称为“非透过性”的变矩器。“透过性”液力变矩器的优点：1对透

过性液力变矩器而言，汽车行驶阻力的变化或行驶速度的变化，在发动机节气门不变的条件下，也明显地影响到

发动机的转速，即泵轮转矩系数λp 不是常数值。2 透过性液力变矩器扩展了发动机运转的转速范围和相应的转矩范围，获得高的传动效率η。综合式液力变矩器或带有锁止离合器的液力变矩器，防止了高速区传动效率的降低而提高了汽车的动力性和燃油经济性。第二章：汽车的燃油经济性 在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，称作汽车的燃油经济性。汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。用等速百公里燃油消耗量曲线来评价汽车的燃油经济性，用一些典型的循环行驶试验工况来模拟汽车实际运行情况。等速百公里燃油消耗量(L/100km)：Q s =P e b/1.02U a ρg 加速度的大小对燃油消耗量有很大的影响。Q s =CFb/ηT C 为常数，F 为行驶阻力,F=F f +F w 影响燃油经济性的因素：发动机的燃油消耗率b 一方面取决于发动机的种类、设计制造水平；另一方面又与汽车行驶时发动机的负荷率有关，发动机的负荷率与燃油消耗率成反比。起步加速过程中，从经济性角度要尽早换入高挡，从动力性角度要用足抵挡。提高燃油经济性的途径：一、使用方面 1 汽车在接近于低速的中等车速时燃油消耗量Q s 最低，高速时随车速增加而迅速增加。2 挡位选择 同一道路条件与车速下，发动机发出的功率相同，但挡位越低，后备功率越大，发动机的负荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大；高挡的情况相反。3 挂车的应用 拖带挂车后节省燃油的原因有两个：1一是带挂车后阻力增加，发动机的负荷率增加，使燃油消耗率b 下降；另一个原因是汽车列车的质量利用系数（即装载质量与整车整备质量之比）较大。4 正确地保养与调整 二、汽车结构方面 1 缩减轿车总尺寸和减轻质量 2 发动机 发动机是对汽车燃油经济性最有影响的部件。提高发动机经济性的主要途径：1）提高现有汽油发动机的热效率和机械效率 2）扩大柴油发动机的应用范围 3）增压化 4）广泛采用电子计算机控制技术。3 传动系 适当增加传动系挡位4 汽车外形与轮胎 降低汽车的C D 值，使用子午线轮胎。第三章：汽车动力装置参数的选定 汽车动力装置参数系指发动机的功率、传动系的传动比。从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机应有的功率。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

=1000P e /m=fg U amax /3.6ηT +C D A U amax 3/76.14m ηT 货车主要考虑m ，汽车主要考虑U amax 。货车的比功率随其总质量的增大而逐步减少，最小传动

比的选择 i 0选择到汽车的最高车速相当于发动机最大功率点的车速时，最高车速是最大的. U amax / U P <1 动力性差，燃油经济性好。U amax / U P =1动力性和燃油经济性都比较好。U amax / U P >1动力性好，燃油经济性差。最小传动比过小，发动机在重负荷在工作，加速性不好，出现噪声与振动。最小传动比过大，燃油经济性差，发动机高速运转噪声大。最大传动比的选择 确定最大传动比主要

考虑：最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速。 就动力性而言，挡位数越多，增加了发动机发挥最大功率附

