道路勘测第2章 汽车行驶理论

1、 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 第二章第二章 汽车行驶理论汽车行驶理论 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 本章的主要内容：本章的主要内容：1、汽车的牵引力与牵引平衡汽车的牵引力与牵引平衡 2、汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性3、汽车的制动性能汽车的制动性能本章的重点内容：本章的重点内容：1、汽车在道路上行驶的稳定性、汽车在道路上行驶的稳定性 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章

2、汽车行驶原理 汽车行驶理论汽车行驶理论是一门在分析汽车行驶基本规律的基础上，是一门在分析汽车行驶基本规律的基础上，研究汽车行驶原理、使用性能和行驶性能的学科。研究汽车行驶原理、使用性能和行驶性能的学科。 通过研究，进一步分析影响汽车使用和行驶性能的各种通过研究，进一步分析影响汽车使用和行驶性能的各种因素，最大限度地从因素，最大限度地从汽车构造、公路设计以及其它行车条件汽车构造、公路设计以及其它行车条件等方面发挥汽车的使用效益。等方面发挥汽车的使用效益。 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 汽车行驶总的要求是安全、迅速、经济与

3、舒适。要满足汽汽车行驶总的要求是安全、迅速、经济与舒适。要满足汽车在公路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就车在公路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就必须从驾驶者、汽车、公路、和交通管理等方面来保证。必须从驾驶者、汽车、公路、和交通管理等方面来保证。 在进行道路线形设计时，主要从以下几方面来保证汽车与在进行道路线形设计时，主要从以下几方面来保证汽车与道路的相适应。道路的相适应。 保证汽车在路上行驶的稳定性保证汽车在路上行驶的稳定性 ； 保证高速运行；保证高速运行； 保证行车畅通；保证行车畅通； 保证行车舒适保证行车舒适. 土木工程学院土木工程学院 schlool of c

4、ivil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.1.2 汽车的行驶轨迹汽车的行驶轨迹 最理想的路线平面是行车道的边缘能与汽车的前外轮最理想的路线平面是行车道的边缘能与汽车的前外轮与后内轮轨迹完全符合或相平行。与后内轮轨迹完全符合或相平行。 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.1.3 汽车的行使性能汽车的行使性能动力性能动力性能： 指汽车所具有的牵引力，决定汽车加速、爬坡和最大速度的性能。指汽车所具有的牵引力，决定汽车加速、爬坡和最大速度的性能。通过性通过性（又称越野性）：指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力。

5、（又称越野性）：指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力。制动性制动性：指汽车强制停车和减低车速的能力。：指汽车强制停车和减低车速的能力。行驶稳定性行驶稳定性：指汽车遵循驾驶者指定方向行驶的能力。：指汽车遵循驾驶者指定方向行驶的能力。行驶平顺性行驶平顺性：指汽车在不平道路上行驶时，汽车免受冲击和震动的能力。：指汽车在不平道路上行驶时，汽车免受冲击和震动的能力。操纵稳定性操纵稳定性：指汽车是否按驾驶员的意图控制汽车的性能。：指汽车是否按驾驶员的意图控制汽车的性能。 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2 汽车的牵引力与牵引平衡

6、汽车的牵引力与牵引平衡2.2.1 汽车行驶中的受力分析汽车行驶中的受力分析 2.2.2 牵引力的产生及传递牵引力的产生及传递 2.2.3 汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力 2.2.4 牵引平衡和汽车行驶的必要条件牵引平衡和汽车行驶的必要条件 2.2.5 动力性能分析动力性能分析 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.1 汽车行驶中的受力分析汽车行驶中的受力分析 汽车在道路路面上行驶时，汽车牵引力将克服行驶阻力，并汽车在道路路面上行驶时，汽车牵引力将克服行驶阻力，并受到弯道超高、加减速、制动、路面凹凸不平等因素的影响。受到弯

