第2章 汽车行驶理论初步

1、现代道路主要服务对象现代道路主要服务对象 汽车汽车道路设计前提道路设计前提 满足满足汽车行驶的要求汽车行驶的要求汽车行驶总的要求汽车行驶总的要求 安全安全、迅速、迅速、经济、舒适经济、舒适一一 要要保证汽车保证汽车行驶稳定性，行驶稳定性，不不倒溜、不滑移、不倾覆倒溜、不滑移、不倾覆二二 尽可能尽可能提高车速，降低运输成本，以提高运输效率提高车速，降低运输成本，以提高运输效率三三 尽量尽量使使乘客和驾驶员感到舒适乘客和驾驶员感到舒适掌握掌握 汽车汽车的的动力特性动力特性及其与及其与道路线形设计道路线形设计的基本关的基本关系系，了解有关，了解有关道路勘测设计道路勘测设计的基础知识的基础知识 汽车的

2、外力汽车的外力牵引力与行驶阻力牵引力与行驶阻力 汽车在道路上行驶时，必须有足够的驱动力来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。内燃发动机。牵引力牵引力内燃发动机内燃发动机N N 产生曲轴扭矩产生曲轴扭矩M M 驱动轮扭矩驱动轮扭矩MkMkTTTkVNMVnrMrMT3600377. 0对汽车驱动性能进行分析时，只需研究对汽车驱动性能进行分析时，只需研究功率功率 N 和和扭矩扭矩 M 与与转数转数 n 之间的关系曲线之间的关系曲线 2.1.1.1 发动机曲轴扭矩发动机曲轴扭矩M )mN(9549nN

3、M式中：式中：M发动机曲轴的扭矩发动机曲轴的扭矩(Nm)N发动机的有效功率（发动机的有效功率（kW）n发动机曲轴的转速发动机曲轴的转速 (r/min) 发动机曲轴上的扭矩发动机曲轴上的扭矩M，经过一系列的变速、传动后传递，经过一系列的变速、传动后传递给驱动轮，使驱动轮产生扭矩给驱动轮，使驱动轮产生扭矩Mk2.1.1.2 驱动轮扭矩驱动轮扭矩 M kMk=MT Mk汽车驱动轮扭矩（汽车驱动轮扭矩（Nm） 总变速比，总变速比，= i0ikM 发动机曲轴扭矩（发动机曲轴扭矩（Nm） T传动系统的机械效率传动系统的机械效率此时，驱动轮上的转速此时，驱动轮上的转速nk、相应的车速、相应的车速V为：为：

4、niinnkk0r377. 0100060r2nnV式中：式中：V汽车行驶速度（汽车行驶速度（km/h）n发动机曲轴转速（发动机曲轴转速（r/min）r车轮工作半径（车轮工作半径（m），一般为），一般为 未变形半径未变形半径r0的的0.930.96倍。倍。 2.1.1.3 汽车的牵引力汽车的牵引力 T为牵引力，汽车行驶阻力为牵引力，汽车行驶阻力R抗衡抗衡 TTTkVNMVnrMrMT3600377. 0车速车速V的计算公式的计算公式 可看出可看出牵引力牵引力T与与功率功率N之间的之间的关系，发动机的有效功率越大，汽车的牵引力越大关系，发动机的有效功率越大，汽车的牵引力越大 r377. 0100

5、060r2nnV2.1.1.3 汽车的牵引力汽车的牵引力 汽车行驶时需要不断克服运动中所遇的各种阻力汽车行驶时需要不断克服运动中所遇的各种阻力这些阻力主要包括：这些阻力主要包括：1、空气阻力、空气阻力2、道路阻力、道路阻力3、惯性阻力、惯性阻力 2.1.2 汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力 汽车在行驶中，由于迎面空气的压力、车后的真空吸汽车在行驶中，由于迎面空气的压力、车后的真空吸力及空气与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力及空气与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。当行驶速度在力。当行驶速度在100 km /h以上，有时一半的功率用来克服以上，有时一半的功率用来克服空气阻力。

6、空气阻力。 汽车在运动时所产生的空气阻力汽车在运动时所产生的空气阻力Rw可以用下式计算可以用下式计算 ： 式中：式中：K空气阻力系数空气阻力系数A汽车迎风面积（汽车迎风面积（m2），），KA也称为汽车流线型因数也称为汽车流线型因数V汽车与空气的相对速度（汽车与空气的相对速度（km/s），可近似地取汽车），可近似地取汽车 的行驶速度的行驶速度 2.1.2.1 空气阻力空气阻力 221.15wK A VR（1）滚动阻力）滚动阻力 路面类型、轮胎结构及行驶速度路面类型、轮胎结构及行驶速度等有关。等有关。滚动阻力与轮胎承受的力成正比，即滚动阻力与轮胎承受的力成正比，即 式中：式中：Rf滚动阻力滚动阻力

