驾力学驰骋

驾力学驰骋 每当你乘坐在飞驰的汽车上时,你是否想到,这是怎样的力量在承载着你！理学院物理3班杨盛玮 PB06203090

思绪的由来 初中起,我就对汽车十分着迷.当老师提及力学论文时,我脑中浮现的是川流不息的车辆,他们与电邮一起,穿过电缆呈现在您眼前. 这都是力学精华的集合！

不得不说的话 • 以下是我多年学习的成果,愿与您分享！ • @##$%^废话不说了。 Now--Start!

造型and动力学 • 众所周知，车速越快阻力越大，空气阻力与汽车速度的平方成正比。 F=-ηv^2 如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，会增加汽车燃油消耗量，增加使用者的经济负担，对不对？

据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的百分之八十将被用来克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善行驶经济性，否则，岂不是空有满身力气，却使不出来，多无奈啊！ • 汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响，其中纵向空气力量是最大的空气阻力，大约占整体空气阻力的百分之八十以上。

为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用园滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线 • 比如: 轿车挡风玻璃采用曲面玻璃，首先从空气动力学的角度出发。因为现代轿车的正常时速大都超过100公里，迎面气流流过曲面玻璃能减少涡流和紊流，从而减少空气阻力。加上窗框边缘与车身表面平滑过渡，玻璃与车身浑然成一体，从视觉上既感到整体的协调和美观，又可以降低整车的空气阻力系数。

行星齿轮—怎一个“妙”字了得 • 每一部汽车上都有行星齿轮，少了它们，汽车就不能自由行走。汽车上的行星齿轮主要用在两个地方，一是驱动桥减速器，二是自动变速器。那么，行星齿轮到底有什么功能呢? • 我们熟知的齿轮绝大部分都是转动轴线固定的齿轮。例如机械式钟表，上面所有的齿轮尽管都在做转动，但是它们的转动中心（与圆心位置重合）往往通过轴承安装在机壳上，因此，它们的转动轴都是相对机壳固定的，因而也被称为"定轴齿轮"。

有定必有动，对应地，有一类不为人熟知的称为“行星齿轮”的齿轮，它们的转动轴线是不固定的，而是安装在一个可以转动的支架（蓝色）上（图中黑色部分是壳体，黄色表示轴承）。行星齿轮（绿色）除了能象定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴（B-B）转动之外，它们的转动轴还随着蓝色的支架（称为行星架）绕其它齿轮的轴线（A-A）转动。绕自己轴线的转动称为“自转”，绕其它齿轮轴线的转动称为“公转”，就象太阳系中的行星那样，因此得名。相当的形象！

也如太阳系一样，成为行星齿轮公转中心的那些轴线固定的齿轮被称为"太阳轮"，如图中红色的齿轮。 在一个行星齿轮上、或者在两个互相固连的行星齿轮上通常有两个啮合点，分别与两个太阳轮发生关系。如右图中，灰色的内齿轮轴线与红色的外齿轮轴线重合，也是太阳轮。

轴线固定的齿轮传动原理很简单，在一对互相啮合的齿轮中，有一个齿轮作为主动轮，动力从它那里传入，另一个齿轮作为从动轮，动力从它往外输出。也有的齿轮仅作为中转站，一边与主动轮啮合，另一边与从动轮啮合，动力从它那里通过。轴线固定的齿轮传动原理很简单，在一对互相啮合的齿轮中，有一个齿轮作为主动轮，动力从它那里传入，另一个齿轮作为从动轮，动力从它往外输出。也有的齿轮仅作为中转站，一边与主动轮啮合，另一边与从动轮啮合，动力从它那里通过。 • 在包含行星齿轮的齿轮系统中 ,可以有三条转动轴允许动力输入或输出，还可以用离合器或制动器之类的手段，在需要的时候限制其中一条轴的转动，剩下两条轴进行传动，这样一来，互相啮合的齿轮之间的关系就可以有多种组合。

