同时,地面阻止轮胎在接触点 S向前滑动的力表现为切向作用Fx1,它作用在轮胎上。这样从动轮处在四个力构成的平衡力系的作用下,达到动态的平衡,所有力的关系是:
FP1+Fx1=0 FP1·Rr-Fz·a=0
由此可见,FP1=Fz·a/Rr
令 Tf1=Fz·a 则FP1=Tf1/Rr
如果把Tf1理解为由Fz偏移造成的阻力矩,那么FP1就是克服这个阻力矩使从动轮匀速滚动所需的推力。所以Tf1称为从动轮滚动阻力矩。
再看驱动轮。驱动轮受到的主动力是驱动力矩Tt,载荷W和推力FP2。推力FP2通过车轴传到轮上的整车反作用力。
地面对车轮的支承力Fz也偏向车速ua方向,距离为a。地面对轮胎的切向力Fx2则是向前的,也起到阻止轮胎滑移的作用。
由车轮的平衡方程得到(对O2的力矩平衡):
Tt-Fz·a-Fx2·Rr=0
F*2=Tf/Rr-Fz·a/Rr=Tt/Rr-Tf2/Rr=Ft-Ff 式中,Tf2=Fz·a,驱动轮的阻力矩;Ff表示驱动轮的滚动阻力。 尽管如此,实际的滚动阻力由于受到多种因素的影响,并不能用简单的方法计算。实际上也是利用滚动阻力系数来估算。
令Ff=G·f
式中,G=mg,m为整车质量,kg;f为滚动阻力系数。
滚动阻力系数f的定义是车轮在一定条件下滚动时所需的推力与车轮负荷之比,即单位
车重所需的推力。滚动阻力系数的值与路面的类型、行驶速度、轮胎的构造、轮胎的材料和气压等有关。
滚动阻力系数在车速低于50km/h时,变化不大,车速升高时变大,车速高于100km/h时,f增长很快。普通结构轮胎(如普通斜交帘线轮胎)比子午线轮船滚动阻力系数大。轮胎气压低也使滚动阻力系数增大。
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3.坡道阻力 Fi
汽车在坡道上行驶时,要克服自身重力沿路面方向的分力:
Fi=G·sinα
道路坡度用坡高h与底长s之比表示,当坡度不大时,
i=h/s=tanα≈sinα
故Fi=G·i 4.加速阻力Fj
汽车加速时要克服其质量作加速运动的惯性力,这就是加速阻力Fj的来源。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分,加速时汽车的平移质量产生惯性力,旋转质量产生惯性力偶矩。为了便于计算,通常把旋转质量的惯性力偶矩也转化作平移质量的惯性力,附加在平移质量的惯性力上一起计算。因此,汽车加速时的总加速阻力为:
Fj=δmdu/dt
式中,δ为汽车旋转质量换算系数,δ>1;du/dt为汽车加速度。
4.2 汽车行驶方程
作用在行驶汽车上各种力的关系叫做汽车行驶方程。由上分析可得:
Ft=Fw+Ff+Fi+Fj (2-1)
这个式子是驱动力与4个阻力的平衡。换一个写法对于理解汽车实际行驶更方便:
Fj=Ft-(Fw+Ff+Fi) (2-2)
这是说汽车上坡时,如果驱动力与三个阻力(风阻、滚动阻力和上坡阻力)之和相等,则加速度等于零(Fj=0),汽车在坡上匀速行驶。如果 Fj>0的,则汽车加速;反之 Fj<0,则汽车减速。也可推广到平路(Fi=0)甚至下坡(Fi变为负值,称为驱动力一部分)。
式(2-2)对汽车起步也有助于理解。汽车由静止起步,速度为零,因此空气阻力为零:
Fj=Ft-(Ff+Fi) (2-3)
当 Ft比(Ff+Fi)大时,理论上汽车就可以起步(Fj>0)。
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4.3 汽车行驶的附着条件
