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本课件为《汽车理论》第1章，沿动力性评价指标、行驶驱动力与行驶阻力、动力性分析方法三条主线展开，厘清最高车速、加速时间、最大爬坡度的定义与测算，并进一步介绍自动变速汽车动力性与电动汽车动力性的建模思路。
第1章 汽车动力性。本章依次讲述汽车动力性评价指标、汽车行驶驱动力与行驶阻力、汽车动力性分析方法、自动变速汽车的动力性、动力性影响因素、动力性试验以及电动汽车动力性。
汽车动力性评价指标分为未用汽车的动力性评价指标和在用汽车的动力性评价指标；未做特殊说明时，主要指未用汽车的动力性评价指标。
图2 中型轿车的最高车速：发动机排量在2.0L~2.5L的7款中型车最高车速对比。可以看出，在同级别车型中，汽车最高车速并不一定完全与发动机排量成正比，还取决于传动系传动比。
图3 紧凑型轿车的最高车速：7款1.6L紧凑型车最高车速对比。同一级别汽车的最高车速差别不大，但不同级别汽车的最高车速差别较大，主要与发动机和变速器的配置有关。
最高车速是跑车特别是超级跑车追求的重要参数之一。左图为英国工程师研制的超音速汽车，采用劳斯莱斯喷气发动机作为动力，车速达1610km/h；量产的超级跑车最高车速已突破400km/h。
常用汽车加速过程曲线（车速—时间关系曲线）全面反映汽车的加速能力。
图4 中型轿车原地起步加速时间：7种发动机排量在2.0L~2.5L的中型轿车，其原地起步加速时间都在10s之内。
紧凑型轿车原地起步加速时间：7种发动机排量1.6L的紧凑型轿车，原地起步加速时间都超过10s。
原课件本页图号标注为“图4”，与前一页图号重复，按图文顺序应为图5，此处保留原文图号以便对照原图。
加速时间是跑车追求的重要参数之一，跑车0~100km/h加速时间都在5s之内。左图为美国雪佛兰Dagger GT，0~100km/h加速时间1.5s，搭载多燃料双涡轮发动机，最大功率1491kW，最大转矩2710Nm，极限速度483km/h。
图5 汽车最大爬坡度：一些SUV汽车和越野汽车的最大爬坡度对比。不同类型汽车爬坡度差别较大，设计时应根据汽车类型和用途合理确定动力性评价指标。
汽车动力性主要取决于作用于汽车行驶方向上的外力，即汽车驱动力和行驶阻力。
汽车驱动力是由发动机的转矩经传动系统传至驱动轮上得到的，汽车驱动力与发动机转矩之间的关系式详见本页原图。
原课件本页公式未在文字层提取，具体表达式以页面图片为准。
图6 汽油发动机外特性曲线 / 图7 汽油发动机部分负荷特性曲线。
发动机转矩与转速之间的关系是进行汽车动力性计算的主要依据，可由发动机台架试验测定。台架试验得到一系列转速与转矩的离散数据点，用回归法找出描述转矩与转速的函数，通常用多项式描述，表达式详见原图。
若找不到发动机转矩—转速特性曲线的数据，而已知发动机最大功率及对应转速、发动机最大转矩及对应转速，则可用本页公式估算发动机的转矩—转速特性；发动机最大功率所对应的转矩表达式详见原图。
图8 4×2后驱汽车动力传递路线：传动系总传动比与动力传动路线有关，汽车传动系常见布置形式有4×2后驱、4×2前驱和4×4全驱三种。
图9 4×2前驱汽车动力传递路线。对于4×2汽车，其传动系总传动比计算式详见本页原图。
图10 4×4全驱汽车动力传递路线。对于4×4汽车，其传动系总传动比计算式详见本页原图。
汽车传动系中的功率损失主要由变速器、分动器、传动轴、驱动桥等部件的机械损失和液力损失造成，可在专门试验台上测定。
| 类别 | 损失项目 | 说明 |
|---|---|---|
| 机械损失 | 摩擦、润滑油 | 齿轮传动副之间、轴承及其他部件的摩擦与搅油损失 |