近高功率的机会，提高了汽车的加速与爬坡能力。就燃油经济性而言，挡位数多，增加了发动机在低燃油消耗率

区工作的可能性，降低了油耗。所以增加挡位数会改善汽车的动力性和燃油经济性。挡位数间的比值不宜大于1.7

到1.8.按等比级数分配传动比的主要目的还在于充分利用发动机提供的功率，提高汽车的动力性，便与主变速器

与副变速器的接合。i g1/i g2≥i g2/i g3≥……≥i gn?1/i gn 以循环工况油耗Q （L/100km ）代表燃油经济性，以原地

起步加速时间代表动力性，做出不同参数匹配下的燃油经济性-加速时间曲线，该曲线大体上呈C 形，所以也叫C

曲线，C 曲线的包络线称为最佳燃油经济性-动力性曲线。第四章：汽车的制动性 汽车行驶时能在短距离内停

车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力，称为汽车的制动性。制动性是汽车主动安全的重要评价指标。制动性的三个评价指标：1）制动效能，即制动距离s （路面条件、载荷条件、制动初速度决定）和制动减速度a b 2）制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。3）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。制动效能是指在水平良好路面上，汽车以一定初速度制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度（最基本评价指标）。汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离也越短，所以地面制动力对汽车制动性具有决定性影响。F Xb =T μ/r(T μ摩擦片与制动鼓或盘相对滑转时的摩擦力矩 N ·m)。地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘间的摩擦力，一个是轮胎与地面间的摩擦力—附着力。制动器的制动力仅由制动器结构参数决定，即取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数以及车轮半径，并与制

