绪章绪论

本章主要论述汽车理论的课程性质、地位、作用，课程的三维目标。，以及本门课程的教学方法。

●0.1绪论

本节是本门课程的开篇，主要论述汽车理论的课程性质、地位、作用，重难点，以及本门课程将要使用的教学方法。

第一章汽车的动力性

汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。汽车是运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性。动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。本章从分析汽车行驶时的受力出发，建立行驶方程式，并以图表的形式按汽车动力性评价指标的要求给出三种确定汽车的动力性的方法。给出了汽车行驶的驱动附着条件的基础上，分析了汽车行驶的附着率求解的方法。最后给出了电动汽车的动力性评价简介作为扩展。

●1.1汽车动力性的评价

汽车动力性是汽车的基本使用性能。动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。我国汽车保有量逐年攀升，同时对汽车动力性要求也越来越高。汽车动力性能的主要评价指标有三个，即汽车最高车速；汽车加速能力，常用加速时间评价，采用原地起步加速时间和超车加速时间；汽车爬坡能力，由汽车的最大爬坡度评价。也可用规定坡道(如6％)上必须达到的车速评价汽车的爬坡能力。

●1.2汽车的驱动力

汽车的内燃发动机产生的扭矩，经传动机构传至驱动轮上，使驱动轮产生一个对道路路面的轮缘圆周力路面对驱动轮产生方向相反的反作用力，即驱动力，驱使汽车在道路上行驶。驱动力大小与发动机转矩、传动系传动比、传动系机械效率成正比，与车速成反比。主要影响其大小的因素是发动机外特性曲线上的点。用Ft-ua曲线图来全面地描述汽车的驱动力，称为驱动力图。

●1.3汽车行驶阻力—滚动阻力

汽车运行阻力包括滚动阻力、加速阻力、坡度阻力、空气阻力。汽车行驶时，无论是轮胎还是地面，其变形过程必然伴随着一定的能量损失。这些能量损失是使车轮转动时产生滚动阻力的根本原因。弹性轮胎在硬质路面上滚动时，轮胎的弹性迟滞性损失将导致轮胎受到滚动阻力偶的作用，将其效应用一个力来等效，即为滚动阻力。水平面上其大小等于轴垂直载荷于滚动阻力系数的乘积。滚动阻力系数的大小受到路面条件、轮胎和速度等因素的影响。

●1.4汽车行驶阻力—空气阻力

汽车空气阻力指汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力。空气阻力来源分为压力阻力和摩擦阻力，压力阻力主要由形状、干扰、循环和诱导阻力组成。空气阻力跟速度成平方、空气阻力系数和迎风面积成正比关系，高速行车对空气阻力的影响非常明显。降低空气阻力系数是减小空气阻力的非常有效的手段。

●1.5汽车行驶阻力—坡道阻力和加速阻力及汽车行驶方程式

坡度阻力是汽车上坡时，重力沿坡道的分力。坡度和坡度角可以相互换算。坡度阻力和滚动阻力合在一起称为道路阻力。加速阻力为有剩余驱动力用来克服加速时的惯性力，称为加速阻力。考虑到汽车整车做平移外，还有回转部分有惯性力矩，因此计算加速阻力时，要乘以大于一的旋转质量换算系数。将上述力以结构使用参数表示后建立的平衡方程式即为汽车的行驶方程式。

●1.6汽车驱动力行驶阻力平衡图

为了清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系，一般是将汽车行驶方程式用图解法进行分析，即将驱动力Ft和常见行驶阻力Fw和Ff 绘在同一张图上。作出汽车驱动力一行驶阻力平衡图，并以它来确定汽车的动力性。找到交点位置确定最大速度uamax ， 加速能力通过加速度倒数曲线积分获得，最大爬坡度利用一档最大驱动力来求解。

●1.7汽车动力特性图和功率平衡图

动力因数是单位重量的后备牵引力。动力因数值不包含汽车重量和流线型的参数，可直接用来评价不同汽车的动力性能。汽车在各档下的动力因数与行驶车速的关系曲线图上，作出滚动阻力系数随车速变化关系曲线，可获得汽车动力特性图。利用该图可求出汽车动力性评价指标。将发动机功率与经常遇到的阻力功率对车速的关系曲线绘制出，就得到功率平衡图。功率平衡图主要用来分析发动机的后备功率和负荷率的情况。

●1.8汽车行驶的附着条件

汽车行驶驱动附着条件又分别是汽车行驶的必要与充分条件。为保证汽车向前行驶，汽车驱动车轮与道路接触面之间产生足以使车轮不在路面上打滑的附着力所具有的条件。附着率小于路面附着系数是附着条件的表示形式之一。