7、 (N) G 汽车的总重力汽车的总重力 (N) f滚动阻力系数，见下表滚动阻力系数，见下表2.1.2.2 道路阻力道路阻力 Rf =Gf (N)表表51 各类路面滚动阻力系数各类路面滚动阻力系数 f 值值路面路面类型类型水泥及沥青水泥及沥青混凝土路面混凝土路面表面平整的表面平整的黑色碎石路黑色碎石路面面碎石路面碎石路面干燥平整干燥平整的土路的土路潮湿不平潮湿不平整的土路整的土路f f值值0.010.010.020.020.020.020.0250.0250.030.030.050.050.040.040.050.050.070.070.150.15（2）坡度阻力）坡度阻力 汽车在坡道上行驶时，

8、汽车重量在平行于路面方向有分力，汽车在坡道上行驶时，汽车重量在平行于路面方向有分力，上坡时分力与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶，而下坡时分力上坡时分力与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶，而下坡时分力与前进方向相同，推动汽车行驶。与前进方向相同，推动汽车行驶。 坡度阻力可用下式计算坡度阻力可用下式计算 式中：式中：RI坡度阻力坡度阻力 （N）G车辆总重力车辆总重力 （N）道路纵坡倾角道路纵坡倾角i道路纵坡度，上坡为正；下坡为负道路纵坡度，上坡为正；下坡为负 RI=Gsin 当sintg=i 时RI=Gi 滚动阻力和坡度阻力滚动阻力和坡度阻力均与道路状况有关，且都与汽车的总均与道路状况有关，且都与汽

9、车的总重力成正比，将它们统称为道路阻力，以重力成正比，将它们统称为道路阻力，以RR表示表示 RR=G ( f + i ) （N）汽车的总行驶阻力：汽车的总行驶阻力：汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性和汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性和惯性力矩称为惯性阻力，用惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示表示 式中：式中：RI惯性阻力惯性阻力 （N） G 车辆总重力车辆总重力 （N） g 重力加速度重力加速度 （m/s2） 惯性力系数（或旋转质量换算系数）惯性力系数（或旋转质量换算系数） R=RW+RR+RI agGRI2.1.2.3 惯性阻力惯性阻力 T = R = RW+

10、RR+RI 2.1.3 汽车的运动方程式和行驶条件汽车的运动方程式和行驶条件 汽车有足够的牵引力来克服各种行驶阻力汽车有足够的牵引力来克服各种行驶阻力2.1.3.1汽车的运动方程式汽车的运动方程式 牵引力牵引力 T rMUTT将有关公式代入牵引平衡方程式，则汽车的运动方程式将有关公式代入牵引平衡方程式，则汽车的运动方程式agGifGKAVrMUT)(15.212U：负荷率：负荷率（行使必要条件）（行使必要条件） 2.1.3.1汽车的行驶条件汽车的行驶条件T R (行使充分条件）行使充分条件） TGk 式中：式中：附着系数（可理解为滑动摩擦系数），主要取决于路面的粗糙程度和附着系数（可理解为滑动

11、摩擦系数），主要取决于路面的粗糙程度和潮湿泥泞程度，轮胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，见表潮湿泥泞程度，轮胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，见表5-2（下页）（下页）Gk作用在驱动轮的荷载。一般情况下，小汽车为总重的作用在驱动轮的荷载。一般情况下，小汽车为总重的0.50.65倍，倍，载重车为总重的载重车为总重的0.650.80倍倍 汽车行驶条件对路面提出了一定要求：汽车行驶条件对路面提出了一定要求：宏观上：宏观上：要求路面平整而坚实，尽量减小滚动阻力（满足规范平整要求路面平整而坚实，尽量减小滚动阻力（满足规范平整度要求）度要求）微观上：微观上：要求路面粗糙而不滑，以增大附着力（混凝土路面压纹