7、道超高、加减速、制动、路面凹凸不平等因素的影响。 汽车行驶中的受力情况与汽车的运动状态有密切的关系汽车行驶中的受力情况与汽车的运动状态有密切的关系,汽汽车的运动状态可分为直线行驶和曲线行驶。车的运动状态可分为直线行驶和曲线行驶。 （1） 汽车直线行驶汽车直线行驶 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering BAOhwj1Mf1 M1XghPj1GacosaGsinZ1GaMf2Mj2X22ZiL2L1LPwLhPMMhPhGfrLGZwwjjgjgaka21121sin)(cos （2-1） LhPMMhPhGfrLGZwwjjgjgaka21112si

8、n)(cos （2-2） 对汽车后轮对汽车后轮B点取矩点取矩对汽车前轮对汽车前轮A点取矩点取矩滚动阻力滚动阻力坡度阻力坡度阻力惯性力惯性力车轮惯车轮惯性矩性矩空气阻力空气阻力 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 BhPBPhGBGZgjyjygaarcossin2sincos2 （2-5） BhPBPhGBGZgjyjygaazcossin2sincos2 （2-6） (2)汽车汽车曲线曲线行驶行驶右轮法向右轮法向反作用力反作用力左轮法向左轮法向反作用力反作用力 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil e

9、ngineering 2.2.2 牵引力的产生及传递牵引力的产生及传递汽车传动系统汽车传动系统 发动机曲轴扭矩发动机曲轴扭矩e离合器离合器变速器变速器iK 传动轴（传动轴（Mn）主传动主传动器器i0 车轮车轮 Pt 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.2 牵引力的产生及传递牵引力的产生及传递1. 表征汽车发动机特性的基本指标表征汽车发动机特性的基本指标有效功率有效功率(Ne)：是指汽车在单位时间内所具有的做功的能力。是指汽车在单位时间内所具有的做功的能力。单位为千瓦（单位为千瓦（KW） 。 转速转速(ne)：是指发动

10、机曲轴是指发动机曲轴单位时间内的旋转次数单位时间内的旋转次数。用每分钟转数（用每分钟转数（/min ）为单位。）为单位。 扭矩扭矩(Me)：是指汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩。是指汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩。用牛顿米（用牛顿米（Nm ）为单位。）为单位。 转动角速度转动角速度()：是指是指单位时间单位时间内发动机曲轴内发动机曲轴转动的角度转动的角度。单位是弧度单位是弧度/秒（秒（rad/s） 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2. 发动机有效功率和曲轴扭矩的关系发动机有效功率和曲轴扭矩的关系将发动机所发出的功率、扭

11、矩以及单位燃料消耗将发动机所发出的功率、扭矩以及单位燃料消耗量与发动机曲轴的转速之间的函数关系以曲线表量与发动机曲轴的转速之间的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机转速特性曲线，或发动示，则此曲线称为发动机转速特性曲线，或发动机特性曲线。机特性曲线。 n minn Mn NMe(N.m)Ne(Kw)Mne (r/min)n maxN图2-4某汽油发动机的外特征曲线示意图发动机有效功率与曲轴扭矩的关系发动机有效功率与曲轴扭矩的关系 Ne=Me/1000 (KW) =2ne/60(rad/s) Ne=2Mne/100060=Mn/9549 则：则：M=9549N/n (Nm)该曲线称发动机的特性

12、曲线该曲线称发动机的特性曲线外特性曲线外特性曲线节流阀全开，对应的节流阀全开，对应的曲线称为发动机的外特性曲线。曲线称为发动机的外特性曲线。 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 2.2.2 牵引力的产生及传递牵引力的产生及传递汽车传动系统汽车传动系统 发动机曲轴扭矩发动机曲轴扭矩e离合器离合器变速器变速器iK 传动轴（传动轴（Mn）主传动主传动器器i0 车轮车轮 Pt 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 驱动轮扭矩及牵引力的关系驱动轮扭矩及牵引力的关系 图2-5 驱动轮的受力分