●1.9车轮地面法向反作用力和驱动轮上的地面切向反作用力

地面的反作用力与汽车的总体布置、车身形状、行驶状况及道路的坡度有关。本节主要讲解汽车在加速上坡这种附着条件不易满足的情况下，车轮在地面法向反作用力和驱动轮上的地面切向反作用力的受力分析以及求解。

●1.10汽车附着率的求解与分析

汽车驱动轮的附着率是汽车驱动轮在不发生滑转工况下充分发挥驱动力作用所要求的最低附着系数，它是表明汽车附着性能的一个重要指标。本节首先选择了汽车加速、上坡行驶时，分别进行了前、后轮驱动和四驱驱动条件下附着率的求解。其次求解了高速行驶时的附着率。

●1.11汽车电动汽车动力性

与传统内燃机汽车一样，电动汽车动力性仍然是由最高车速、加速性能和爬坡性能三方面的指标来评定。但赋予了新的要求，如电动汽车最高车速采用30min最高车速指标，加速性能包括车辆0-50km/h和50-80km/h的加速性能，爬坡性能包括爬坡速度和车辆最大爬坡度等，本节对纯电动和混动汽车的动力性评价做了简介。

第二章汽车的燃油经济性

在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，称作汽车的燃油经济性。燃油经济性好，可以降低汽车的使用费用、降低排放量。本章先给出燃油经济性的评价指标和各国的评价标准，然后进行了多工况循环的燃油经济性计算，再从结构因素和使用因素两个方面详细分析了燃油经济性的影响因素。最后给出了电动汽车的经济性评价简介作为扩展。

●2.1汽车燃油经济性的评价

汽车燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油消耗量能使汽车行驶的里程来衡量。本节主要介绍中国、欧洲及美国燃油经济性的评价指标。

●2.2汽车燃油经济性的计算

在汽车设计与开发工作中，常需要根据发动机台架试验得到的万有特性图与汽车功率平衡图，对汽车燃油经济性进行估算。本节将介绍燃油经济性循环行驶试验的各工况，如等速行驶、加速、减速和怠速停车等行驶工况的燃油消耗量计算方法。

●2.3影响汽车燃油经济性的因素1

汽车的燃油经济性的影响因素包括汽车结构因素和使用因素。本节利用等速百公里燃油消耗量正比于等速行驶时的行驶阻力与燃油消耗率反比于传动效率的原理从汽车使用方面阐述影响燃油经济性的因素。从车速、挡位选择，拖带挂车行驶，正确地保养与调整等多方面展开分析。

●2.4影响汽车燃油经济性的因素2

本节利用等速百公里燃油消耗量正比于等速行驶时的行驶阻力与燃油消耗率反比于传动效率的原理从汽车结构方面阐述影响燃油经济性的因素。本节从缩减轿车总尺寸和减轻质量，发动机应用技术，传动系挡位数目选择，设置超速档等方面进行了分析。还给出了无级变速的传动比分配分析。

●2.5电动汽车的经济性

本节主要介绍了纯电动汽车和混合动力电动汽车的经济性评价指标和经济性的计算。给出了纯电动汽车经济性评价指标，包括能量消耗率和续驶里程两个评价指标。给出了等速、等加速、等加速等多行驶工况下能量消耗率和续驶里程的计算。

第三章汽车动力装置参数的确定

汽车动力装置参数是指发动机的功率、传动系的传动比。它们对汽车的动力性与燃油经济性有很大影响。在确定这些参数时，必须充分考虑满足这两个基本性能的要求。此外，还要注意满足驾驶性的要求。本章将讨论发动机功率、传动装置参数的初步选择及按燃油经济性-加速时间曲线进一步确定这些参数的方法，以及如何用计算机仿真技术优化发动机-整车系统的性能。

●3.1发动机功率的选择

设计中经常先从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机应有的功率。在实际工作中，还利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机应有功率。本节主要介绍根据最高车速和比功率确定发动机功率。

●3.2最小传动比的选择

汽车大多数时间是以最高档行驶的，即用最小传动比的挡位行驶。最小传动比选择对动力性、经济性影响较大。最小传动比的选择主要是选择主减速器速比。本节主要通过比较三种不同主减速器传动比对最高车速，后备功率和发动机负荷率的影响，来阐述最小传动比的选择原则。同时，该参数选择还应考虑最小传动比对驾驶性能的影响。

