第二章 汽车行驶理论

1、第第2 2章章 汽车行驶理论汽车行驶理论 道路勘测设计道路勘测设计道路勘测设计 华北水利水电大学华北水利水电大学华北水利水电大学 本章摘要 本章主要介绍汽车行驶性能及其对路线的要 求；汽车的驱动力、行驶阻力及行驶条件； 汽车的动力特性、行驶状态、爬坡能力及加、 减速行程；汽车行驶的纵向、横向及纵横组 合向稳定性；汽车的制动力和制动距离以及 汽车的燃油经济性等内容。 2.1 2.1 概概 述述 2.2 2.2 汽车的驱动力及行驶阻力汽车的驱动力及行驶阻力 2.3 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 2.4 2.4 汽车的制动性能汽车的制动性能 2.5 2.5 汽车的燃油经济

2、性汽车的燃油经济性 道路勘测设计道路勘测设计道路勘测设计 华北水利水电大学华北水利水电大学华北水利水电大学 2.1 2.1 概概 述述 1. 1.汽车的行驶性能汽车的行驶性能 1)1)动力性能动力性能（加速、爬坡、最大V） 2)2)通过性通过性: :指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力 3)3)制动性制动性（行车视距） 4)4)行驶稳定性行驶稳定性（侧滑、倾覆） 5)5)行驶平顺性行驶平顺性: :汽车免受冲击和震动的能力 6)6)操纵稳定性操纵稳定性（转向稳定、高速稳定性和操作轻便性） 2.2.汽车行驶对路线的要求汽车行驶对路线的要求 1) 1)保证汽车在道路上行驶的稳定性保证汽车在道路上行驶

3、的稳定性 2) 2)尽可能提高车速尽可能提高车速 3) 3)保证道路上的行车连续保证道路上的行车连续 4) 4)尽量满足行车舒适尽量满足行车舒适 第二节 汽车的驱动力及行驶阻力 n为研究汽车在道路上的运动状况，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车 的各种外力，即驱动力与行驶阻力。 n一、汽车的驱动力 汽车的动力来源：内燃发动机汽车的动力来源：内燃发动机 汽车在道路上行驶时，必须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。汽车行驶 的驱动力来自它的内燃发动机。在发动机里热能转化成机械能，产生有效功率， 驱使曲轴以每分钟的转速旋转，发生的扭矩，再经过离合器、变速器、传动轴、 主传动器、差速器和半轴等一系列的变速

4、和传动，将曲轴的扭矩传给驱动轮， 产生的扭矩驱动汽车行驶。 1.发动机； 2.离合器； 3.变速器； 4.万向节头传动轴； 5.主传动器； 6.驱动轮 1）表征汽车发动机特性的基本指标 n有效功率 Ne：指汽车在单位时间内所具有的做功的能力，单位为千瓦 （KW）。 n转速ne ：指发动机曲轴单位时间内的旋转次数，用每分钟转数（r/min） 为单位。转速的大小影响汽车行驶的快慢。 n扭矩 ：是指汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩，汽车发动机扭矩的大小， 决定了汽车产生牵引力的大小。 n 机械效率 2）牵引力 由公式可看出，汽车的牵引力与速度成 反比，亦即高的速度与大的牵引力是不 可兼得的。如果要求

5、汽车具有较大的牵 引力，则必须采用较大的变速比，但随 着变速比的增大，车速 V 会下降。因此， 汽车设有几个排挡，各档具有固定的转 速比或最大速度值。采用低速档，能获 得较大的牵引力和较低的车速，采用高 速档，能获得较高的车速和较小的牵引 力。 （2）汽车的行驶阻力）汽车的行驶阻力 2）坡度阻力 3）空气阻力 4）惯性阻力 2.2 2.2 汽车的驱动力及行驶阻力汽车的驱动力及行驶阻力 3.汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力 1）滚动阻力：车轮滚动时轮胎与路面之间的摩擦阻力，是由于轮胎与路面 变形引起的。 GfR f f 与路面的种类 、行驶车速、轮胎性质有关。 干燥平整的土干燥平整的土 路路 潮湿不