13、析GFGMkTVGPtFGPTVrk)(3600377. 0NVNMVnPMeMeet 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering iK=nen1 ， i0=n1nK 发动机曲轴扭矩发动机曲轴扭矩e离合器离合器变速器变速器iK 传动轴（传动轴（Mn）主传动主传动器器i0 车轮车轮 Pt 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 图中图中Pt1、 Pt2、 Pt3、 Pt4、分别表示一、二、三、档分别表示一、二、三、档及直接档时汽车牵引力与及直接档时汽车牵引力与汽车行驶速度的关系曲线汽车行驶速

14、度的关系曲线。 3. 由发动机特性曲线转换得到的汽车牵引特性曲线由发动机特性曲线转换得到的汽车牵引特性曲线 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.3 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1）滚动阻力 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.3 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。afGfP滚动阻力系数 f 与路面的种类 、行驶车速、轮胎性质有关。干燥

15、平整的土干燥平整的土路路潮湿不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： 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 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。 土木工程学院土木工程学院 schl

16、ool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 空气阻力的产生原因 A.汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力。 B.车后的真空吸力 C.空气质点与车身表面的摩擦力。 当行驶速度在100KM/h,以上，有时一半的功率用来克服空气阻力。2） 空气阻力 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 空气阻力的计算132KAVPWK空气阻力系数，它与汽车的流线型有关，可参考表23选用或查阅有关资料 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 3)坡度阻力坡度

17、阻力汽车在坡道倾角为的道路上行驶时，车重G在平行于路面方向的分力为Gsin，上坡时它与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶；而下坡时与前进方向相同，助推汽车行驶。坡度阻力可用下式计算 Pi=Gsin 因坡道倾角一般较小，认为sintgi，则 Pi=Gi （N）式中：Pi坡度阻力 （N）； G车辆总重力（N）； i 道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 4）惯性阻力agGmaRI1平移质量的惯性力旋转质量的惯性力矩 dtdIRI2 I - 旋转部分的转动惯量； 旋转部分转动的角加速度。dtd 土木工程

18、学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 4）惯性阻力 旋转质量组成部分较多，且各部分的转动惯量和角加速度不同，计算比较复杂，为方便计算，一般给平移质量惯性力乘以大于1的系数，来代替旋转质量惯性力矩的影响。agGPj(N)惯性力系数(或旋转质量换算系数)。惯性力系数主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关.2211ki 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering jwifPPPPP汽车的总行驶阻力为滚动阻力坡度阻力空气阻力惯性阻力汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力 土木工程学院土木工程学

19、院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.4 牵引平衡和汽车行驶的必要条件条件牵引平衡和汽车行驶的必要条件条件1）牵引平衡）牵引平衡 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。当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称阻力。当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称为驱动平衡。其驱动平衡方程式为驱动平衡。其驱动平衡方程式(也称汽车的运动方程式也称汽车的运动方程式)为为jwiftPPPPP式中：式中：Pf前之前之“+”表示上坡，表示上坡，“-”表示下坡；表示下坡； Pj前之前

20、之“+”表示加速，表示加速，“-”表示减速，与恒为正值。表示减速，与恒为正值。 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2)汽车行驶的两个条件汽车行驶的两个条件l汽车行驶的必要条件是：汽车行驶的必要条件是：即：汽车的牵引力必须大于等于汽车的行驶阻力。即：汽车的牵引力必须大于等于汽车的行驶阻力。l汽车行驶的充分条件是：汽车行驶的充分条件是：即：牵引力必须小于或等于轮胎与路面间的最大摩擦力（即附着力）。即：牵引力必须小于或等于轮胎与路面间的最大摩擦力（即附着力）。jwiftPPPPPdtGP 附着系数附着系数 土木工程学院土木工程学

