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深入浅出说汽车(12):汽车行驶的基本原理

 昵称13859417 2014-06-22
  
深入浅出说汽车(12):汽车行驶的基本原理 - 阳春飞华 - 深入浅出说汽车
       从汽车的发动机一启动,就已经发生了涉及到物理、化学、机械等多种变化。启动点火开关,此时点火开关迅速接通蓄电池与起动机,起动机将蓄电池的电能转化为机械能,起动机的前端齿轮啮合引擎曲轴后方的大飞轮旋转实现发动机的运转。
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         在起动机正常运转以后,起动机停止工作。此时,在钥匙插入点火开关并旋转同时,电控单元已经开始工作,控制燃油泵通过油箱向发动机输送燃油、发动机点火线圈在适当时机点火。

    因为发动机的运转,气缸内的活塞在气缸内上下高速运动,同时产生真空效应将外界的新鲜空气通过空气流量计和进气门引入到气缸内。

    在空气进入到气缸同时,电控单元所控制的燃油也通过喷油嘴喷注到气缸内并与空气形成混合气体。

    在混合气体形成后,电控单元控制点火线圈通过火花塞迅速在气缸内点燃混合气体,产生巨大能量的爆炸将活塞向下推动。

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发动机内,每秒爆炸100次!


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      一个气缸的活塞在气缸内完成“进气-压缩-燃烧-排气”四个工作过程,这四个工作工程就形成了发动机的一个工作循环,发动机就是一个工作循环一个工作循环地往复工作着...
    发动机的每一个工作循环,活塞在气缸内上下各两次,气缸内的燃油混合气要燃烧并爆炸一次,曲轴则旋转两周。
    如果转速表指向3000,则表明此时的发动机转速为3000转/分,合计50转/秒。
    如果是一个直列四缸发动机,那么一个活塞在一秒内就要完成25各工作循环,也就是一个气缸内要每秒爆炸25次,那么在1秒之内,4个气缸则要产生100次爆炸。
汽车的行驶运动的形成
    发动机多个气缸内的活塞在混合气爆炸的推动下有顺序的交替上下运动,带动发动机曲轴高速转动,这样就形成了汽车的原始动力。这时曲轴输出的原始动力将通过离合器(手排挡方式的变速箱)传递到变速箱。
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       将档位操纵杆推入到相应的档位上,再松开离合器,使变速箱接受发动机的原始动力,这时,由发动机所传递的动力在变速箱内通过不同档位的齿轮比转换后,通过传动轴传递到车轮上,就形成了汽车的行驶运动。同时在行驶时按照需要,可以变换不同的档位使动力动态地传递到车轮上来满足行驶的需求。