6、平潮湿不平 整的土路整的土路 路面类型路面类型 碎石路面碎石路面 值值0.010.010.020.020.020.020.0250.0250.030.030.050.050.040.040.050.050.070.070.150.15 表面平整的黑表面平整的黑 色碎石路面色碎石路面 水泥及沥青水泥及沥青 混凝土路面混凝土路面 路面种类： 行驶车速：受车速影响较大。 V100时，f增加较快。V=150-200时，f 急 剧增大。 . 轮胎性质：胎压，轮胎材料，结构。 2.2 2.2 汽车的驱动力及行驶阻力汽车的驱动力及行驶阻力 3.汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力 sinGRi 由于公路纵坡较小(D

7、D时：时： 减速行驶减速行驶 0)( D g a 0)D( g a if 式中：式中：道路阻力系数，道路阻力系数， 平衡速度：任意的平衡速度：任意的D D相应等速行驶的速相应等速行驶的速 度，用度，用V VP P表示。表示。( (见图见图2-62-6） 汽车的最高、最小速度汽车的最高、最小速度 临界速度：每一排档最大动力因数Dmax对应的 速度，用Vk表示。是汽车稳定行驶的极限速度 。一般情况下汽车都采用大于某一排档的临界 速度作为行驶速度，以便克服额外阻力而连续 行驶。 如果道路阻力更大，使得车速降低较快，若车速 降至本档时需要换低档行驶；相反，道路阻力更 小时车速增加较快，当增至本档最高车

8、速时需要换高档行驶。 汽车的最高速度：是指节流阀全开、满载（不带挂车）、在表面平整坚实水平路段上作稳 定行驶时的速度。 n汽车的最小稳定速度：是指满载（不带挂车）在路面平整坚实的水平路段 上，稳定行驶时的最低速度（即临界速度Vk）。 n汽车的最小稳定速度与汽车的最高速度之间的差距愈大，表示汽车对道路 阻力的适应性愈强，其他排挡也同样存在着这两个对应值。 三、汽车的爬坡能力三、汽车的爬坡能力 a g ) if (D n汽车的爬坡能力是指汽车在良好路面上等速行驶时 克服了其它行驶阻力后所能爬上的纵坡度。 ， a=0a=0，则，则 i=D-fi=D-f 四、汽车的加、减速行程四、汽车的加、减速行程

9、计算加、减速行程计算加、减速行程 由由ds=vdtds=vdt，a=dv/dta=dv/dt，得，得 )0(vdv a 1 dsa )0(vdv a 1 dsa 2 1 2 1 V V V V VdV a 1 12.96 1 vdv a 1 S 2.3 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 汽车行驶的稳定性汽车行驶的稳定性 -指汽车在行驶过程中，受外部因素作 用，而不发生侧滑、倾覆现象的能力。 l影响因素：影响因素： 汽车本身的结构参数； 驾驶员的因素； 作用于汽车的外因。 汽车的行驶稳定性汽车的行驶稳定性 纵向稳定性纵向稳定性 横向稳定性横向稳定性 纵向滑移纵向滑移 纵向

10、倾覆纵向倾覆 纵向滑移纵向滑移 纵向倾覆纵向倾覆 纵坡、重心、纵坡、重心、 先后先后 横坡、速度、横坡、速度、 弯道半径、先后弯道半径、先后 2.3 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 1.1.汽车行驶的纵向稳定汽车行驶的纵向稳定 汽车在行驶过程中，随着运动状态的改变， 作用在前后车轮上的法向反作用力亦有相 应的变化。前轮的法向反作用力为零时，前轮的法向反作用力为零时， 则汽车将发生前轴车轮离地而导致纵向则汽车将发生前轴车轮离地而导致纵向 倾覆。倾覆。当后轮的法向反作用力为零时，当后轮的法向反作用力为零时， 根据附着条件，其牵引力将不复存在，根据附着条件，其牵引力将不复存