●3.3最大传动比的选择

确定最大传动比时，要考虑三方面的问题：最大爬坡度、附着率以及汽车最低稳定车速。本节介绍了通过以上三个方面来进行最大传动比的选择。

●3.4传动系挡位数与各挡传动比的选择

不同类型的汽车具有不同的传动系档位数。其原因在于它们的使用条件不同，对整车性能要求不同，汽车本身的功率不同。而传动系的档位数与汽车的动力性、燃油经济性有着密初的关系。挡位数还影响到各档之间的传动比比值。本节主要介绍如何选择传动系挡位数和各挡传动比。各挡传动比间理论上讲应按等比级数进行分配，在此分析了等比级数分配的三点优越性。

●3.5利用燃油经济性—加速时间曲线确定动力装置参数

初步选择参数之后，可拟定供选用参数数值的范围，近一步具体分析、计算不同参数匹配下汽车的燃油经济性与动力性，然后综合考虑各方面因素，最终确定动力装置的参数。通常以循环工况油耗Q（L/100km）代表燃油经济性，以原地起步加速时间代表动力性，作出不同参数匹配下的燃油经济性-加速时间曲线，并根据此曲线确定主减速器传动比、变速器和发动机等动力装置参数。

●3.6计算机仿真技术在发动机整车性能匹配优化中的应用简介-----以AVL Cruise为例

近20年来，不少公司都开发了专门的软件，将发动机模型和整车模型构建在一起，利用计算机仿真技术对发动机-整车系统进行系统匹配与优化。本节主要介绍了能够用于动力性、经济型和驾驶性能综合分析的AVL Cruise软件。

第四章汽车的制动性

汽车的制动性是汽车主动安全性的主要性能之一。 制动性直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离太长、下长坡连续制动效能降低、紧急制动时失去方向稳定性等情况有关。本章从分析汽车制动时的受力出发，分析了地面制动力、制动器制动力和附着力三个力之间的关系；分别给出了制动效能参数及其恒定性影响因素等的求解与分析。给出制动失去方向稳定性的表现及原因分析，完成了汽车在各种路面上的制动过程分析。通过利用附着系数和ECE法规分析，进一步明确了对不同车型制动性的要求。最后简单分析了ABS的制动防抱死过程。

●4.1制动性的评价指标

汽车的制动性主要由下列三方面来评价:1) 制动效能，即制动距离与制动减速度。2) 制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。3)制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。制动性标准是强制性的，本节还给出部分国家乘用车制动标准的相关要求。

●4.2制动时车轮的受力

汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的车速或直至停车。这个外力只能由地面和空气提供。但由于空气阻力相对较小，所以实际上外力主要是由地面提供的，称之为地面制动力。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离也越短，所以地面制动力对汽车制动性具有决定性影响。同时为表征制动力矩大小，还定义了制动器制动力。同时分析了地面制动力、制动器制动力和附着力三者的关系，也是本章后分析的基础和依据。

●4.3硬路面上的附着系数

制动过程中轮胎由滑转逐步变为滑移，滑动率说明了车轮运动中滑动成分所占的比例。滑动率越大，滑动成分越多。轮胎的制动力系数和侧向力系数都随着滑动率的改变而改变，为获得较大的制动力系数和侧向力系数，应将滑动率控制在15%-20%。本节给出了ABS的理论依据和优越性分析。附着系数的数值主要决定于道路的材料、路面的状况与轮胎结构、胎面花纹、材料以及汽车运动的速度等因素。

●4.4制动效能分析

汽车的制动效能是指汽车迅速降低车速直至停车的能力。评定制动效能的指标是制动距离和制动减速度。本节给出了制动减速度的表达式，依据制动时间划分，推导了制动距离公式的表达，详细分析了制动距离的影响因素。

●4.5制动效能的恒定性

制动器温度上升后，摩擦力矩常会有显著下降，这种现象称为制动器的热衰退。热衰退是目前制动器不可避免的现象，只是程度上有所差别。制动效能的恒定性主要指的是抗热衰退性能。本节分析了制动效能稳定性的各种影响因素。

●4.6制动时的方向稳定性

制动过程中，会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力三种失去制动稳定的表现。跑偏与侧滑是有联系的，严重的跑偏有时会引起后轴侧滑，失去转向能力和后轴侧滑也是有联系的，一般汽车如后轴不会侧滑，前轮就可能失去转向能力；后轴侧滑，前轮仍有转向能力。

●4.7汽车的制动跑偏

本节详细分析了制动跑偏的两种原因和影响因素。制动跑偏原因有两个一个是是汽车左、右车轮，特别是前轴左、(转向轮)制动器的制动力不相等；另一个跑偏原因是制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调(互相干涉)。

