第二节 汽车的驱动力与行驶阻力     本节要研究汽车直线驱动行驶时，整车会受到哪些与行驶方向相同（即，切向）的外力。如果该力向前，则是驱动力；如果向后，则是行驶阻力。     汽车的车速、爬坡和加速能力，都与驱动力和行驶阻力有关。     一、 汽车的驱动力     很显然，对汽车来说，驱动力只能来自路面给驱动轮的推力。而该力的来源是发动机输出的动力。     发动机输出转矩，经传动系传动至驱动轮，得到驱动力矩，该力矩由地面切向反力平衡，就是驱动力。

得驱动力。可见，

驱动力与发动机转矩、变速器传动比、主减速器传动比、传动系的机械效率和车轮半径 r 等因素有关。     下面依次讨论各参数：     1. 发动机的转速特性     所谓“转速特性”，就是发动机转矩、功率（以及燃油消耗率）等工作参数随转速变化的规律。     分析动力性问题时，力求动力最大化，就要利用发动机的“外特性”，即发动机节气门全开（或者高压油泵在最大供油量位置）状况下的转速特性。     如下图，就是一款典型汽油机的外特性曲线。

由图可见，当节气门全开时，发动机输出的转矩和功率都随转速变化。     另外，带上全部附件设备时的发动机特性曲线，称为使用外特性曲线（见下图）。由于扣除了附件的消耗，使用外特性的输出比外特性略小。     而在初步分析动力性时，不必过多考虑二者的区别，统称“外特性”。

2. 传动效率     传动系统的机械效率，就是传动系的输出功率与出入功率之比。因为传动系的各主要部件—变速器、万向传动装置和驱动桥等存在功率损失，输出功率（驱动轮输出功率）小于输入功率（发动机功率），即传动效率小于1。     传动效率的具体数值，取决于汽车传动系的类型、技术状况和当前挡位。

在做一般性分析时，常认为对于给定车辆而言传动效率是常数。（也就是不考虑车速、挡位和保养状况等差异）     3. 车轮半径     车轮处于不同的工况，以及分析目的不同，其半径有三个不同的定义。     自由半径：车轮处于无载时的半径。显然正常行驶的车轮不会有自由半径。     静力半径：汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面间的距离。     滚动半径：车轮几何中心到速度瞬心的距离。也就是说按滚动距离和滚动圈数换算得到的半径。     严格来说，进行动力学分析要利用静力半径，进行运动学分析要利用滚动半径。但对于一般性分析来说，常不计二者的区别而统称车轮半径r。     4. 汽车的驱动力图     已论证，汽车的驱动力和发动机的转矩之间存在，而简 单的运动分析又可得知汽车的速度和发动机转速之间存在。     （其中，车速单位为km/h，转速单位为转/分钟。）     则可将驱动力和车速的关系，按不同挡位画在同一张坐标上，得到汽车的驱动力图：

很显然，驱动力图的普遍规律是：低速挡的驱动力大、高速挡的速度区间高。     二、 汽车的行驶阻力     汽车的行驶阻力分别来自轮胎在路面上滚动时的滚动阻力、车身相对空气运动产生的空气阻力、克服道路坡度的坡度阻力和用于自身加速的加速阻力。即总的行驶阻力。     1. 滚动阻力     首先必须明确的是，滚动阻力的产生机理是由于橡胶材料的变形、而不是轮胎表面相对于地面的摩擦，所以正规称呼是“滚动阻力”、而不是“滚动摩擦”。     橡胶材料（或者其他弹性材料）自身都有“弹性迟滞”，即，相同的变形量下，压缩时的弹力大、复原时的弹力小。如图所示：

可见，从O点经C到达A的加载过程中，弹力大，也就是做的负功多；从A点经D点返回O点的卸载过程中，弹力小，也就是做的正功少。一个循环内必然要损失一部分机械能（图中以黄色面积代表）。     因此，当此材料制成的轮胎在路面上连续滚动时，必然要求外界不断输入能量补偿弹性迟滞的能量损失，也就是体现为一个“滚动阻力”。     滚动阻力的详细受力分析是比较繁琐的，而且驱动轮和从动轮的受力关系也不同。但是其定量计算很简单：无论对于驱动轮还是从动轮，受到的滚动阻力都是，G是车轮负荷，f就是滚动阻力系数。     对于整车，则有     f是滚动阻力系数，G是整车的重力。     滚动阻力系数f与轮胎结构、气压、道路状况和车速等有关。一般性分析时，认为f仅取决于道路状况。在常见的沥青或混凝土路面上，滚动阻力系数f大致在0.01-0.02之间。     2. 空气阻力     汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力称为空气阻力。     空气阻力的构成和机理分析比较复杂，涉及到空气动力学知识和车身几何设计。这里不详细介绍。     在定量计算中，其大小为，其中     —空气阻力系数；     A—迎风面积（m2）；     Ua—汽车速度（km/h）；     可见，减小迎风面积和降低空气阻力系数，有助于减小空气阻力，是汽车车身设计的重要任务。     3. 坡度阻力     坡度阻力Fi就是重力沿坡道向下的分量，很显然Fi=Gsinα。

一般道路的坡度都不大，sinα≈tanα，而tanα就是坡度i，所以Fi=Gi。     4. 加速阻力     汽车加速行驶时，克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力Fj。     汽车加速时，不仅平移质量（即整车质量）要加速，而且旋转质量（主要是车轮和发动机飞轮）也要加速，所以加速阻力比整车平移质量的惯性力要大。为此，引入旋转质量换算系数δ来计算加速阻力：     其中，m—汽车质量（kg）     —汽车的加速度（m/s2）     旋转质量换算系数，     即旋转质量换算系数δ取决于飞轮的转动惯量、所有车轮的转动惯量和传动系传动比。     三、 汽车行驶方程式     将“驱动力=行驶阻力”展开，即得到汽车行驶方程式：

而当坡度不大时，可以近似为：

这个方程是汽车动力学分析的理论基础。