| 液力损失 | 润滑油的搅动与零件之间的表面摩擦 | 与油液搅动及零件表面摩擦有关 |
| 测量方式 | 可在专门试验台上测定 | |
| 名称 | 定义 |
|---|---|
| 自由半径 | 车轮无载荷时的半径 |
| 静力半径 | 车轮静止不动时，车轮中心至轮胎与道路接触面之间的距离 |
| 滚动半径 | 车轮运动时，汽车运动速度与车轮角速度之比值 |
汽车旋转质量换算系数主要与飞轮、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。
有些力（如滚动阻力）并不表示真正作用于汽车上的外力；原式的两种写法详见本页原图。
图11 汽车加速上坡受力图：汽车附着力取决于地面作用于驱动轮的法向反作用力和附着系数，驱动轮法向反作用力又与汽车总体布置、行驶工况及道路条件有关。
分别对前、后轮与路面接触面中心点取力矩可得式（1-1）、式（1-2）；为便于分析予以简化：因一般道路坡度较小，且轿车风压中心高与汽车质心高大致相等，式（1-24）、式（1-25）可写成式（1-3）、式（1-4）。具体表达式详见原图。
当汽车利用其极限附着力以通过大坡度和以高加速度行驶时，动载荷的绝对值也达到最大值，此时汽车附着力与各行驶阻力之间的关系见式（1-5）；将式（1-5）代入式（1-3）和式（1-4）得式（1-6）、式（1-7）。对于4×2后轮驱动汽车，其附着力见式（1-8）、式（1-9）。
汽车动力性分析方法是指求解汽车动力性评价指标的方法，主要有：
汽车行驶速度与发动机转速之间的关系、平衡图绘制流程详见本页原图。
求汽车最高车速时坡度阻力和加速阻力为零；当汽车驱动力始终大于行驶阻力时，汽车的最高车速由发动机的最高转速决定，式中含发动机最高转速与传动系最小传动比，表达式详见原图。
图12 某四挡汽车的驱动力—行驶阻力平衡图：（a）驱动力曲线与行驶阻力曲线无交点，最高车速由发动机最高转速决定；（b）两曲线有交点，交点所对应的车速即为最高车速，取决于发动机、变速器、驱动桥等部件参数。
Ⅰ挡与直接挡最大爬坡度表达式详见原图。
汽车爬坡时速度较低，可以忽略空气阻力，因此汽车Ⅰ挡最大爬坡度可按简化后的关系求得，本页推导式详见原图。
驱动力—行驶阻力平衡图不能用来直接评价不同种类汽车的动力性，故引入动力因数。
利用驱动力与行驶阻力的平衡关系和动力特性可确定动力性指标，但要分析发动机特性对动力性的影响，需要用到汽车的平衡功率。汽车行驶时，发动机功率始终等于机械传动损失与全部运动阻力所消耗的功率；滚动阻力功率、空气阻力功率、坡度阻力功率及加速阻力功率的表达式详见原图。
功率平衡图绘制流程：以纵坐标表示功率、横坐标表示车速，将发动机功率、汽车经常遇到的阻力功率对应于车速的关系曲线绘在坐标图上，即可得到汽车功率平衡图。
评价汽车爬坡能力时加速阻力为零，可粗略计算求出汽车的爬坡度，表达式详见原图。
1.3.4 解析法求解汽车动力性：可得发动机转矩与速度的关系式，并由此得到汽车动力因数表达式，式中各系数含义详见本页原图。
假设滚动阻力系数为已知表达式，经简化可得汽车行驶平衡方程式，其两种表示形式详见本页原图。
具体表达式详见原图。
当汽车以稳定车速爬最大坡度时，一般用变速器第Ⅰ挡，由于此时车速很低且加速度为零，两边求导后可得动力因数，进而求得汽车最大爬坡角与最大爬坡度，表达式详见原图。
汽车自动变速器主要有3种型式：
图13 自动变速汽车传动系统：4×2发动机前置后驱自动变速汽车的传动系统布置。
图16 自动变速器工作原理框图：液力变矩器利用液体的流动把来自发动机的转矩增大后传给行星齿轮机构；液压控制装置根据节气门开度、车速操纵行星齿轮系统，使其获得相应的传动比和旋转方向，实现升挡、降挡、前进或倒退，全过程自动进行。