别小看这些组合哦! 它能告诉你一个“显然的”问题.呵呵! ……

那就是--汽车为什么会拐弯？ • You may the answer like—“是我扭动了方向盘。很显然啊！” • 其实，方向盘的转动只是改变了转向轮的轴线的方向。要真正实现拐弯，还要使左右两边轮子的速度同时发生变化。 • 拐弯的半径越小，两轮的速度差就要越大。我们知道，汽车发动机只有一个，如何按照需要把动力分配到不同的轮子上？

Key:是，上帝的手 • 上帝还有个别名，叫行星齿轮。 • 下面，就由我来为您引见万能的上帝，和他的手。

驱动桥差速器 • 在包含行星齿轮的系统中，互相啮合的齿轮组合之一，就是动力从行星架输入，分两路从两个太阳轮输出。这就是驱动桥差速器的原理。其中的两个太阳轮一左一右与两个轮子分别相连。

具体的说… • 例如，我们把行星架与两个太阳轮的速度设计成满足 n1 + n2 = 2×n3 这个关系，其中n3是行星架转速，就是从发动机经变速器和驱动桥减速器减速器之后到达差速器的转速；n1和n2分别是两个太阳轮的转速，也就是两个轮子的转速。如果在修理间支起汽车，用手转动一侧驱动轮，另一侧会以相同的速度朝相反的方向转动。这是因为此时发动机的转速为零，行星架的转速也为零，即n3=0；两条半轴的转速必须大小相等方向相反（n1 = - n2），代数和才能等于零，从而满足 n1 + n2 = 2×n3 = 0。

发动机的动力经变速器、减速器来到行星架上，如果此时汽车直线行走，两边轮子的阻力就相等，消耗的动力也相等，此时n1=n2，根据n1+ n2 = 2×n3 这个关系，两边轮子的转速与行星架是相同的。如果车子正在转弯，内侧的轮子阻力就大于外侧，功率就会往外侧输送得多一点。这样系统会自动趋向于消耗能量最小的状态。

实际中往往… • 如果轴距是2米，向左转弯的半径是10米，左边轮子的轨迹半径是9米，右边轮子的轨迹半径是11米，左右轮子的转速比就是9：11，如果此时输入行星架的转速是每秒5转，则左侧轮子的转速是每秒4.5转，右侧轮子是每秒5.5转，满足4.5+5.5=2×5的关系。

如果轴距是2米，向右转弯的半径是15米，则 • 左边轮子的轨迹半径是 16米， • 右边轮子的轨迹半径是 14米， • 左右轮子的转速比就是 8：7， • 如果此时输入行星架的转速是每秒 7.5 转， • 则左侧轮子的转速是每秒 8转， • 右侧轮子是每秒 7转。

当然，转弯并不是如此简单的。 • 汽车操纵稳定性最关键的问题是汽车的方向稳定性。任何汽车在转向时都有转弯半径，设R为汽车纵向对称面至瞬时转向中心O的距离。例如，下页的图所示L为轴距，K为两前轮主销轴线的距离，β为外侧转向轮转角。则R近似为 L/sin β。 • 如果转向轨迹圆偏离R，就发生不足转向或过度转向的现象。

汽车转弯时，前后轮都会产生侧偏角。如果前后轮侧偏角相等，则汽车实际转弯半径等于方向盘转角对应的转弯半径，称为"中性转向"；如果前轮侧偏比后轮大，汽车实际转弯半径大于方向盘转角对应的转弯半径，称为"不足转向"；如果后轮侧偏比前轮大，汽车实际转弯半径小于方向盘转角对应的转弯半径，称为"过度转向"。汽车转弯时，前后轮都会产生侧偏角。如果前后轮侧偏角相等，则汽车实际转弯半径等于方向盘转角对应的转弯半径，称为"中性转向"；如果前轮侧偏比后轮大，汽车实际转弯半径大于方向盘转角对应的转弯半径，称为"不足转向"；如果后轮侧偏比前轮大，汽车实际转弯半径小于方向盘转角对应的转弯半径，称为"过度转向"。

不知不觉间，说了这么多… • 本来还准备了ABS和悬挂等我很在意的内容的，但限于篇幅，就止于此吧！ • 谢谢您的阅读，如果有机会，希望能就此与您用电邮交流！ E-mail:yangsw94@mail.ustc.edu.cn

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