汽车力学

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qiche lixue
汽车力学
mechanics of motor vehicle

   研究汽车运动规律的学科。汽车的可能行驶状态，如直线、曲线、上下坡、等速或加减速运动等均属力学研究的内容。但汽车结构中有轮胎、悬架系等弹性部分，运动的自由度较多，而轮胎与地面接触处的附着和摩擦等机理尚未充分探明等，所以这一学科尚带有半经验的性质。有的国家称为“汽车性能预计”，有的国家和中国的某些教科书中称“汽车理论”。这两个概念，包括汽车燃料经济性、通过性等部分，范围较汽车力学为广。
   汽车力学所研究的汽车运动有 3个主要方面：①汽车直线行驶时的加速、减速（包括制动）的驱动力与阻力间的关系；②汽车在曲线行驶或直线行驶受到侧向力干扰时的方向稳定性；③道路或其他原因引起的汽车振动，主要是汽车的垂直振动。
   汽车的直线行驶  汽车发动机的扭矩经过传动系变换(一般是倍增)后,传到车轮,在轮缘处产生切向力。地面对此切向力的反作用力，即是推动汽车前进的驱动力F。F与汽车运动时的阻力 FR平衡。FR包括轮胎滚动阻力F、空气阻力FA、爬坡阻力FS和加速运动阻力FO,有时将F-(F+FA+FS)＝FD称为后备驱动力,即可以用以使汽车产生加速度的驱动力。汽车的动力性如最高车速、加速性能和爬坡度等，都决定于驱动力跟相关的阻力之间的差值。
   轮胎滚动阻力  F=W，式中W为作用于轮胎上的垂直负荷，为轮胎的滚动阻力系数,F主要是由于轮胎和道路的变形所消耗的功引起的。 值随轮胎直径的减小和变形量的增大而加大，它还与道路的路面状态和材料有关。车速与载荷提高时，或轮胎气压降低时，滚动阻力增加。子午线轮胎的滚动阻力比斜交帘线轮胎最多可减小1/3左右。
   空气阻力  FA＝0.5[p]A(+)(，式中[p]为空气密度，可取1.202千克／米(；为空气阻力系数，其值取决于车身的外形和车身外部附件的形式和布置，因此各车型的值可能相差很大,甚至相差一倍；A为汽车正面投影面积（米(）；为迎面风速（米／秒）；为车速（米／秒）。
   坡度阻力  FS=Gsin≈Gtg≈G，式中 G为汽车总重（千克）；为坡度角；为坡度。
   加速运动阻力　[596-01]，式中 G为汽车总重（千克）；重力加速度＝9.8米／秒(；[596-02]为汽车加速度；为汽车的旋转质量换算系数,＞1，它与发动机和传动系的旋转零件和车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。
   习惯上用图示的曲线（见图[汽车驱动力和阻力平衡图]）表示汽车驱动力和阻力的平衡。例如汽车用二档时可以车速1爬上15％的坡。
   汽车的曲线行驶  汽车在转弯或在直道上遇到侧向干扰力（如斜坡、侧风）时即作曲线行驶。曲线行驶时所产生的侧向加速度，会影响汽车的方向稳定性。如果汽车的行驶轨迹反着作用力的方向偏移或有自动回正的倾向，那么汽车具有“不足转向”，其行驶方向是稳定的。反之，即为不稳定的“过度转向”。对汽车的要求是具有轻微的“不足转向”的特性,直到其最高车速,还能保持这个特性。
   汽车在弯路上行驶时，其方向稳定性跟车速和轮胎与地面的附着系数有关。在没有侧坡的道路上，汽车转弯的离心力过大会导致汽车侧向滑移，所以在弯道处的路面常是内侧低、外侧高。转弯时，离心力作用于汽车重心，使汽车横向摆动，称为横摆。横摆的程度与悬架角刚度、离心力力臂（重心与横摆轴线之间的距离）尺寸有关。横摆轴线的位置依汽车的前后悬架的形式而定。大部分汽车横摆轴线位于重心之下，两者靠得越近，横摆的倾向就越小。
   当遇到侧向风时，汽车行驶的稳定性受风压中心位置和风力大小的影响，如汽车重心位置在风压中心之后，侧向风就有使汽车偏离行驶路线的倾向。为了提高汽车的方向稳定性，侧向风压中心应尽量靠近汽车重心。
   汽车的振动  汽车的车轮和悬架都是有阻尼的弹性元件和系统，这些元件和系统使汽车成为多自由度的振动系统。由于车速不断提高，振动随之加剧。振动不但影响汽车的平顺性，也影响汽车的方向稳定性和零部件的寿命。
   汽车的行驶路面都有程度不同的不规则性，道路所引起的汽车振动是随机性的，需要用随机振动理论处理。
   汽车行驶时，一侧的车轮常先后越过路面的同一凸起或凹陷部分，不同侧的车轮可能作同相位的振动，但多数情况下并不如此。因此，汽车是一个复杂的随机振动系统，这种随机振动常使汽车作纵向、横向或垂直的颠簸、摆动和振动。
   汽车发动机的燃烧不均匀性和惯性力以及传动系旋转零部件和车轮的不平衡，也引起各部分的振动。因此，减少振动和由此而引起的噪声是汽车力学的研究课题之一。
　　　　　　　　　　　　　　　　　盛景方