动踏板力，即制动系液压或空气压成正比。车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力。F Xb ≤F φ=F z φ 最大地面制动力F Xbmax =F z φ。汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力。滑动率：车轮接地处的滑动速度与车轮中心运动速度的比值s=(U w -r r0ωw ) ×100%/ U w 纯滚动时U w =r r0ωw 边滚边滑时U w >r r0ωw 拖滑时ωw =0 滑动率的数值说明了车轮运动中滑动成分所占的比列，滑动率越大，滑动成分多。地面制动力与垂直载荷之比为制动力系数φb =F Xb /F z 制动力系数的最大值称为峰值附着系数φp ，一般出现在15%到20%。S=100%的制动力系数称为滑动附着系数φs 。侧向力系数为侧向力与垂直载荷之比。滑动率越低，同一偏角条件下的侧向力系数φl 越大，即轮胎保持转向、防止侧滑的能力越大。在某一车速下，在胎面下的动水压力的升力等于垂直载荷时，轮胎将完全漂浮在水膜上面而与路面毫不接触，这就是滑水现象。允许汽车前后轮同时抱死时：a bmax =φs g 若装有理想制动防抱装置来控制汽车的制动，制动减速度为：a bmax =φp g τ’+τ”称为驾驶员反应时间 τ2’+τ2”称为制动器的作用时间。制动全程包括驾驶员见到信号后做出行动反应、制动器起作用、持续制动和放松制动器四个阶段。决定汽车制动距离的主要因素是：制动器起作用的时间、最大制动减速度即附着力（或最大制动器制动力）以及起始制动车速、自重和载荷条件。制动器抗热衰退性能般用一系列连续制动时制动效能的保持程度来衡量。热衰退性能与制动器摩擦副材料及制动器结构有关。盘式制动器的优点：盘式制动器其制动效能没有鼓式制动器大（一般盘式制动器常加装真空助力器以增大制动效能），但其稳定性好。高强度制动时，摩擦材料的摩擦因数虽有所下降，但对制动效能影响不大。同时盘式制动器与鼓式制动器相比，反应时间短且不会因为热膨胀而增加制动间隙。一般称汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力为制动时汽车方向的稳定性。制动时汽车自动向左或向右偏驶称为制动跑偏。侧滑是指制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动。最危险的情况是在高速制动时发生后轴侧滑，此时汽车常发生不规则的急剧回转运动而失去控制。跑偏与侧滑的关系：严重的跑偏有时会引起后轴侧滑，易于发生侧滑的汽车也有加剧跑偏的趋势。前轮失去转向能力，是指弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出；直线行驶制动时，虽然转动转向盘但汽车仍按直线方向行驶的现象。失去转向能力与后轴侧滑的关系：如果汽车不会后轴侧滑，前轮就可能失去转向能力；后轴侧滑，前轮仍有转向能力。制动时汽车跑偏的原因：1）汽车左右车轮，特别是前轴左右车轮（转向轮）制动器的制动力不相等。2）制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调（相互干涉）。左右车轮制动力之差用不相等度ΔF μr 。制动跑偏随着ΔF μr 的增加而增大：后轮未抱死，锁住方向盘，附着转角受到限制，跑偏程度只取决于系统间隙和弹性变形。制动跑偏实验曲线结论：1 在转向盘放开的情况下，跑偏远比方向盘固定的大。 2 后轴抱死同不抱死相比，在相同的不相等度下，跑偏加剧。3 随着时间的延长，跑偏加剧。制动跑偏取决于：不相等度、方向盘是否固定、后轮是否抱死。制动时后轴侧滑与前轮转向能力丧失实验总结：1制动过程中，若是只有前轮抱死或者前轮先抱死拖滑，汽车基本上沿直线向前行驶（减速停车）；汽车处于稳定状态，但丧失转向能力。2 若后轮比前轮提前一定时间先抱死拖滑，且车速超过某一数值时，汽车在轻微的侧向力作用下就会发生侧滑。路面越滑、制动距离和制动时间越长，后轴侧滑越剧烈。后轴侧滑是一种不稳定的危险的工况。前轮抱死时F j 的方向与前轴侧滑方向相反，F j 能阻止减小前轴侧滑，汽车处于稳定状态。后轮抱死时F j 与后轴侧滑方向一致，惯性力加剧后轴侧滑，后轴侧滑又加剧惯性力，汽车将急剧转动，处于不稳定状态。在任何附着系数φ的路面上，前后车轮同时抱死的条件是：前后轮制动器制动力之和等于附着力，并且前后轮制动器制动力分别等于各自的附着力。前后轮同时抱死时前后轮制动器制动力的关系曲线---理想的前后轮制动器制动力分配曲线，简称I 曲线。常用前制动器制动力与汽车总制动器制动力之比来表明分配的比例，称为制动器制动力分配系数β。β=F μ1/F μ F μ2=B(F μ1)构成的直线称为β线。β线与I 曲线的交点处的附着系数为同步附着系数，所对应的制动减速度称为临界减速度。同步附着系数φ0=（L β-b ）/?g 。f 线组是后轮没有抱死，前轮抱死时的前后地面制动力关系曲线；r 线组是前轮没有抱死，后轮抱死时的前后地面制动力关系曲线。当φ<φ0时，β线位于I 曲线的下方，制动时总是前轮先抱死。φ>φ0，β线位于I 曲线的上方，制动时总是后轮先抱死，因而容易使汽车发生后轴侧滑失去方向稳定性。φ=φ0时，制动时前后轮同时抱死，减速度=φ0g ，也是一种稳定的工况，但也失去转向能力。汽车以一定减速度制动时，除去制动强度z =φ0外，不发生车轮抱死所要求的（最小）路面附着系数总是大于其制动响度。利用附着系数越接近制动强度，地面的附着条件发挥得越充分，汽车的制动力分配的合理程度越高。制动效率：车轮不锁死的最大制动强度与车轮和地面间附着系数的比值。前轴制动效率：E f =z/φf =(b/L)/( β-φf ?g /L) 后轴制动效率：E r = z/φf =(a/L)/((1-β)+ φr ?g /L)由制动效率曲线可知，当φ=0.6时，空载时后轴制动效率约为0.67。这说明后轮不抱死时，汽车最多只能利用可供制动的附着力的67%，即其制动减速度不是0.6g 而只有0.6g ×0.67=0.402g 。对前后制动器制动力分配的要求：为了防止后轴抱死发生危险的侧滑，汽车制动系的实际前后制动力分配曲线（β线）应总是在理想的制动力分配线（I 曲线）下方；为了减少制动时前轮抱死而失去转向能力的机会，提高附着效率，β线应越靠近I 曲线越好。若按利用附着系数曲

