汽车理论
第二讲
主讲教师：杨志华
学时：48
第一章 汽车动力性
第二节
汽车的驱动力与行驶阻力
本节重点计算并分析汽车行驶过程中的
驱动力和行驶阻力。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
一、驱动力Ft
ua
驱动力Ft：发动机产
生的转矩经传动系传到
驱动轮，产生驱动力矩
Tt
Tt，驱动轮在Tt的作用
下给地面作用一圆周力
F0，地面对驱动轮的反
作用力Ft即为驱动力。
r
Ft
F0
3
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
一、驱动力Ft
ua
Tt
Ft 
r
Tt—驱动力矩；
Tt  Ttq ig i 0T
Tt
Ttq —发动机转矩；
ig—变速器传动比；
i0—主减速器传动比；
ηT—传动系的机械效率。
Ft 
Ttq ig i 0T
r
Ft
F0
r
4
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
由
Ft 
Ttqig i 0 T
可知
r
Ft 与发动机转矩Ttq、变速器传动比 ig、主减
速器传动比 i0、传动系的机械效率ηT 和车轮半径 r
等因素有关。
思考
能否解释为什么汽车低挡的加速能力好于高挡？
5
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
计算驱动力是为了确定汽车的动力性指标，也即要找出
驱动力和车速的关系。
驱动力和车速都与发动机特性有直接关系，可以通过发
动机特性曲线找出驱动力与车速之间的关系。
发动机
Ft
ua
6
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
1.发动机的转速特性
发动机的转速特性，即Pe、Ttq和b与n的关系曲线。
外特性曲线
节气门开启程度的不同
部分负荷特性曲线
思
考
计算汽车动力性指标时，需要用什么特性曲线？
7
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
外特性：节气门全开时,
发动机转矩Ttq和功率Pe
与转速n的关系。
Pe 
Ttq n
9550
对于动力性分析而言，
讨论的是汽车的最大运
动能力，所以发动机特
性都按外特性确定。
8
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
发动机转速特性曲线
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
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。一般，使用外
特性与外特性相比：
汽油机的最大功率约小
15%；
货车柴油机的最大功率
约小5%；
轿车与轻型货车柴油机
的最大功率约小10%。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
2.传动系的机械效率ηT
Pin  PT
T 
Pin
Pin—输入传动系的功率；
PT－传动系损失的功率。
等速行驶时
Pin  Pe
Pe  PT
PT
T 
1
Pe
Pe
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
思考
传动系损失的功率PT主要与哪些因素有关？
转矩
机械损失
Ttq大 损失大
损失的比重小
ηT高
齿轮对数
齿轮对数少
PT
损失小
ηT高
直接挡ηT最高
润滑油品质
温度
液力损失
过高，搅油损失大
油面高度
过低，热容量小
转速
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
表1-1 传动系各部件的传动效率
部件名称
ηT
4～6 挡变速器
95%
辅助变速器（副变速器或分动器）
95%
8 挡以上变速器
90%
单级减速主减速器
96%
双级减速主减速器
92%
传动轴的万向节
98%
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
3.车轮半径
自由半径：车轮处于无载时的半径。
静力半径rs：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rr：车轮几何中心到速度瞬心的距离。
上述三个术语的含义和应用范围均有不同，但在一般
性分析、计算时，通常不计它们的差别，统称为车轮
半径，符号记做r。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
4.汽车的驱动力图
依据下面两式
Ft 
Ttqigi 0 T
r
其中Ttq来自发动机外特性曲线
nr
ua  0.377
ig i 0
做出的Ft - ua关系图，即驱动力图。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
Ft 
Ft1
Ttqig i 0 T
r
nr
ua  0.377
igi 0
Ft 2
Ft 3
Ft 4
Ft 5
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
二、汽车的行驶阻力
思考
滚动阻力Ff
汽车在行驶过程中将会遇到哪些行驶阻力？
如何保证汽车可以加速或爬坡？
空气阻力Fw
汽车行驶总阻力
F
坡度阻力Fi
加速阻力Fj
 Ff  Fw  Fi  Fj
需要注意的是，这四种阻力并不一定同时存在。比如，
汽车在水平路面上匀速行驶时，就没有坡度阻力和加速
阻力，即，上式中的Fi和Fj都等于0。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
1.滚动阻力Ff
轮胎变形
硬路面上
产生滚动阻力的主要原因
思考
软路面上
轮胎变形和路面变形
轮胎变形为什么会产生滚动阻力？
轮胎的迟滞损失：轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸
载恢复时不能完全收回，一部分能量消耗在轮胎内部摩擦
损失上，产生热量，这种损失称为轮胎的迟滞损失。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
ua
n
加载变形区
思
考
n'
卸载变形区
由轮胎的迟滞损失图看，在轮胎径向变形相同的情况下，
地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等？
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
1）从动轮受力分析
FZ
n
ua
W