11、在， 汽车丧失行驶能力。汽车丧失行驶能力。此两种情况均为汽 车的纵向失稳，导致汽车纵向倾覆或倒溜 （1）汽车在直坡道上的受力分析 图 2.8 所示为后轴驱动的双轴汽车在直坡道上低等速行驶，忽略滚动阻力、空 气阻力影响时的受力情况。 对汽车后轮着地点B取矩，则可求得前轮垂直反力： 对前轮着地点A取矩，则可得后轮垂直反力： 1 1纵向倾覆纵向倾覆 产生纵向倾覆的临界状态是汽车前轮法向反作用力Z1为零，此时，汽车 可能绕02点发生倾覆现象，对O2点取矩并让Z1=0，得 Gl2cos0- Ghgsin0=0 （2-30） 式中：0Z1为零时极限坡道倾角； i0Z1为零时道路的纵坡度。 当坡道倾角0（或

12、道路纵坡ii0）时，汽车可能发生纵向倾覆。由 式（2-30）可知，纵向倾覆的稳定性主要与汽车重心至后轴的距离l2和 重心高度hg有关。l2愈大，hg愈低，纵向稳定性愈好。 2 2纵向滑移纵向滑移 对后轮驱动的汽车，根据附着条件，驱动轮不产生滑移的临界状态是对后轮驱动的汽车，根据附着条件，驱动轮不产生滑移的临界状态是 Gsin Gsinj jj j G Gk k （2-31） 因为sinj j tgtgj j i ij j，则，则i ij j = tg = tgj j = G = Gk k/G/Gj j 式中：式中：j j 产生纵向滑移临界状态时坡道倾角；产生纵向滑移临界状态时坡道倾角； i i

13、j j 产生纵向滑移临界状态时道路纵坡度，其它符号意义同前。产生纵向滑移临界状态时道路纵坡度，其它符号意义同前。 j j附着系数附着系数 当坡道倾角当坡道倾角j j（或道路纵坡度（或道路纵坡度iiiij j）时，汽车可能产生纵向滑移。）时，汽车可能产生纵向滑移。 3 3纵向稳定性的保证纵向稳定性的保证 对于公路设计的角度来说，不仅要保证坡道上行驶的汽车不会纵向 倾覆，还应保证不产生倒溜现象。这就要求公路纵坡满足： 而一般载重车满载时 附着系数?，泥泞时可为0.2冰滑 时为0.1，代入公式2-26，则 这就是确定最大纵坡imax =9%（四级公路山岭重丘区）、规定最大超高横 坡、合成坡度等指标的

14、依据之一。 但在运输中装载过高时，由于重心高度hg的增大 而破坏纵向稳定性条件，所以，应对汽车装载高 度有所限制。 2.3 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 2.汽车行驶的横向稳定 （1 1）汽车在曲线上行驶所产生的横向作用力）汽车在曲线上行驶所产生的横向作用力 l汽车行驶时，常受侧向力的作用及影响，如重力、惯性力等的侧向分力。 l汽车在侧向力的作用下，当车轮的侧向反作用力达到附着力时，汽车将沿 着侧向力的作用方向滑移； l侧向力同时将引起左右车轮法向反作用力的改变，当一侧车轮上的法向反 作用力变为零时，汽车将发生侧向翻车。 因而，汽车行驶时，在侧向力作用下有可能产生横

15、向滑移或横向倾覆。为保 证行车的安全稳定，必须分析研究行驶的横向稳定性 内外 法向力：sincosCGZ a （大）sincosCGZ a （小） 横向力：sincos a GCY（小）sincos a GCY(大) 结论：内侧?。 sincos a GCY很小，则 0 sin, 1cositg 0 iGCY a R v g G C a 2 R GV 127 2 0 2 0 2 127127 i R V GiG R VG Y aa a 横向力 C 是汽车行驶的不稳定因素， 竖向力是稳定因素。 但汽车横向稳定性不 取决于 Y 的绝对值，而取决于横向力与车重的比值 -叫横向力系数(lateral