●4.8制动时汽车的侧滑和前轴转向能力丧失

制动时发生侧滑，特别是后轴侧滑，将引起汽车剧烈的回转运动，严重时可使汽车调头。由试验与理论分析得知，制动时若后轴车轮比前轴车轮先抱死拖滑，就可能发生后轴侧滑。若能使前、后轴车轮同时抱死或前轴车轮先抱死，后轴车轮再抱死或不抱死，则能防止后轴侧滑。不过前轴车轮抱死后将失去转向能力。本节还结合两种状况的受力，分析给出了后轴侧滑或前轮失去转向能力稳定性差异化的原因。

●4.9地面对前后车轮的法向反作用力

前、后制动器制动力分配的比例将影响汽车制动时的方向稳定性程度，是设计汽车制动系必须妥善处理的问题。在分析前、后制动器制动力分配比例以前，必须先了解在制动时地面作用于前后车轮的法向反作用力。本节给出了制动状态下车轮法向作用力的表达公式。

●4.10理想的前后制动器制动力分配曲线

制动时前、后车轮同时抱死，对附着条件的利用、制动时汽车的方向稳定性均较为有利。此时的前、后轮制动器制动力的关系曲线，常称为理想的前、后轮制动器制动力分配I曲线。本节给出了I曲线的两种制取方法，分析了I曲线的含义。

●4.11具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着

实际的汽车的前、后制动器制动力之比为一固定值。常用前制动器制动力与汽车总制动器制动力之比来表明分配的比例，称为制动器制动力分配系数β。β线和I曲线交点所对应的的路面附着系数为同步附着系数，是由汽车结构参数决定的、反映汽车制动性能的一个参数。本节给出了φ₀表达式的推导过程。

●4.12f线组与r线组

f线组是后轮没有抱死，在各种φ值路面上只有前轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线；r线组是前轮没有抱死而后轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线。在分析汽车在各种路面上的制动过程时，这两个线组必不可少。本节从定义出发，详细推导分析了这两个线组的制取过程，分析了两个线组的含义。

●4.13前、后制动器制动力比值固定的汽车在各种路面上的制动过程分析

利用β线与I曲线，f、r线组的配合，就可以分析前、后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面上的制动情况。分别选择了三种情况，φ>φ₀，φ

●4.14利用附着系数和制动效率

为了定量说明汽车以一定减速度制动时，除去制动强度z=φ0 ，不发生车轮抱死所要求的(最小)路面附着系数总大于其制动强度， 我们引进利用附着系数的概念。通常还用制动效率的概念来描述地面附着条件的利用程度，并说明实际制动力分配的合理性。本节主要给出了利用附着系数和制动效率的公式表达和图线分析。

●4.15ECE制动法规和前、后制动器制动力分配的要求

为了保证制动时汽车的方向稳定性和有足够的制动效率，联合国欧洲经济委员会制定的ECE R13制动法规对双轴汽车前、后轮制动器制动力提出了明确的要求。以部分车型为例，分析了ECE制动法规的要求。并对满足制动稳定性的前、后制动力分配要求给出了分析。

●4.16辅助制动器和汽车防抱死制动系统

在汽车连续下长坡行驶时，吸收势能维持较慢车速安全行驶的制动工作应由辅助制动系统来承担。防抱制动装置是在制动过程中防止车轮被制动抱死，提高汽车的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离的安全装置。本节给出了典型辅助制动系统的调节特性简介，分析了博世ABS的制动防抱死的工作过程。

第五章汽车的操纵稳定性

汽车的操纵稳定性包括操纵性和稳定性。两者难以截然分开，统称为汽车的操纵稳定性。汽车的操纵稳定性不仅影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且还决定着高速汽车的行车安全。
本章简单介绍操纵稳定性评价内容和评价方法，分析了轮胎的侧偏特性及侧偏刚度的影响因素，建立了线性二自由度汽车模型的运动微分方程，受学时限制，我们只针对前轮角阶跃下汽车的稳态响应做了较为详细的分析，根据稳定性因数K的取值范围定义了不足、中性、过多三种转向特性，给出了另外三种稳态响应的评价方法。

●5.1汽车操纵稳定性概述

汽车操纵稳定性涉及面广，需要多个物理参量从多方面来进行评价。常把汽车作为一个控制系统，求出汽车曲线行驶的时域响应与频域响应，并用它们来表征汽车的操纵稳定性能。
本节介绍了操纵稳定性的基本内容及评价所用物理参量，给出了汽车坐标系，定义了稳态转向的三种转向特性，分析了瞬态响应的特点和评价指标。

