2.5　汽车的行驶原理

汽车作为道路交通工具在行驶时遵循物体的运动学和动力学规律，但由于汽车在结构和行驶原理上具有特殊性，因此汽车在道路上的运动也具有一定的特殊性。

2.5.1　汽车行驶的驱动力与行驶阻力

汽车在行驶中受到的各种力如图2.34所示。其中，道路坡角α，Fz1、Fz2为作用在前后轮上的地面法向反作用力，Fx1、Fx2为作用于前后轮上的地面切向反作用力，Tj1、Tj2为作用在前后轮上的惯性阻力偶矩，Tf1、Tf2为作用在前后轮上的滚动阻力偶矩，Fw为汽车受到的空气阻力，hg为质心高度，hw为空气阻力作用线距地面高度。

1. 汽车的驱动力Ft

汽车在各种道路条件下能够实现由静止到运动，由低速行驶到高速行驶，必须有外力来驱动汽车加速前进，这个外来的驱动力是通过轮胎与地面之间的附着关系产生的。当发动机输出的转矩，经过离合器、变速器、万向传动轴、主减速器传动到驱动轮，通过轮胎与地面的接触区域产生轮胎地面向后的推力，但是由于路面坚固、质量巨大，轮胎接地部分无法推动路面向后运动，根据作用力与反作用力定律可知，路面便产生一个作用于轮胎的力，此即为驱动汽车的外力，此外力称为汽车的驱动力Ft。图中Ft为地面作用于驱动轮的切向反作用力Fx2。

式中，Tt为作用于驱动轮上的转矩（N·m）；r为轮胎半径（m）。

2. 汽车的行驶阻力F

汽车在行驶中除了受到驱动力之外，还受到一系列阻碍汽车前进的外力，这些阻碍汽车前进的外力，统称为汽车的行驶阻力。行驶阻力一般包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力四类阻力，即

（1）滚动阻力Ff

滚动阻力由轮胎滚动时轮胎与路面发生变形而产生的，由式（2-50）可知

式中，Fz为轮胎载荷（N）或地面法向反力；f为滚动阻力系数。滚动阻力系数与轮胎结构、轮胎气压、车速和路面性质等有关。

（2）空气阻力Fw

汽车行驶时受到空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力由压力阻力与摩擦阻力两部分组成。

压力阻力是空气作用在汽车外表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力。摩擦阻力是由于空气的黏性而在车身表面产生的摩擦作用的阻力。影响空气阻力的因素主要有汽车形状、迎风面积和车速。

式中，CD为空气阻力系数；ρ为空气密度，一般取值为1.225 8kg/m3；A为汽车迎风面积；v为汽车行驶速度。

（3）坡度阻力Fi

当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力，从作用效果上看是汽车行驶中的一个阻力，称为汽车坡度阻力；当汽车下坡时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车行驶的动力。

式中，G为汽车重力，G=mg（N）；α为坡度角。

道路的坡度i以坡高h与底长s之比来表示，即

i=h/s=tanα

《公路工程技术标准》（TJG B01—2014）规定，高速公路平原微丘区最大坡度为3%，山岭重丘区为5%；一般四级路面山岭重丘区最大坡度为9%。当坡度不大时，cosα≈1，sinα≈tanα=i，则有

（4）加速阻力Fj

汽车加速行驶时，需要克服汽车的惯性力，惯性力的方向与加速度方向相反，构成了加速阻力Fj。汽车质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时不仅平移质量产生惯性力，旋转质量也会产生惯性力偶矩，其方向与加速旋转方向相反。为了分析问题方便，将旋转惯性力偶矩转化为平动惯性力，并以δ作为转换系数。因此，汽车加速阻力为

2.5.2　汽车行驶方程及驱动条件

1. 汽车行驶的动力方程

汽车行驶过程中受到驱动力和行驶阻力，两者的关系决定汽车的运动状态。但是，无论在任何状态，汽车受到的驱动力和受到的行驶阻力都是平衡的，即有

当汽车驱动力等于滚动阻力、空气阻力和坡度阻力之和时，汽车匀速行驶；当驱动力大于滚动阻力、空气阻力和坡度阻力之和时，汽车才能起步或加速行驶；当驱动力小于滚动阻力、空气阻力和坡度阻力之和时，汽车无法起步或减速行驶。

2. 汽车行驶的驱动条件

当汽车由静止状态需要起步或加速时，汽车驱动力必须不小于滚动阻力、空气阻力和坡度阻力之和，此即为汽车行驶的驱动条件，又称为汽车行驶的充分条件，即

3. 汽车行驶的附着条件

地面对轮胎的切向反作用力的极限值称为轮胎与地面的附着力，常以Fϕ表示。它与驱动轮法向反作用力Fz成正比。

Fϕ=Fzϕ

式中，ϕ为附着系数。

要想汽车能够正常行驶，汽车通过传动系统产生的驱动力要大于汽车受到的行驶阻力，但满足该条件也不一定保证汽车能够行驶。当汽车在冰雪、泥泞的道路上行驶时，发动机通过传动系统可以产生足够大的驱动力，但由于地面光滑，路面附着条件差，依然不能推动汽车前进。因此，要确保汽车能够行驶，只保证驱动力大于行驶阻力是不够的，还必须确保路面的附着力大于汽车的驱动力，这样才不至于使汽车轮胎打滑，此即为汽车行驶的必要条件，即

因此，汽车行驶时必须同时满足驱动条件和附着条件，即为汽车行驶的充分必要条件。