d
d'
FX 1
O
n'
n
ua
r
Fp1
a
n'
D
E

FX 1
F
h
n
ua
W
FZ
C
FZd
FZd’
Fp1
A
W
Fp1
FZ
FZ
Tf
FX 1
n'
20
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
n
ua
Tf  FZ a
W
Fp1r  Tf
FZ
Tf
a
Fp1   FZ
r
r
a
令 f 
r
f—滚动阻力系数
Fp1  Wf
Ff  Wf
f 
a
r
FX 1
n'
n
ua
W
Fp1
Fp1
FZ
W
Tf
Ff 
r
Fp1
Tf
FX 1
n
'
即，对于从动轮而言，滚动阻力就是地面给
车轮的阻力。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
2）驱动轮受力分析
FX 2 r  Tt  FZ a
ua
 Tt  Tf
FX 2
Tt Tf
 
r r
W
Fp2
Tt
FX 2
a
FZ
r
 Ft  Ff
即 路面真正作用于驱动轮的切向力FX2比驱动
力Ft要小，其差异就是滚动阻力。
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对于汽车性能分析而言，我们无需细究驱动轮
和从动轮的不同受力状况，而只需要知道整车
受到的总的滚动阻力：
Ff=Gf
G—整车重力；
f—滚动阻力系数。
其中，滚动阻力系数f是一个很重要的参数。它的大小，和轮
胎结构、轮胎气压、法向载荷、行驶车速和道路条件等因素有
关。在一般性分析、计算中，常认为在确定车辆和路面的条件
下，滚动阻力系数是常数。
比如，普通轮胎在正常充气压力下，在常见的沥青或混凝土路
面上，滚动阻力系数大约在0.012-0.018范围内。
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
3）具体影响因素
（1）车速 ua
ua高  f 大
货车
f=0.0076+0.000056ua
轿车
 ua 
 ua 
f  f 0  f1 
  f4 