图17 液力变矩器的无因次特性：无因次特性曲线又称原始特性曲线，同一系列所有变矩器的无因次特性曲线都是一样的，有了它就可以作出该系列任一变矩器的输出特性曲线，而不需要每一个都做试验。
图19 透过性液力变矩器的转矩曲线与发动机外特性：透过性变矩器的泵轮转矩系数随速比变化，其泵轮转矩曲线是一组曲线，这些曲线与发动机外特性曲线的交点，就是发动机的工作转速。
图20 非透过性液力变矩器的输出特性 / 图21 透过性液力变矩器的输出特性：液力变矩器的输出特性指节气门全开时输出转矩与输出转速的关系曲线。利用变矩器转矩曲线与发动机外特性曲线的交点确定发动机工作转速，再根据无因次特性求出输出转矩与输出转速。
图22 自动变速汽车驱动力—行驶阻力计算流程：按流程依次确定变矩器工况与输出特性、计算驱动力，再与行驶阻力平衡，求解自动变速汽车的动力性指标。
汽车动力性影响因素主要有发动机性能参数、汽车结构参数和使用条件等。
图23 发动机外特性曲线形状对汽车动力性的影响：两台发动机最大功率及其对应转速相同、所确定的最高车速也相同，但外特性曲线1在相同挡位下低速时有较大的后备功率，加速与爬坡能力更好；其转矩值随车速降低而增高的幅度较大，可提高克服道路阻力和短期超负荷的能力，也可减少换挡次数。
图24 牵引力控制系统对汽车动力性的影响：牵引力控制系统TCS（Traction Control System）不但可以提高汽车行驶稳定性，而且能够提高汽车的加速能力和爬坡能力。
电动汽车动力性与燃油汽车的不同之处在于产生驱动力的动力源，燃油汽车动力源为发动机，电动汽车动力源为电动机。电动汽车动力传动系统取决于电动机布置，主要有电动机前置前驱、电动机前置后驱、电动机后置后驱等。
图25 电动机前置前驱电动汽车：主要由电驱系统、动力电池组和控制系统组成。
图26 电动机输出特性曲线：
电动机输出转矩表达式详见原图。为建立电动机外特性的数学模型，需在专门的电动汽车动力测功平台上测试电动机外特性，然后采用最小二乘法原理对试验数据进行拟合，把电动机转矩看成电动机转速的函数。该模型是整车动力性仿真计算的重要依据。
汽车行驶速度与牵引电动机转速之间的关系式详见原图。电动汽车行驶时，动力电池储存的电能通过控制器输出给电动机，电动机输出功率，产生的转矩经传动系传到驱动轮上；在恒功率区域，电动汽车驱动力是电动机转速的函数。
电动汽车的行驶阻力也包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力，其表达式和燃油汽车一样。
图27 某电动汽车驱动力—行驶阻力平衡图：电动汽车达到最高车速时电动机处于恒功率区域运行，驱动力与滚动阻力及空气阻力处于平衡状态；同时电动机调速所能达到的最高转速决定驱动车轮后的最高车速，需取两者之中的小者。该电动汽车最高车速为127.5km/h。
图28 某电动汽车加速度图：电动汽车行驶加速度与从静止起步全力加速至某一车速的加速时间表达式详见原图。该电动汽车最大加速度为2.3m/s²，0~100km/h加速时间为18.7s。
电动汽车的爬坡能力与牵引电动机的外特性密切相关，其最大动力因数与最大爬坡度表达式详见本页原图。
图29 某电动汽车爬坡度图：车速为20km/h时的最大爬坡度为24.5%。
牵引电动机的外特性特征是低速区恒转矩输出、高速区恒功率输出，工作范围很宽，基本不必通过变速机构即可提供汽车正常行驶所需要的动力性能，因此其驱动力—行驶阻力平衡图、加速度图以及爬坡度图比燃油汽车简单。
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