行驶阻力及影响因素-汽车工程应用力学

汽车在水平道路上直线等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力F_f和来自空气的空气阻力F_w；当汽车在坡道上作直线上坡行驶时，还必须克服重力沿坡面的分力，即坡度阻力F_i；汽车直线加速上坡行驶时，又还需要克服加速阻力F_j。如此看来，若汽车在坡道上作加速直线行驶，以上四种阻力全兼有之，即它的总阻力为

∑F=F_f+F_w+F_i+F_j

上述四种阻力中，滚动阻力和空气阻力始终作用于行驶的汽车上，而坡度阻力和加速阻力仅在相应的行驶时才存在。汽车下坡时，坡度阻力F_i为负值，它已不再是汽车行驶的阻力，而是一种动力（推力）；汽车进行制动减速时，加速阻力F_j亦为负值，减速惯性力成为汽车欲保持前进的动力。

1.滚动阻力

车轮在路面上滚动时，由于路面与轮胎相互间的作用力引起了轮胎接触部位相应的变形，这种变形消耗了做功的能量而产生了滚动阻力。若路面平坦不变形，则滚动阻力仅由轮胎的变形而引起；若路面和轮胎均变形，则滚动阻力则由双方变形而引起；若路面和轮胎均不变形，则滚动阻力不存在。可以想象，当人们用人力推车时，轮胎越缺气推车越费劲，这是轮胎变形大而引起滚动阻力大的缘故；反之亦然。轮胎充气压力对滚动阻力（系数）的影响如图2-23所示。至于滚动阻力产生的机理可详见第1章中的内容。

汽车在水平硬路面上直线行驶的滚动阻力可由下式表示

F_f=Wf （2-5）

式中 W——车轮负荷（N）；

f——滚动阻力系数。

滚动阻力系数是车轮滚动时所需推力与车轮负荷之比，亦即单位汽车重力所需的推力。汽车在某些路面上以中、低速行驶时，滚动阻力系数的大致数值如表2-7所示。滚动阻力系数的影响因素请详阅第1章中的内容。

图2-23 轮胎充气压力对滚动阻力的影响

表2-7 各种不同性质路面的滚动阻力系数

2.空气阻力

空气阻力亦称气动阻力，是因空气流动所产生的作用力。

汽车在空气介质中穿行，相当于静止的汽车被等速的气流迎面吹动一样，汽车正面所受到的空气作用力称为空气阻力。

空气阻力由压差阻力、干扰阻力、内流阻力、诱导阻力和摩擦阻力等五部分组成。

（1）压差阻力 压差阻力是由于运动汽车迎风面前、后所形成的压力差而产生的。它是空气阻力中最大的一部分，其约占58%。压差阻力取决于车身的形状，所以压差阻力也称形状阻力。

（2）干扰阻力 干扰阻力是指车身表面的凸起附件以及槽缝所引起的气流干涉而产生的阻力，其约占空气阻力的13%。这些凸起物以及槽缝诸如后视镜、外门把手、落水槽、车门缝、刮水片、收音机天线、挡泥板、轮胎、悬架导向杆、驱动轴等。

（3）内流阻力 内流阻力是指发动机室、乘员室等空间因需要空气流通而产生的阻力，其约占空气阻力的12%。开着车窗玻璃行驶会加大乘员室的内流阻力，因其具有降落伞效应。

（4）诱导阻力 诱导阻力是指汽车所受到的实际空气升力合力在水平方向上的分力，其约占空气阻力的7%。诱导阻力是伴随着气动升力一起产生的，有气动升力必有诱导阻力，形成于汽车后背。实际的空气升力合力并不是垂直向上，而是斜向后上方。

（5）摩擦阻力 流动着的空气具有粘性，粘性的作用使得空气与汽车车身表面之间产生摩擦切向应力，从而产生摩擦阻力。摩擦阻力约占空气阻力的10%。汽车的气动摩擦阻力好比水中穿行的潜艇表面与水之间所产生的摩擦阻力一样。摩擦阻力的大小与车身表面的形状、光滑粗糙程度有关。

在进行汽车动力性计算时，把空气阻力看成是一整体的阻力，其作用于风压中心上。风压中心与汽车质心并不重合，一般位于质心之后。风压中心的高度对汽车高速行驶的稳定性有很大影响。