线图来考虑，为了防止后轴抱死并提高制动效率，前轴利用附着系数曲线应总在45°对角线上方，即总在后轴利

用附着系数的上方，同时还应靠近图中的对角线（φ=z ）。在汽车连续下长坡行驶时，吸收势能维持较慢车速安全

行驶的制动工作应由辅助制动系统来承担。有缓速器时的制动力还应该加上缓速器或者发动机制动所带来的制动力

F μr =F μ2+F r =(1-β) F μ1+F r ABS 的作用：

在制动过程中防止车轮被制动抱死，提高汽车的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离的安全装置。第五章：汽车的操纵稳定性 汽车的操纵稳定性（高速车辆的生命线）是指在驾驶者不

感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，

汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。用汽车曲线行驶的时域响应与频域响应，以它们来表征汽车的操纵稳定性

能。转向盘输入有两种形式：角位移输入，简称角输入；力矩输入，简称力输入。转向盘角阶跃输入下进入的稳态

响应及转向盘角阶跃输入下的瞬态响应，就是表征汽车操纵稳定性的转向盘角位移输入下的时域响应。回正性是一

种转向盘力输入下的时域响应。汽车的时域响应可分为不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态响应。汽车稳

态转向特性分为三种：不足转向，中性转向和过多转向。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。一

般汽车不应具有过多转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向特性在使用条件变动时，有可能转变为

过多转向特性。瞬态响应包括：行驶方向稳定性和响应品质问题。汽车（多自由度动力学系统）的时域响应把汽

车作为开路控制系统，人汽车系统是一个闭路系统。汽车试验的两种评价方法：主观评价和客观评价（转向盘角

阶跃输入试验、转向盘角脉冲输入试验、转向盘中间位置操纵稳定性试验）轮胎侧偏特性主要指：侧偏力、回正

力矩与侧偏角间的关系。当车轮有侧向弹性时，即使F Y 没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面cc,

这就是车轮的侧偏现象。F Y -α曲线在α=0处的斜率称为侧偏刚度，侧偏刚度为负值。F Y =k α 轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响：1 采用高宽比小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施。2 侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大；但垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀，使轮胎侧偏刚度反而有所减小。3 随着气压的增加，侧偏刚度增大；但气压过高后刚度不再变化。4 F X 越大，F Y 越小。回正力矩T Z 随垂直载稳态的横摆角速度与前轮转角之比称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度。以符号ωr δ)s 表示。ωr δ?= 荷的增加而增大。=(u/L)/(1+K u 2)式中K=m/L 2(a/k 2-b/k 1) ，K 为稳定性因数，其单位为s 2/m 2,是表征汽车稳态响应的一个重要参数。中性转向：K=0 横摆角速度增益ωr δ?=u/L 不足转向：K >0，特征车速u c?=√1K ?。K 值越大，横摆角速度增益曲线越低，不足转向量越大。过多转向：K <0 临界车速u cr =√?1K ? K 值越小（即K 的绝对值越大），过多转向量越大。用静态储备系数S.M.来表征汽车稳态响应。使汽车前后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点称为中性转向点。静态储备系数就是中性转向点至前轴距离a ’和汽车质心至前轴距离a 之差（a ’-a ）与轴距L 之比值。S.M.=( a ’-a )/L=k 2/(k 1+k 2)-a/L 当中性转向点与质心重合时，S.M.=0，在质心位置上作用的侧向力引起前后轮的侧向角相等，汽车具有中性转向。当质心在中性转向点之前时，a ’>a ，S.M 为正值。在质心位置上作用的侧向力引起的前轮侧偏角α1大于后轮侧偏角α2，汽车具有不足转向特性。当质心在中性转向点之后时，a ’< a ，S.M 为负值。在质心位置上作用的侧向力引起的前轮侧偏角α1小于后轮侧偏角α2，汽车具有过多转向特性。