汽车行驶的基本原理


        要使汽车行驶,必须具备两个基本条件:驱动条件和附着条件。
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【汽车驱动力的产生】:   
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         发动机产生的动力经过汽车的传动系统传到车轮的转矩Mt力图使车轮旋转。
    使机械元件转动的力矩称为转动力矩,简称转矩。简单的说,就是转动的力量的大小,转矩是一种力矩。
    在车轮与地面接触处,车轮向地面施加一个力Fo,其数值为车轮的转矩Mt与车轮半径r之比,即:Fo=Mt/r
    与此同时,地面对车轮一个与Fo数值相等、方向相反的反作用力Ft,这个反作用力Ft就是汽车前进的驱动力。
    以上是是对汽车驱动力的一个专业性描述,为了便于大家理解,我通俗地阐述一下。
    当发动机产生的动力,通过变速器变速最后传递到车轮。当车轮转动时,轮胎表面与地面之间产生摩擦力,他们之间的摩擦力才是推动汽车前进的直接力量。
    车轮的转动,实际上就是推动地面往后运动。
    据牛顿第三定律,作用力与反作用力相等。轮胎向后推动地面,此时地面则会有一个反作用力向前推动轮胎前进,也就是不断推动汽车前进。
    同理,当汽车制动时,也就是利用轮胎与地面的摩擦力,使汽车减速或停车。
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【汽车行驶受到的阻力】:
        汽车必须具有足够的驱动力,以克服各种行驶阻力,这些阻力主要包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力。
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     滚动阻力:滚动阻力是由于车轮滚动时轮胎与路面两者在其接触区域发生变形而产生的。车轮在硬路面上滚动时,驱动汽车的一部分动力消耗在轮胎变形的内摩擦上,而路面变形很小;车轮在 软路面(松软的土路、沙地、雪地等)上滚动时,由于路面变形较大,所产生的阻力就成为滚动阻力的主要部分。滚动阻力其数值与汽车的总质量、轮胎的结构与气压以及路面的性质有关,它等于车轮负荷与滚动阻力系数之积。
    汽车滚动阻力的大小取决于汽车的重量、路面质量、车轮轴承的摩擦力以及轮胎气压、花纹形式等。克服滚动阻力所需要的功率随汽车行驶速度而变化,速度越高,功率消耗就越大。 
   空气阻力:汽车在空气中向前行驶时,前部承受气流的压力而后部抽空,产生压力差。此外,空气与车身表面以及各层空气之间存在着摩擦,再加上引入车内冷却发动机、室内通风以及外伸零件引起气流的干扰,就形成空气阻力。空气阻力它与汽车的形状、汽车的正面投影面积、汽车与空气相对速度的平方成正比。可见,汽车速度很高时,空气阻力将成为总阻力的主要部分。
    汽车行驶时,空气阻力的大小取决于行驶速度、汽车横断面积和车身的形状(即流线型程度决定风阻系数的大小)。空气阻力的大小和行驶速度的平方成正比,而克服空气阻力所需功率则和行驶速度的立方成正比。因此,速度越高空气阻力急剧加大,车速每增加1倍则克服空气阻力所消耗的功率增加8倍。
    一般来讲,我们在马路上看到的大多数轿车的风阻系数在0.28至0.4间,流线性较好的汽车如跑车等,其风阻系数可达到0.25左右,一些赛车可达到0.15左右。风阻系数与汽车油耗有成正比的关系,因此降低空气阻力系数,对于降低汽车的燃料消耗有重要的意义。
    根据测试,当一辆轿车以80公里/小时前进时,有60%的耗油是用来克服风阻。所以超速行驶,不仅会让燃油出现无法完全燃烧的问题,也会因风阻而加大油耗。
   除了车辆最初的设计之外,一些车型改装很可能会破坏原有风阻设计。比如加装行李架、过大的尾翼、更换更大的后视镜等都会令风阻增加,从而加大行驶油耗与风噪。
    坡度阻力:当汽车上坡行驶时,汽车重力沿坡道的分力称为汽车坡度阻力,即图示中的分力Gsina。它与所爬坡度直接相关。
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   公路的坡度是以坡高h与底长s之比来表示,即:i=h/s=tgθ
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        我国公路标准规定,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%。

 汽车爬坡度表达了汽车爬坡的能力。只有当汽车牵引力大于上坡阻力和滚动阻力时,汽车才能爬上坡。


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    汽车的最大爬坡度,是指汽车满载时在良好路面上用第一档克服的最大坡度,它表征汽车的爬坡能力。爬坡度用坡度的角度值(以度数表示)或以坡度起止点的高度差与其水平距离的比值(正切值)的百分数来表示。


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         如果汽车技术说明书上“汽车爬坡度”直接标注了角度,就是指此车可爬越的最陡坡度。根据汽车行业规定,只有百分比坡度标注方式才是符合标准的,如果仅标注数字,实际上也是百分比数字。

    需要说明的是,有些人将“汽车爬坡度”的百分比数值解释为汽车可爬越的直接最陡坡度是错误的。

    对于经常在城市和良好公路上行驶的汽车,最大爬坡度在10°左右即可。对于载货汽车,有时需要在坏路上行驶,最大爬坡度应在30%即16.5°左右。而越野汽车要在无路地带行驶,最大爬坡度应达30°以上。