 100 
 100 
4
24
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
（2）轮胎结构
子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20%～30％；
滚动阻力与轮胎的帘线（棉、人造丝、尼龙、钢丝）
和橡胶品质有关。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
（3）气压
气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小，
滚动阻力也越小。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
（4）路面条件
表1-2 滚动阻力系数 f 的数值
路面类型
由轮胎
与土壤之
间的粘着
性所致
滚动阻力系数
良好的沥青或混凝土路面
0.010~0.018
一般的沥青或混凝土路面
0.018~0.020
碎石路面
0.020~0.025
良好的卵石路面
0.025~0.030
坑洼的卵石路面
0.035~0.050
压紧土路
干燥的
0.025~0.035
雨后的
0.050~0.150
泥泞土路（雨季或解冻期）
0.100~0.250
干沙
0.100~0.300
湿沙
0.060~0.150
结冰路面
0.015~0.030
压紧的雪道
0.030~0.050
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
本讲内容到此结束
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汽车理论
第三讲
主讲教师：杨志华
学时：48
对于汽车性能分析而言，我们无需细究驱动轮
和从动轮的不同受力状况，而只需要知道整车
受到的总的滚动阻力：
Ff=Gf
G—整车重力；
f—滚动阻力系数。
其中，滚动阻力系数f是一个很重要的参数。它的大小，和轮
胎结构、轮胎气压、法向载荷、行驶车速和道路条件等因素有
关。在一般性分析、计算中，常认为在确定车辆和路面的条件
下，滚动阻力系数是常数。
比如，普通轮胎在正常充气压力下，在常见的沥青或混凝土路
面上，滚动阻力系数大约在0.012-0.018范围内。
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
二、汽车的行驶阻力
2.空气阻力F
W
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。
（1）压力阻力（占91％）
作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向
上的分力。
31
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
1）形状阻力
取决于车身主体形状。
32
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
2）干扰阻力
车身表面的凸起物引起的阻力。
后视镜
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
后视镜
后视镜设计
也要注重流线形
34
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
后视镜
35
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
门把手
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
悬架导向杆和传动轴
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
3）内循环阻力
满足冷却、通风等需要，使空气流经车体内部时构成的阻力。
4）诱导阻力
空气升力在水平方向的投影。
由于流经车顶的气流速
度大于流经车底的气流速度，
使得车底的空气压力大于车
顶，从而空气作用在车身上
的垂直方向的压力形成压差，
这就是空气升力。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
打开天窗换气时，天窗上
方的压力低于车内的压力。
思
考
打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？
夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油？
（2）摩擦阻力（9％）
由于空气粘性作用在车身表面产生的切向力的合力
在行驶方向的分力。
39
第二节 汽车的驱动力与
行驶阻力
（3）空气阻力FW的计算
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。（也就是我们常说的“风阻”。）
空气阻力的计算：
其中，
CD Aua2
Fw 
21.15
[N]
CD—空气阻力系数；
A—迎风面积（m2）；
Ua—车速（km/h）。
需要注意，上式必须按指定的单位计算，得到的空气
阻力Fw单位就是N。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
减小CD值要遵循的要点总结如下：
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
未来轿车的外形
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
在现代汽车设计中，通过降低空气阻力系数来提高车
辆的动力性（和燃油经济性）是非常重要的。下面是
一些常见车型的空气阻力系数。
车型
空气阻力系数CD
帕萨特
0.28
奥迪A4
0.28
现代
0.29
奔驰C级
0.26
奔驰S级
0.27
保时捷
0.31
陆虎览胜
0.38
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
3.坡度阻力Fi
汽车重力沿坡道的分力。
Fi  G sin 
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
一些常见路面的坡度
路面
imax
高速公路平原微丘区
3%
高速公路山岭重丘区
5%
一级汽车专用公路平原微丘区
5%
一级汽车专用公路平原重丘区
6%
四级公路平原微丘区
6%
四级公路平原重丘区
9%
一般道路的坡度均较小。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
sin   tan   i
Fi  G sin   G tan   Gi
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
道路阻力
滚动阻力和坡度阻力之和。
Fψ  Ff  Fi  Gf cos   G sin 
一般道路  较小，
cos ≈1，sin  ≈i
Fψ  Gf  Gi  G( f  i )
令f+i= ψ ， ψ为道路阻力系数
Fψ  G
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
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。
平移质量的惯性力
旋转质量的惯性力偶矩
du
Fj  m
dt
δ—旋转质量换算系数
2 2
I
i
I
 1   w  1  f g i0T
  1   2   
2
m
r
m
r
 
 
IW —车轮转动惯量；If—飞轮转动惯量。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
挡位不同，δ值不同
49
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
总质量不同，δ值不同
总质量越小的车，旋转质量换算系数值越大。
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旋转质量换算系数δ大于1，这是考虑到汽车加速时，不仅整车质量
要平移加速，飞轮和车轮等旋转质量也在加速，所以加速阻力比仅
有平移质量m时要大些。
同一汽车，传动比越大， δ越大。（即，低挡的旋转质量换算系数大。）
旋转质量换算系数的具体推导比较复杂，基本思想如下：
当车辆加速时，发动机（曲轴）输出功率不会完全转化为传动系
输入功率，飞轮会扣除一部分用于自身加速，即，作用在驱动轮
上的实际驱动力比名义驱动力 Ft 
Ttqig i 0 T
r
小。
而为了使车轮加速旋转，驱动轮和从动轮都不能再保持力矩平衡，
而需要一个向前旋转的合力矩，为此，地面需要给车轮一个“额
外”的切向反力，方向向后。
即，加速时，车轮获得的推力减小，而阻力增大。所以加速度前
面要乘以一个大于1的旋转质量换算系数。其基本思想是“加速度
变小了”。
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第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
三、汽车行驶方程式
Ft  Ff  Fw  Fi  Fj
Ttqigi 0T
r
CD A 2
du
 Gf cos  
ua  G sin    m
21.15
dt
cos   1
Ttq ig i 0T
r
sin   tan   i
CD A 2
du
 Gf 
ua  Gi   m
21.15
dt
52
第二节 汽车的驱动力与行驶阻力
本节内容结束
下一节
53