●5.2汽车操纵稳定性的评价方法

汽车性能应该通过试验来进行测定与评价。试验中的性能评价有主观评价和客观评价两种方法。客观评价法是通过测试仪器测出表征性能的物理量如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。主观评价法就是感觉评价，其方法是让试验评价人员根据试验时自己的感觉来进行评价。并按规定的项目和评分方法进行评分。

●5.3轮胎的侧偏现象和侧偏力.侧偏角曲线

轮胎的侧偏特性是轮胎力学特性的一个重要部分。侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩和侧偏角之间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。分析了侧偏现象产生的原因，定义了侧偏力、侧偏角和侧偏刚度。

●5.4轮胎结构参数对侧偏特性的影响

汽车的操纵稳定性在很大程度上取决于轮胎的侧偏特性,所以轮胎侧偏特性的研究,是汽车操纵稳定性研究的基础。本节分析了侧偏刚度的影响因素，主要包括轮胎的结构和工作条件，如轮胎的型式、垂直载荷、高宽比等。给出了附着椭圆的含义，及如何确定极限状况下侧偏力的机理。

●5.5回正力矩和有外倾角时车轮的滚动

在轮胎发生侧偏时，还会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩Tz，圆周行驶时，Tz是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。分析了回正力矩的产生原因和影响因素。同时，汽车两前轮有外倾角，会产生外倾侧向力。分析了有外倾侧向力时对侧偏角大小的影响。

●5.6线性二自由度汽车模型的运动微分方程

为了便于建立运动方程，首相将汽车简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮模型。针对该模型，通过前轮角输入条件下，侧向力和横摆力矩的求解，获得了汽车的运动微分方程。

●5.7前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应

汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。过稳态响应下运动微分方程，求解横摆角速度增益，通过稳定性因数K=0，K>0，K<0，定义了汽车的稳态响应的三类：中性转向，不足转向和过多转向。解释了对应的两个车速特征车速和临界车速的含义。

●5.8几个表征稳态响应的参数

汽车稳态响应有三种类型：中性转向、不足转向、过多转向。为了试验与分析的方便，本节详细介绍了三个表征稳态转向的参数的含义和评价应用：前后轮侧偏角绝对值之差、转向半径的比以及静态储备系数。 

第六章汽车的平顺性

汽车平顺性，是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时，避免因汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击，使人感到不舒服、疲劳，甚至损害健康，或者使货物损坏的性能。它是现代高速汽车的主要性能之一。本章受学时限制，介绍了平顺性评价的框架和评价指标，按照ISO2631-1标准所给的坐姿模型，给出了两种评价方法。给出了路面不平度空间和时间功率谱密度的三种表示方法。详细分析了如何将汽车7自由振动模型转化为4自由度、二自由度和单自由。

●6.1汽车的平顺性概述

由于平顺性主要是根据乘员的舒适程度来评价，所以又称为乘坐舒适性，它是现代高速汽车的主要性能之一。要实现平顺性的评价需搭建人-车-路评价框架，输入-振动系统-输出三方面参数，对应三方面评价指标。

●6.2人体对振动的反应

机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向和持续时间，而且每个人的心理与身体素质不同，故对振动的敏感程度有很大差异。介绍了ISO2631-1标准所给的人体坐姿模型的三个方向12个轴向，给出了频率加权和轴加权系数的含义及设定原因分析。

●6.3平顺性的评价方法

汽车平顺性评价方法大致可分为主观评价法和客观评价法。主观评价法依靠评价人员乘坐的主观感觉进行评价，其主要考虑人的因素。客观评价法是借助于仪器设备来完成随机振动数据的采集、记录和处理，通过得到相关的分析值与对应的限制指标相比较，作出客观评价。给出了基本评价法和客观评价法两种评价方法。重点介绍了如何实现轴向加权加速度均方根值的求解。

●6.4路面不平度统计特性

当把汽车近似作为线性系统处理时，掌握了输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频响函数，就可以求出各响应物理量的功率谱，用来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和评价平顺性。给出了空间谱密度和时间谱密度的位移谱、速度谱和加速度谱的三种表达式。

●6.5汽车振动系统及其简化

在讨论平顺性时，立体模型的车身质量主要7个自由度。本节讨论如何将其简化为4自由、2自由度和单自由度的条件。

第七章总结

本章对汽车的动力性、燃油经济性、动力装置参数选定、制动性、操纵稳定性、平顺性内容进行复习回顾和总结。

●7.1总结

本节将前面所讲过的内容进行复习回顾和总结。