12、）要求路面粗糙而不滑，以增大附着力（混凝土路面压纹）表表52 各类路面上附着系数各类路面上附着系数的平均值的平均值 路面类型路面类型路路 面面 状状 况况干燥干燥潮湿潮湿泥泞泥泞冰滑冰滑水泥混凝土路面水泥混凝土路面0.70.70.50.5/ / /沥青混凝土路面沥青混凝土路面0.60.60.40.4/ / /过渡式及低级路面过渡式及低级路面0.50.50.30.30.20.20.10.12.2.1 汽车的动力因数汽车的动力因数 T = R = RW+RR+RI T - RW = RR + RI 汽车的动力性能系指汽车所具有的汽车的动力性能系指汽车所具有的加速、上坡、最大速度加速、上坡、最大速度

13、等等的性能。研究汽车的动力性能的目的：的性能。研究汽车的动力性能的目的：为道路纵断面设计提供为道路纵断面设计提供理论依据理论依据 agifGRTDW)(D 称为动力因数：单位车重具备的牵引潜力。称为动力因数：单位车重具备的牵引潜力。表征某型汽车在表征某型汽车在海平面高程上海平面高程上，满载情况下满载情况下，单位车重单位车重克克服道路阻力和惯性阻力的性能服道路阻力和惯性阻力的性能 2.2.1 汽车的动力因数汽车的动力因数 221.15WTRUMTKADGGr GGVagifD)(为动力因数为动力因数D的的 海拔海拔 荷载荷载 修正系数修正系数GG1、海平面2、满载2.2.1 汽车的动力因数汽车的

14、动力因数 GG2.2.1 汽车的动力因数汽车的动力因数 2.2.2 汽车的行驶状态汽车的行驶状态 对不同排档的对不同排档的DV曲线，曲线，D值都有一定使用范围，档位愈值都有一定使用范围，档位愈低，低，D值愈大，而车速愈低。当汽车的动力因数为值愈大，而车速愈低。当汽车的动力因数为D，道路阻，道路阻力为力为，汽车的行驶状态有以下三种情况：，汽车的行驶状态有以下三种情况： )(Dgaif agifD)(汽车的爬坡能力用最大爬坡坡度评定汽车的爬坡能力用最大爬坡坡度评定节流阀全开、满载、正常路面上、最低档行驶节流阀全开、满载、正常路面上、最低档行驶最大纵坡最大纵坡i2.2.3 汽车的爬坡能力汽车的爬坡能

15、力iD fmaxcossinDfaa 坡度i 较大时求解求解a，最大坡度，最大坡度 imax=tan(a)汽车的加速性能是指汽车在各种使用条件下迅速增加行驶速汽车的加速性能是指汽车在各种使用条件下迅速增加行驶速度的能力，可用加速度、加速时间和行程来评定。汽车的加速度的能力，可用加速度、加速时间和行程来评定。汽车的加速度愈大，加速时间和行程愈短，汽车的加速性能愈好。度愈大，加速时间和行程愈短，汽车的加速性能愈好。2.2.4 汽车的加、减速行程汽车的加、减速行程 由由ds=vdt及加、减速度及加、减速度a=dv/dt(m/s2)，得，得 dvavds（a0） 设初速设初速V1，终速，终速V2对上式

16、积分，并将车速对上式积分，并将车速v(m/s)化成化成V（km/h），得），得2196.121VVdVaVS为使用方便，对上式积分，将数据绘制加、减速行程图，以备查用为使用方便，对上式积分，将数据绘制加、减速行程图，以备查用S()/(%)fi习题一：习题一：某道路滚动阻力系数为某道路滚动阻力系数为0.02，东风东风EQ-140汽车汽车满载行驶，使用满载行驶，使用 I 档爬坡，速度保持档爬坡，速度保持10km/h。求海拔高度求海拔高度H=5000m能克服的最大坡度能克服的最大坡度i ？习题二：习题二：已知已知=0.75，f=0.01，东风，东风EQ-140载重车以载重车以80km/h速度在速度在

17、3.5%的坡道上爬坡，当速度降为的坡道上爬坡，当速度降为60km/h时；时；问：此时已爬坡道长多少米？问：此时已爬坡道长多少米？解：解：H=5000m，=(1-2.26*10e-5*5000)2.3=0.53= （满载）（满载）查图查图2-3，I档、档、10km/h对应对应D=0.27由由a=0，f=0.02，=0.53，D=0.27带入公式：带入公式：解得：解得：i=12.3%习题一：习题一：某道路滚动阻力系数为某道路滚动阻力系数为0.02，东风东风EQ-140汽车满汽车满载行驶，使用载行驶，使用 I 档爬坡，速度保持档爬坡，速度保持10km/h。求海拔高度求海拔高度H=5000m能克服的最

