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道路车辆的性能特性
道路车辆的性能特性是指车辆在直线运动下加速，减速，通过性的能力。轮胎的牵引（或制动）力和作用与车辆的抵抗力决定车辆的性能潜力，将会在这一张讨论。预测和评估道路车辆性能特性的指标也将会被提出。
3.1最大牵引力运动方程
两轴式车辆受到的主要外力如图3.1所示。行驶方向上，包括空气阻力Ra，前后轮胎的滚动阻力Rrf和Rrr，牵引力负荷Rd，坡度阻力Rg（Wsin theta;s），和前后轮胎牵引力Ff和Fr。对于后驱车Ff=0，同样的前驱车Fr=0。
沿车辆纵轴x轴的运动方程表示为：
(3.1)
式中:d2x/dx2和a指车辆沿纵轴的加速度，g指重力加速度，m和W分别指车辆的重量和重力。
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图3.1 两轴式车辆主要受力 |
通过引入惯性力的概念，上述方程可以重写为：
或
(3.2)
式中：F指总的牵引力，Rr指车辆总的滚动阻力。
为了评估性能潜力，车辆可以发挥的最大牵引力必须确定。这里有两个道路车辆最大牵引力的限制因素：一个通过道路附着系数和驱动桥或车轴上收到的载荷确定，另一个由发动机的特性和传动效率确定。这两个因素中较小的一个决定着车辆的性能潜力。
为了预测轮胎与地面接触所能提供的最大牵引力，车轴的正常载荷必须确定。他们可以轻易地通过图3.1中点A和点B的总力矩计算得出。通过点A处的力矩总和，前轴上的正常载荷Wf可以确定。
(3.3)
式中：l2指车辆质心与后轴的距离，ha指空气阻力作用点高度，h指车辆质心高度，hd指牵引挂钩的高度，L指轴距，theta;s指坡度角。当车辆正在爬坡时，Whsin theta;s前面的符号为负。
同样的，后轴上的正常载荷可以通过点B处的力矩总和确定。
(3.4)
式中：l1指车辆质心与前轴的距离。在上述表达式中，车辆在爬坡时，Whsin theta;s前面的符号为正。
当斜坡的角度较小时，cos theta;s的值约等于1。对于乘用车，空气阻力作用点高度ha和牵引挂钩高度hd被假定为接近质心高度h。由这些简化和假设，式3.3和式3.4可以改写为：
(3.5)
(3.6)
将式3.2代入上述式中，可以得到：
(3.7)
(3.8)
需要注意的是，当车辆停止在水平路面上，每个等式右边的第一个术语表示车轴上的静载荷。每个等式右边的第二个术语表示正常荷载或动荷载传递的动力分量。
就路面附着系数mu;和车辆参数而言，地面和轮胎接触所能提供的最大牵引力已能够确定。对于后轮驱动的汽车来说，
即，
(3.9)
式中，总滚动阻力表示为滚动阻力系数和车辆重量的乘积。对于前轮驱动的汽车来说，
即，
(3.10)
值得注意的是，在推导上述方程的过程中，纵向布置发动机时由发动机转矩产生的横向载荷和横向布置发动机时由发动机转矩产生的纵向载荷已被忽略。还有，假定右手和左手轮胎均具有相同的性能。
对于半挂牵引车，比双轴车辆更多地涉及到地面和轮胎接触可提供的最大牵引力的计算。半挂牵引车的主要受力如图3.2所示。对于大多数的半挂牵引车来说，都采用后轮驱动。为了计算由道路轮胎相互作用确定的最大牵引力，则必须计算在操作条件下牵引车后桥的正常载荷。这可以通过将牵引车和半挂车分别视为自由体来计算。将半挂车视为一个自由体，可以确定半挂车轴上的正常载荷Ws以及在悬挂点处的垂直载荷Whi和水平载荷Fhi。
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图3.2 半挂牵引车主要受力 |