式(2-2)表明汽车能否加速(Fj>0)的条件,取决于驱动力是否足够大,大于(Fw+Ff+Fi)三项之和。所以
Fj≥ Fw+Ff+Fi (2-4)
是汽车行驶的必要条件,也称为汽车驱动条件。
加大发动机转矩,或加大传动系速比等办法可以增大汽车驱动转矩 Tt,以满足增大 Ft的条件。但是,这里有一个前提:驱动轮与地面间不发生滑转。如果发生滑转,增大驱动转矩只能使驱动车轮加速旋转,地面切向力并不增加。因此,汽车行驶还受到轮胎与地面附着条件的限制。
地面对轮胎的切向反作用力的极限值称为附着力。在硬路面上,附着力与驱动轮上的法
向反作用力成正比,写作
Fxmax=Fφ =Fz·φ
式中的比例常数φ称为附着系数,Fz为驱动轮的地面法向反力。 因此,汽车行驶的充分条件是地面能够提供的附着力(切向反力最大值 Fxmax)大于驱动力Ft,即:
Ft≤ Fz·φ (2-5)
式(2-4)和式(2-5)合起来就表示了汽车行驶的必要条件和充分条件。 附着系数φ主要取决于路面的种类和状况。行驶车速、车轮运动状况也对附着系数有影响。良好的混凝土和沥青路面,干燥时φ=0.7~0.8,潮湿时φ降低为0.5~0.6;碎石路面干燥时φ=0.6~0.7,干燥土路φ=0.5~0.6,潮湿时φ低至0.2~0.4。因此,湿路面上汽车容易打滑(也影响制动效果)。
驱动轮的地面法向反力 Fz与汽车的总体布置,行驶状况,道路坡度有关。 汽车上坡时,前轮法向反力 Fz1比在平路时减小,后轮法向反力 Fz2比平路上增大。因此,后轮作为驱动轮有利于增加附着力。所有大型车辆,尤其是卡车采用后轮驱动,这是主要原因。有些轿车采用前轮驱动是出于结构上的考虑,这时,汽车的重心,汽车重量在前后轴上的分配应考虑各种条件下的附着条件,使作为驱动轮的前轮有足够的附着力可用。
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4.4 汽车制动的原理
汽车制动是汽车行驶状态的一种重要方式。制动方式有两种。一是使汽车减速,直到停止,二是保持其静止状态不变。前者通称为行车制动,后者一般称为驻车制动,俗称手制动。
汽车制动性能好是汽车行驶安全的基本要求。 汽车行车的制动通常通过车轮制动器实现。
汽车的制动效能主要与两个摩擦力有关,一个是制动器的制动摩擦片与制动鼓(或制动盘)的摩擦力,称为制动器制动力,另一个是轮胎与地面的摩擦力,称为地面制动力。
图2-12表示制动时车轮受到的力。其中W为轴上负荷,FP为车轴对车轮的推力,Fz为地面法向反力,Tμ为制动器摩擦力矩,Fxb是地面与轮胎的摩擦力。图中略去了滚动阻力矩,惯性力矩的影响。由图可见,使汽车减速以至停止的作用力实际是Fxb。地面制动力Fxb决定于地面的状况,它最大不可能超过地面附着力。因此,除了要求制动器产生足够大的制动力,还要求地面提供高的附着力(即路面状态好),才能产生足够的地面制动力,取得好的制动效能。汽车在有水的路面,在泥泞、冰雪路面制动性能大受影响,原因即在于此。
汽制动器由司机按照交通状况控制,以保证行车安全。用时一般将发动机和传动系分离开(踩下离合器),非紧急状态不做强烈制动。紧急制动时把刹车踏板迅速踩下,以求最大制动减速度,尽快使车停下。
汽车制动器的效能在车轮抱死时大为下降,有关原理在介绍电子防抱死(ABS)时说明。汽车行驶时如果仅仅需要稍稍减速时———有经验的驾驶员在交
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