新浪科技综合@还在考驾照的你知道汽车是怎么动起来的吗？新浪科技综合2020-08-17 11:05:110阅( 二 )
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图13/28对汽车运动做一个简要的力学分析 ， 假设这是一辆后轮驱动车 ， 对于后轮C ， 曲轴提供扭矩带动轮胎转动 ， 轮胎与地面产生的摩擦力——抓地力抵抗轮胎的旋转 ， 从而转化为汽车前进的动力 。 如果没有摩擦生成的阻力 ， 轮胎就无法推动汽车前进 。 摩擦产生的抓地力越大 ， 阻力越大 ， 汽车就能更快地行驶和转向 。 在汽车正常启动和行驶的情况下 ， 这种摩擦可以理解为静摩擦力 ， 因为在轮胎与地面接触的点A处没有发生相对滑动 。 假设圆心C点处速度为：
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图14/28则根据无滑滚动的条件 ， A点速度为：
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图15/28再将上式对时间求导数得：
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图16/28以C为基点 ， 可求出轮胎上任意一点P的速度：
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图17/28可以看出汽车的行驶速度与轮胎的转速紧密相关 。 由于摩擦力提供牵引力 ， 最后输出到轮胎上的扭矩在数值上等于轮胎半径R与摩擦力f的乘积 。 根据牛顿第二定律 ， 在轮胎半径R固定以及摩擦力小于最大静摩擦力的情况下 ， 扭矩越大 ， 汽车的加速性越好 ， 也就是所谓的“推背感”越好 。
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图18/28图源：PCauto
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图19/28发动机转速表当然 ， 在汽车上扭矩与摩擦力和驱动力的关系远没那么简单 ， 通过多个齿轮的耦合 ， 最终汽车才可以动起来 。 引擎输出至轮胎为止共经过两次扭矩的放大 ， 第一次由变速箱的档位作用而产生 ， 手动挡模式换挡时 ， 换的就是齿轮的大小比率 。 如下图所示 ， 1档时虽然增大了力 ， 但是根据
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图20/28， 驱动轮转速是发动机转速的1/4 ， 发动机转速有限 ， 因此行进的速度也受限 ， 最多是20~30km/h ， 想要提高速度便需要通过换高挡来降低齿比提高驱动轮的转速 。
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图21/281档~4档使用的齿轮组一览 | 图源：《汽车是怎样跑起来的》第二次则由主减速比决定 ， 在传动系中起降低转速 ， 增大转矩作用的主要部件是主减速器 。 相同的发动机 ， 如选择更大的主减速比 ， 可获得更大的最大扭力 ， 加速时可以获得较好的加速性能 ， 不过牺牲的是最高车速 。
扭矩的总放大倍率就是变速箱齿比与主减速比的相乘倍数 ， 并且算上一些机械损耗 。 扭矩=引擎输出扭矩×变速箱齿比×主减速比×机械效率 。 发动机的功率=牵引力×轮胎半径×轮胎转速；而扭矩=牵引力 × 轮胎半径 ， 故得出功率=扭矩×轮胎转速 。
总之 ， 扭矩指的是力本身 ， 而功率是指做功量 。 扭矩表示爆发力的大小 ， 因此简单来说是由排气量的大小决定的 。 功率表示做功量 ， 它与汽车能够行驶得多快多远（即速度）有关 。 即使是排气量小、扭矩小的发动机 ， 只要能提高转速 ， 也能够增大功率 。
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图22/28烧胎现象 | 图源：pixabay汽车与路面的唯一接触点就是轮胎 ， 因此轮胎的性能以及地面的状态对汽车的行驶来说十分重要 ， 安全行驶需要轮胎与地面保持无滑滚动的状态 ， 这种状态只有静摩擦力存在 。 静摩擦力有一定的限度 ， 驱动力和加速度也受到了限制 。 当轮胎的转动加速度时 ， 轮胎与地面会发生滑动摩擦 ， 比如在结了冰的路面、下过雨的路面都容易打滑 ， 甚至在起步时油门轰得过快 ， 也会发生轮胎部分空转 。 我们在行驶过程中一定要随时留意轮胎状态和路面情况 ， 谨慎驾驶 。
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图23/28图源：beebee星球不仅在行驶过程中 ， 在制动停车时静摩擦力也起着十分重要的作用 ， 轮胎不转动就无法制动 ， 这可能有些违背直觉 。 如果轮胎在汽车行驶时停转了就会在路上滑行 ， 急刹车时就可能出现这种现象 。 因此工程师设计了Anti-lock Brake System （ABS） 也就是防抱死系统 ， 该系统利用传感器监测汽车的速度和轮胎的转速关系从而调整制动的强度 ， 这样一来 ， 即使我们在紧急情况踩紧刹车 ， 轮胎也不会锁住抱死 。
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图24/28刹车防抱死系统在不得不出现滑动摩擦过弯的情况下 ， 可以参考一下斯堪的纳维亚钟摆的过弯技巧：
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