对于小角度斜坡，半挂车轴上的正常载荷可以这样计算，其中Ra2是作用在半挂车上的空气阻力，ha2是Ra2的作用高度，W2是半挂车的重力。其他参数和尺寸参照图3.2。车辆在爬坡时，式3.11中W2h2 sin theta;s前面的符号应为正。
如果，Ws的表达式可以被简化为
(3.12)
下式给出了在牵引点处的纵向力
(3.13)
结合式3.12和式3.13，Ws的表达式变为，
下式牵引点处的负载
(3.14)
将牵引车视为一个自由体，以前轮胎与地面接触点为中心力矩求和，牵引车后轴正常载荷Wr可以确定。
(3.15)
式中：Ra1指作用在牵引车上的空气阻力，ha1指空气阻力Ra1的作用点位置高度，W1指牵引车的重力。其他参数及尺寸如图3.2所示。当牵引车爬坡时，式3.15中W1h1 sin theta;s前面的符号应为正。
如果，Wr的表达式可以被简化为
(3.16)
通过使作用在牵引车上的力沿纵向方向相等，可以获得所需牵引力F的以下表达式
(3.17)
根据式3.16和式3.17，后轮驱动车辆地面轮胎之间可以提供的最大牵引力可以表示为
将式3.14代入上式得
(3.18)
由道路轮胎相互作用的性质确定的最大牵引力对车辆性能特性施加了基本限制，包括最大速度，最大加速度，最大爬坡度和最大牵引质量。
3.2空气阻力和力矩
随着对燃料经济性和减少废气排放的日益重视，优化车辆功率的要求变得越来越重要。为了实现这一点，需要降低与车辆重量成比例的空气阻力，滚动阻力和惯性阻力。对于以约80km/h（50mph）及以上速度的典型乘用车，克服空气动力阻力所需的功率大于克服轮胎的滚动阻力和变速器中的阻力所需的功率，如图3.3[3.1]，由于空气动力阻力对中速和更高速度下的车辆功率要求的显着影响，研究人员已经在改进道路车辆的空气动力性能方面花费了持续的努力。
空气阻力有两个来源：一个是空气流过车身的外部，另一个是流过发动机散热器系统和车辆的内部冷却，加热和通风。 在两者中，前者是主导者，占乘用车总空气阻力的90％以上。
外部空气流经车身产生正常压力和剪切应力。根据空气动力学性质，外部空气阻力包括两个分量，通常称为压力阻力和表面摩擦。压力阻力起因于车身上正常压力的分量作用于车辆的运动，而表面摩擦力是由于与车身外表面相邻的边界层中的剪切应力。在这两项阻力中，压力阻力远大于表面摩擦力，同时构成具有正常表面光洁度的客车总外部空气阻力的90％以上。然而，对于长的车辆，例如
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图3.3作为速度函数的全尺寸乘用车的功率要求（经汽车工程师协会许可，参考文献3.1） |
公共汽车或半挂牵引车，表面摩擦可能变得更显着。应当注意，车辆尾迹中的空气的动量损失和由车辆产生的涡流赋予空气的能量不是额外的，而是压力阻力和表面摩擦的替代测量[3.2]。
实际上，空气阻力通常以下式计算：
(3.19)
式中：rho;是空气密度，CD是空气阻力（表示以上所有描述因素的组合效应阻力）系数，Af是车辆的特征区域，通常被视为正面区域，其是车辆在行进方向上相对于风的速度的投影面积。有趣的是注意到空气阻力与速度的平方成正比。因此，克服空气阻力所需的马力与速度的三次幂成正比。当车辆的速度加倍时，所需的功率克服空气阻力增加8倍。
应该指出的是，大气条件通过影响空气密度rho;影响空气阻力。例如，环境温度从0℃增加到38℃（32°到100°F）将导致减少14％的空气阻力，高度增加1219米（4000英尺）将导致减少17％的空气阻力。 考虑到环境条件对空气动力阻力的显著影响，有必要建立一个标准的条件集合，以供其他空气动力学测试参考。 常用的标准条件是：温度519°兰金刻度（15℃或59°F）和大气压力101.32kPa（14.7psi，76cm或29.92in.Hg）。在性能计算中，空气密度rho;取为1.225kg / m3（0.002378slug / ft3，其当量重量密度为0.07651Ib / ft3）。