21、院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.5 动力性能分析动力性能分析 汽车的动力性能是指汽车所具有的汽车的动力性能是指汽车所具有的加速、上坡、最大速度加速、上坡、最大速度等性能。改善汽车等性能。改善汽车的动力性能，可以提高运输生产率和降低运输成本，这是汽车设计者的任务；对的动力性能，可以提高运输生产率和降低运输成本，这是汽车设计者的任务；对于公路设计者来讲，其任务是了解在公路上行驶的主要车型的动力性能，使所设于公路设计者来讲，其任务是了解在公路上行驶的主要车型的动力性能，使所设计的公路能很好地发挥汽车的动力性能。计的公路能很好地发挥汽车的动力

22、性能。dtdvgGifGPPaawt)(dtdvgifGPPDawt它表征某型汽车在海平面高程上，满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能，将称为动力因素。D 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.5 动力性能分析动力性能分析（1）当汽车作等速行驶：）当汽车作等速行驶： D=f+i= 称为道路阻力系数 （2）动力特性图）动力特性图 D-V 关系图关系图 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.2.5 动力性能分析动力性能分析（3）提高汽车的

23、运行效率，从三方面入手：）提高汽车的运行效率，从三方面入手： 1）提高汽车牵引力；）提高汽车牵引力； 2）提高路面与轮胎间的附着力；）提高路面与轮胎间的附着力； 3）减小行驶阻力。）减小行驶阻力。 l Pt： Me i l ：路表粗糙、加强排水、改进轮胎l P：路面平整Pf、降低纵坡Pi、 改进车型Pj要求道路：纵坡平缓，路面平整、粗糙纵坡平缓，路面平整、粗糙。 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 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 2.3.1 汽车行驶的纵向稳定性汽车行驶的纵向稳定性 2.3.2 汽车

24、行驶的横向稳定性汽车行驶的横向稳定性 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 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。用，而不发生侧滑、倾覆现象的能力。 按方向分：按方向分： 纵向稳定性纵向稳定性 横向稳定性横向稳定性 丧失稳定的方式分：丧失稳定的方式分：滑动稳定性滑动稳定性 倾覆稳定性倾覆稳定性影响因素：影响因素： 汽车本身的结构参数；汽车本身的结构参数； 驾驶员的因素；驾驶员的因素； 作用于汽车的外因。作用于汽车的外因。 土木工程学院

25、土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 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 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 1)汽车在直坡道上的受力分析汽车在直坡道上的受力分析对汽车后轮着地点对汽车后轮着地点B取矩，则可求得前轮垂直反力：取矩，则可求得前轮垂直反力： gaahGLGLZsincos21

26、 LhGLGZgaasincos21 对前轮着地点对前轮着地点A取矩，则可得后轮垂直反力：取矩，则可得后轮垂直反力： gaahGLGLZsincos12 LhGLGZgaasincos12 2.3.1 汽车行驶的纵向稳定性汽车行驶的纵向稳定性 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2)纵向倾覆纵向倾覆 当汽车前轮离地即法向作用力为零时，将导致汽车绕后轮纵向倾当汽车前轮离地即法向作用力为零时，将导致汽车绕后轮纵向倾覆覆 ,可得纵向倾覆稳定条件：可得纵向倾覆稳定条件： 01Z0sincos020gaahGLG100% 45 1ta

27、n20ghL 式中 0汽车产生纵向倾覆时，道路纵向极限坡度角。 gaahGLGLZsincos21 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 3)纵向倒溜纵向倒溜 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 4)纵向稳定性的保证纵向稳定性的保证 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 第二章 汽车行驶原理 2.3.2 汽车行驶的横向稳定性汽车行驶的横向稳定性hg曲线内侧bGasinCcosCsinGacosGaCi0i0曲线外

28、侧bCcosCsinGacosCGasinGa图2.8 汽车在曲线上行驶的横向力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 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering (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第二章 汽车行驶原理 oiVR1272 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering (2)汽车在平曲线上行驶时车轮的反作用力汽车在平曲线上行驶时车轮的反作用力第二章 汽车行驶原理 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engi

29、neering (3)横向倾覆横向倾覆 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering (4)横向滑移横向滑移 土木工程学院土木工程学院 schlool of civil engineering 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 。ghb212ghb5 . 0hghhb23） 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