在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压强成正比例的形式来表达，即F_w=动压强×迎风面积×空气阻力系数，亦即

式中 C_D——空气阻力系数；

A——汽车迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积（m²）；

ρ——空气密度（一般ρ=1.2258N·s²·m^-4）；

u_r——汽车与空气的相对速度，在无风时即为汽车行驶速度u_a（m/s）。

空气阻力系数C_D主要取决于车身形状。空气阻力系数的物理意义是单位气流动压力在汽车每平方米迎风面积上所产生的空气阻力。C_D数值通常通过风洞试验测得。

若在无风时，相对速度u_r即为车速u_a。若u_a以km/h来表示，则式（2-6）的空气阻力可写为

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式（2-7）表明，空气阻力与汽车相对速度u_r的平方成正比，相对速度越高，空气阻力越大；空气阻力还与空气阻力系数C_D和迎风面积A成正比。C_D和A值取决于汽车的外形的流线程度。欲想减小空气阻力，由于A值受到装载或乘坐空间利用的限制，很难进行大幅减小，因此通过合理地设计汽车外形来降低空气阻力系数C_D是减小空气阻力的主要手段。世界各大汽车公司都致力于设法降低C_D值。目前世界轿车的平均空气阻力系数已降到0.30～0.40，一些先进气动布局的汽车，空气阻力系数已降至0.15～0.20。

汽车迎风面积指汽车在其纵轴的垂直平面上投影的面积。这面积可直接在投影面上测得，亦常用汽车的轮距与高度之乘积来近似表示。此近似值，对轿车来说通常比实际面积大5%～10%，而对货车则通常小5%～10%，计算时可加以修正。

尽可能使气流在最小的横截面部位分离，可以得到最小的阻力面积。这个气流分离轮廓线所构成的截面的投影面积称为基面。

3.坡度阻力

当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道面的分力构成汽车坡度阻力，如图2-24中的F_i所示。坡度阻力F_i与汽车重力G及坡度角α的关系为

当道路坡度较大时，道路坡度常用坡高与底长的百分比来表示，即

图2-24 汽车的坡度阻力

当道路坡度较小时，坡道长近似于底长，坡度又可表示为

汽车上坡时，汽车重力垂直于坡面的分力为Gcosα，故这时汽车的滚动阻力为

F_f=fGcosα

由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力，而且均与汽车重力成正比关系，故可把这两种力合称为道路阻力Fψ，用式（2-10）表示

令fcosα+sinα=ψ

ψ称为道路阻力系数，表示单位车重的道路阻力。当α较小时，ψ=f+i，故

Fψ=Gψ （2-11）

根据我国的公路路线设计规范，高速公路的平原微丘区最大纵坡为3%，山岭重丘区为5%；一级汽车专用公路的平原微丘区最大坡度为4%，山岭重丘区为6%；一般四级公路的平原微丘区为5%，山岭重丘区为9%。这些常规道路的坡度均较小，所以，其坡度阻力为便于计算，可用式（2-9）直接计算。

4.加速阻力

汽车在平直路上制动减速时，直立在车上的人会产生前俯趋势，这是减速惯性力作用的缘故。汽车在平直路上加速时，直立在车上的人会产生后仰趋势，这是加速惯性力作用的缘故。因为加速惯性力方向与行驶方向相反，所以加速惯性力被看成加速阻力。人是汽车整体的一部分，因此可以联想：汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，这个加速惯性力称为加速阻力，用F_j表示。

汽车参与加速运动的质量分为两部分：即平移质量和旋转质量。加速时，不仅要克服汽车平移质量所产生的惯性力F_j1，同时还要克服旋转质量（主要是指发动机飞轮和所有轮胎）所产生的惯性力偶矩。为便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩等效转换为平移质量惯性力F_j2。这样，汽车加速阻力可以表示为

式中 δ——计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数，δ>1；

m——汽车质量（kg）；

——汽车加速度（m/s²）。

汽车的旋转质量只考虑发动机飞轮（带离合器）和所有车轮。

δ的数值可根据试验测出旋转部件的转动惯量后计算而得到，它主要与车型有关。在进行汽车动力性初步计算时，对于一般汽车在满载情况下，δ值可用下式计算

δ≈1.04+0.04i²_g

式中 i_g——变速器传动比。