    加速阻力:汽车行驶时,有一个保持等速运动的惯性力,如果要使汽车加速,就必须克服这一惯性力,也就是加速阻力。也就是说,汽车加速行驶时,需要克服汽车质量加速运动时的惯性力。加速阻力的大小,等于加速度与汽车质量的乘积。

    一般指在低档位时,汽车的驱动所克服以上三种阻力而能提供加速汽车的力。 汽车的质量越大,加速阻力越大;加速度越大,加速阻力也越大。

    汽车行驶还要受到一种阻力,这就是惯性阻力,有些汽车专业教材没有提到它。

    汽车变速行驶时,需要克服其质量变速运动时产生的惯性力和惯性力矩,称为惯性阻力。

    汽车的质量分为平移质量和旋转质量(如飞轮、离合器、齿轮、传动轴和车轮等)两部分。汽车变速行驶时,平移质量产生惯性力,旋转质量产生惯性力矩。

【汽车行驶的驱动条件】

         汽车要正常行驶,和行驶阻力总是保持相对的平衡。汽车的行驶过程,是驱动力是否能克服各种阻力的交替变化过程。

    当驱动力等于各项行驶阻力之和,汽车将保持匀速前进。

    当驱动力大于各项行驶阻力之和,汽车将加速行驶,同时产生加速阻力,空气阻力也随车速的增加而急速增加。在某个速度处达到新的平衡,然后继续速行驶。

    当驱动力小于各项行驶阻力之和,汽车将减速行驶乃至停驶,同时产生负的加速阻力,即惯性力。这时,如果要维持较高的车速,就需要加大发动机的输出功率或将变速器换入较低的档以维持较大的驱动力。

    要使汽车向前行驶,牵引力必须大于或等于各项行驶阻力之和,这是汽车行驶的必要条件。

【汽车行驶的附着条件】

         汽车的牵引力必须小于或等于轮胎与路面之间的附着力,这是汽车行驶的充分条件。

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         汽车正常行驶还要受到轮胎与地面的附着状况的影响。正如人走路,当脚蹬地时打滑,就只有摔跤而无法行走。汽车驱动轮也只有附着于地面不打滑,才能行驶。
    在驱动轮转矩的作用下,驱动轮将给地面一个向后的圆周力,只要地面不打滑,地面将产生一个推动汽车行驶的反作用力。
    所谓附着力,就是抵抗车轮在地面上产生滑动的能力。附着力越大,就能保持车轮在路面上正常滚动而不发生滑动;反之,车轮就会空转打滑。
    一般情况下,附着力F附的大小与驱动轮的重力G成正比:F(附)=G×?
    驱动轮的重力G与汽车的总体布置、行驶状况和道路的坡度有关;?为附着系数,其值小于1,附着力系数主要取决于路面的种类和状况、汽车的行驶速度、车轮的运动状况以及轮胎的花纹状况等因素。
    汽车高速行驶,轮胎与地面来不及嵌合,或来不及排除轮胎与地面间的水分,高速的冲击振动会使轮胎瞬时悬空,所以,高速行驶附着力较低。
    在冰雪或泥泞的道路上,由于附着力很小,汽车的驱动力受到附着力的限制而不能克服较大的阻力,导致汽车减速甚至不能前进,即使加大油门或换入抵挡,车轮只会滑转而驱动力不会增大。为了增加车轮在冰雪路面的附着力,可采用特殊花纹的轮胎、镶钉轮胎或者在普通轮胎上绕装防滑链以提高轮胎对冰雪路面的抓着力。
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     非全轮驱动汽车的附着重力仅为分配到汽车驱动轮上的那一部分汽车总重力,而全轮驱动汽车的附着重力则为全车的总重力,因此,其附着力较非全轮驱动汽车显著增大。 

  本集结束,敬请关注下集:

《深入浅出说汽车(13):发动机的工作原理》

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