18、大坡度能克服的最大坡度i ？agifD)(解：解：（f+i）/=（0.01+0.035）/0.75=0.06 （查（查6号线）号线）80km/h对应对应S1=10060km/h对应对应S2=450S=(S2 - S1) / =(450-100)/0.75 = 467m习题二：习题二：已知已知=0.75，f=0.01，东风，东风EQ-140载重车以载重车以80km/h速度在速度在3.5%的坡道上爬坡，当速度降为的坡道上爬坡，当速度降为60km/h时；时；问：此时已爬坡道长多少米？问：此时已爬坡道长多少米？汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因

19、素作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失素作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生去控制而产生滑移、倾覆滑移、倾覆等现象的能力等现象的能力影响汽车行驶稳定性的主要因素影响汽车行驶稳定性的主要因素 : 汽车本身结构参数、汽车本身结构参数、驾驶员操作技术以及道路与环境等外部因素驾驶员操作技术以及道路与环境等外部因素用用力学平衡原理力学平衡原理分析汽车行驶的稳定性，从而为分析汽车行驶的稳定性，从而为道路道路几何线形设计几何线形设计提供依据提供依据2.3.1 汽车行驶的纵向稳定性汽车行驶的纵向稳定性 2.3.1.1 纵向倾覆条件分析纵向倾覆条件分析用用 纵向倾覆的临界状态纵向

20、倾覆的临界状态 为分析依据（为分析依据（O2力矩平衡）力矩平衡）ghltgi200式中：式中：0 Z1为零时极限坡道倾角为零时极限坡道倾角 i 0 Z1为零时道路的纵坡度为零时道路的纵坡度200cossin0gGlaGha2.3.1.2 纵向倒溜条件分析纵向倒溜条件分析 倒溜状态：下滑力与附着力平衡倒溜状态：下滑力与附着力平衡产生纵向倒溜临界状态时坡道倾角；产生纵向倒溜临界状态时坡道倾角；i 产生纵向倒溜临界状态时道路纵坡度产生纵向倒溜临界状态时道路纵坡度 其中对点其中对点O1取矩，可得：取矩，可得：因因hg*tg较小，可略去不计，且较小，可略去不计，且 GGLlk12.3.1.2 纵向稳定性

21、的保证纵向稳定性的保证 分析式上面两式，一般分析式上面两式，一般l2 / hg接近接近1，而，而 远小于远小于1ghltgi200GGk/gkhlGG2 即即i V（km/h）积分后可得积分后可得2542221VVS上式中：上式中：S 制动距离制动距离 （m）V1 制动初速度制动初速度 （km/h）V2 制动终速度制动终速度 （km/h） 当制动到汽车停止时当制动到汽车停止时V2=0 VS25421汽车行驶的燃料消耗主要与发动机有关，除此外，还要受到道路汽车行驶的燃料消耗主要与发动机有关，除此外，还要受到道路的状况、交通情况、驾驶技术及环境评价等方面的影响。的状况、交通情况、驾驶技术及环境评价

22、等方面的影响。通常用下述指标作为燃料经济性的评价指标通常用下述指标作为燃料经济性的评价指标 :100km行程燃料行程燃料消耗数消耗数Qs 在在2009年法兰克福国际汽车展上，大众汽车首次展示了最年法兰克福国际汽车展上，大众汽车首次展示了最新研发的新研发的L1汽车。这辆已接近量产的全新车型具备极佳的空气动汽车。这辆已接近量产的全新车型具备极佳的空气动力特性，风阻系数仅为力特性，风阻系数仅为0.195。凭借着。凭借着0.8升升TDI柴油直喷发动机、柴油直喷发动机、电动机和电动机和7档档DSG构成的世界上最节省油的混合动力系统，和重量构成的世界上最节省油的混合动力系统，和重量仅为仅为124公斤的强化碳纤维材料车身，公斤的强化碳纤维材料车身，L1能够实现能够实现1.38升的百公里升的百公里超低油耗，从而成为当今世界上最省油的混合动力轿车，同时这超低油耗，从而成为当今世界上最省油的混合动力轿车，同时这辆汽车的最高时速仍然可达辆汽车的最高时速仍然可达160公里，二氧化碳排放仅为公里，二氧化碳排放仅为36 g/km假设某道路弯道的最大横向力系数控制为假设某道路弯道的最大横向力系数控制为0.10，则：，则：（1）当当R=500m,ih=0.05时时,允许最大的车速为多少？允许最大的车速为多少？（2）当当v=80km/h, ih= - 0.02（反超高）时（反