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五、汽车行驶的基本原理

欲使汽车行驶,必须对汽车施加一个驱动力以克服各种阻力。在汽车等速行驶时,其阻力由滚动阻力、空气阻力和上坡阻力组成。

滚动阻力主要是由于车轮滚动时轮胎与路面变形而产生。弹性车轮沿硬路面滚动,路面变形很小,轮胎变形是主要的;车轮沿软路面(如松软土路、沙地、雪地等)滚动,轮胎变形较小,路面变形较大。

此外,轮胎与路面以及车轮轴承内都存在着摩擦。车轮滚动时产生的这些变形与摩擦都要消耗发动机一定的动力,因而形成滚动阻力,以Ff表示,其数值与汽车的总重力、轮胎的结构和气压以及路面性质有关。

汽车行驶时,需要挤开其周围的空气,汽车前面受气流压力并且后面形成真空,产生压力差,此外还存在着各层空气之间以及空气与汽车表面的摩擦,再加上冷却发动机、室内通风以及汽车表面外凸零件引起的气流干扰等,就形成空气阻力,以Fw表示。空气阻力与汽车的形状、汽车的正面投影面积有关,特别是与汽车——空气的相对速度的平方成正比。当汽车高速行驶时,空气阻力的数值将显著增加。

汽车上坡时,其总重力沿路面方向的分力形成的阻力称为上坡阻力,以Fi表示,其数值取决于汽车的总重力和路面的纵向坡度。上坡阻力只是在汽车上坡时才存在,但汽车克服坡度所做的功并未白白地耗掉,而是以位能的形式被贮存。当汽车下坡时,所贮存的位能又转变为汽车的功能,促使汽车行驶。

为了克服上述阻力,汽车必须有足够的驱动力。发动机经由传动系在驱动轮上施加一个驱动力矩Mt,力图使驱动轮旋转。在Mt作用下,在驱动轮与路面接触之处对路面施加一个圆周力Fo,其方向与汽车行驶方向相反,其数值为Mt与车轮滚动半径Rr之比:Fo=Mt/Rr

由于车轮与路面的附着作用,在车轮向路面施加力Fo的同时,路面对车轮施加一个数值相等、方向相反的反作用力Ft,Ft就是汽车行驶的驱动力。

当驱动力增大到足以克服汽车静止时所受的阻力时,汽车开始起步行驶。汽车起步后,其行驶情况取决于驱动力与总阻力之间的关系。总阻力等于上述各项阻力之和:∑F=Ff+Fw+Fi当总阻力∑F等于驱动力Ft时,汽车将匀速行驶。

当总阻力∑F小于驱动力Ft时,汽车将加速行驶。然而,随着车速增加,总阻力亦随空气阻力而急剧增加,所以汽车速度只能增大到驱动力与总阻力达到新的平衡为止。此后,汽车便以较高的速度匀速行驶。

使汽车加速所做的功转变成动能,可随时被利用,如此时将发动机与传动系脱开或使发动机熄火,汽车将依靠惯性克服阻力而继续行驶(滑行)并逐渐消耗所贮存的动能。

当总阻力超过驱动力时,汽车将减速以至于停车。这时如欲维持原车速就需要加大节气门或将变速器换入低档以便相应地增大驱动力。但是,汽车并不是在任何情况下都能发出足够的驱动力。比如汽车在很滑的(冰雪或泥泞)路面上行驶时,加大节气门可能只会使驱动车轮加速滑转,而驱动力却不能增大。驱动力的最大值固然取决于发动机的最大转矩和传动系的传动比,但实际发出的驱动力还受到轮胎与路面之间的附着性能的限制。

当汽车在较平整的干硬路面上行驶时,附着性能的好坏决定于轮胎与路面的摩擦力的大小,由物理学可知,在一定正压力作用下,两物体之间的静摩擦力有一最大值,当推动力超过此值时,两物体便会相对滑动。对汽车行驶而言,当驱动圆周力大于轮胎与路面间的最大静摩擦力时,即出现驱动车轮的滑转。因此在较平整的干硬路面上汽车所能获得的最大驱动力不可能超过轮胎与路面的最大静摩擦力。

当汽车行驶在松软路面上时,除了上述车轮与路面的摩擦阻碍车轮打滑外,还有嵌入轮胎花纹凹处的路面凸起部所起的抗滑作用。车轮打滑现象只有在克服了轮胎与路面的摩擦以及路面凸起部在轮胎施加的剪力作用下断裂时才会发生。

在汽车技术中,把车轮与路面的相互摩擦以及轮胎花纹与路面凸起部的相互作用综合在一起,称为附着作用。由附着作用所决定的阻碍车轮打滑的路面反力的最大值就称为附着力。

在积雪和泥泞路面上,因雪和泥的抗剪强度很低,被轮胎花纹切下的雪或泥又将花纹凹处填满,使得轮台表面和雪、泥之间的摩擦更小,因而附着系数的数值很小。如果附着重力相同,积雪或泥泞路面的附着力比干硬路面要小得多,车轮也就更容易打滑。所以在这种条件下,尽管行驶阻力有时并不大,但受到附着力限制的驱动力却不能进一步增大到足以克服行驶阻力,汽车不得不减速以至停车。

普通货车在冰雪路面上行驶时,往往在驱动轮上绕装防滑链,链条深嵌入冰雪中能使附着系数和附着力增加。但是,普通货车因只能利用分配到驱动轮上的那部分汽车总重力作为附着重力,故附着力可能仍不够大。

全轮驱动的越野汽车则可利用汽车的全部重力作为附着重力,并可利用其轮胎上的特殊花纹获得较大的附着系数,因而能使附着力显著增加。

 

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