16、force coefficient)，即： 0 2 127 i R V G Y a 2.3 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 2.汽车行驶的横向稳定 (2)横向倾覆 倾覆力矩： gag hGCYh)sincos( 稳定力矩： 2 )sincos( 2 b CG b Z a 由极限平衡条件，则 2 )( 2 )sincos( 0 b CiG b CGYh aag （2-33） 式中，其中b为汽车轮距；C 0 i与 a G相比甚小，可忽略不计，则 2 b GYh ag ， ga h b G Y 2 （2-34） 由式（2-34）即可得到汽车不产生倾覆的稳定条件为 g h b

17、 2 （2-35） 2.3 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 2.汽车行驶的横向稳定 (3)横向滑移 汽车在平曲线上行驶时，因横向力的存在，可能使汽车沿横向力的方向产生 横向滑移。为使汽车不产生横向滑移，必须使横向力小于或等于轮胎和路面 之间的横向附着力，即 hh h XYG X G （2-36） 式中： h一横向附着系数，一般 h（0.60.7） ， 值详见表 2-5。 将式（2-36）代人式横向力计算公式并整理，得 2 127() hh V R i 利用此式可计算出汽车在平曲线上行驶时，不产生横向滑移的最小平曲 线半径 R 或最大允许行驶速度 V。 2.3 2.3

18、汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 2.汽车行驶的横向稳定 (4)横向滑移横向稳定性的保证 1）汽车在平曲线上行驶时的横向稳定性主要取决于横向力系数值的大小）汽车在平曲线上行驶时的横向稳定性主要取决于横向力系数值的大小 。 现代汽车在设计制造时重心较低，一般现代汽车在设计制造时重心较低，一般 ，即，即 ， 而而 所以所以 。 g hb2 1 2 g h b 5 . 0 h g h h b 2 3） 装载过高时可能发生倾覆现象。装载过高时可能发生倾覆现象。 可见，在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象，为此，在道路设计中可见，在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象，为此，在道路设计中

19、应保证汽车不产生横向滑移，同时也就保证了横向倾覆的稳定性。应保证汽车不产生横向滑移，同时也就保证了横向倾覆的稳定性。 2）横向倾覆和滑移的条件分别是：）横向倾覆和滑移的条件分别是： h G X g h b G X 2 2.3 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 2.汽车行驶的横向稳定 2.4 2.4 汽车的制动性能汽车的制动性能 1.1.汽车的制动过程分析汽车的制动过程分析 汽车的制动性汽车的制动性 -指汽车在行驶中强制降低车速以至停车，或在下坡时保持一定速度行驶的能 力。 汽车的制动过程汽车的制动过程车轮制动是利用制动器内的摩擦阻力矩来形成与汽车运动方向相反的路面对车轮

20、 的切向摩擦阻力，简称为车轮制动力。 汽车在制动过程中，随车轮制动力的不断增长，轮胎的滚动也不断增加滑移量。开始出现 轮胎花 纹印痕（通常称为“压印”），从轮胎局部滑移到全滑移轮胎花纹的黑印长度逐渐增加形成“拖 印”这时，车轮已被制动器抱死车轮已被制动器抱死。 当车轮被抱死时，汽车原有的能量均消耗于轮胎与路面之间的，摩擦而转化为热能，使轮胎剧烈 发热而降低了胎面的强度，造成附着系数的降低和胎面的剧烈磨损胎面的剧烈磨损。除此之外，车轮抱死滑移时 还将失去承受侧向力的能力，使汽车行驶的稳定性遭到破坏稳定性遭到破坏。实践经验表明，经验丰富的驾驶员 在滑路上往往是采用连续点式制动的方法获得最大的制动效果，而不致使汽车滑溜以确保制动的 安全。这也是现代汽车采用制动器防抱死系统的原理。 汽车在下坡时，制动器就要较长时间地、连续地做强度较大的制动，制动器温度常在 300以上， 有时高达