如果车辆的准确绘图不可用，则可以从正面拍摄的照片确定车辆的前部区域Af。对于乘用车，前部区域是从整个车辆宽度和高度计算面积的79-84％的范围内变化。 基于收集的数据，对于质量在800-2000kg（或重量为1760-4400lb）范围内的客车，前部面积和车辆质量之间的关系可近似表示为
(3.20)
式中:Af是正面面积，单位为m2，mv是车辆的质量，单位为kg。
空气阻力系数CD可以通过比例模型或全尺寸车辆的风洞试验获得。许多能够测试全尺寸乘用车的风洞被用于工业和研究中心[3.3]。虽然全尺寸测试避免了模型的缩放问题，但它需要大的风洞并且价格昂贵。因此，相较便宜并且对于形状修改更方便的比例模型测试被广泛地用于新产品的开发中。在美国，乘用车广泛使用3/8尺度，而在欧洲1/4尺度是最常见的，同时1/5尺度也被用于小型风洞。 对于商用车辆，建议使用1/2.5的规模[3.3]。
在风洞测试中，无论是比例模型还是全尺寸车辆，两个基本问题需要特别注意：流场相似性和地平面的建模。
流场相似性是指风洞中的流动模式与道路上实际驾驶条件下的流动模式之间的相似性。 为了确保尺度模型的风洞测试中的流场相似性，基本要求是尺度模型的雷诺数（RN）等于全尺寸车辆的雷诺数（RN）。 雷诺数是气流速度和车辆特征长度的乘积与空气的运动粘度的比率。 为了满足这一要求，因此，应在风洞中以全尺寸车辆的气流速度8/3的速度测试3/8比例模型。 此外，作为模型（或全尺寸试验车辆）的前部面积与风洞试验段的横截面面积的比率的阻塞比应当尽可能小，优选不超过5％ [3.3]
在风洞测试中地面的适当建模是另一个需要仔细考虑的问题。当车辆在零风速下在道路上行驶时，空气相对于道路静止。在传统的风洞中，空气相对于隧道底部流动，并且形成边界层。这可能显着影响在比例模型（或全尺寸测试车辆）下的流动模式。为了缓解这个问题，已经使用移动的接地平面。
道路测试的减速方法，通常称为滑行试验，也可用于确定空气动力阻力[3.4,3.5,3.6]。使用该方法，车辆首先行驶到特定速度，优选其最高速度，然后传动系从发动机断开并且车辆减速。连续记录车辆速度和/或随时间行驶的距离的变化。由于轮胎的滚动阻力，传动系阻力和空气阻力的组合效应引起的车辆减速,然后可以从诸如速度 - 时间或速度 - 距离关系的滑行测试数据导出。从派生减速，并考虑到在传动系的所有旋转部件，包括轮胎的旋转惯量的影响，总阻力可以推断。利用轮胎的滚动阻力和与总阻力分开的传动系阻力的影响，可以确定空气动力阻力。
一种可用于确定轮胎的滚动阻力和传动系阻力的方法是进行额外的道路试验，其中试验车辆完全封闭在所谓的覆盖拖车中[3.7]。拖车覆盖整个测试车辆的任何空气动力。然而，测试车辆的轮胎保持与道路的完全接触并支持车辆的整个负载。称重传感器放置在连接拖车和测试车辆的挂钩处，以测量施加到拖车的牵引力。在测试期间，使用车辆与由其覆盖的测试车辆一起牵引拖车。由测力传感器测量的牵引力则是轮胎的滚动阻力和传动系阻力的总和，因为它被拖车覆盖，并且没有空气动力作用于其上。或者，可以遵循由汽车工程师协会（SAE Recommended Practice J1263）推荐的程序以从滑行测试数据推导出空气动力阻力和组合的轮胎滚动阻力和传动系阻力。
已经表明，如果注意确定轮胎的
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