道路规划与几何设计2汽车行驶特性

1、道路勘测设计第二章汽车行驶特性本章内容道路是交通的物质基础，是为汽车提供服务的工程结构物；道路设计是以满足汽车行ß驶要求为前提。本章主要介绍汽车的动力性能、行驶特性 等内容，为道路线形设计理论提供理论支持。ßß2.1ß2.2ß2.3ß2.4ß2.5汽车的驱动力及行驶阻力汽车的动力特性及加 汽车的行驶稳定性汽车的制动性能行程汽车的燃油性第一节概述1、学习目的Ø 道路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的。车辆特性在确定交通工程的某些任务中起着重要作用。ß影响到道路线型（行车道宽度、弯道加宽、ª 车辆的

2、道路纵坡、行车视距、道路、路面及桥涵荷载），交通结构物的等。，交通设施的设计（如停车场设计）ª 车辆行驶特性直接影响道路的线型及驾驶员操作性等：Ø 汽车运动基本规律对公路的要求指导公路设计保证公路的使用品质、服务等级。Ø 汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础。2、研究内容Þ研究汽车的驱动力和行驶阻力；Þ分析汽车运动的基本规律；Þ研究汽车主要动力性能等行驶特性；Þ分析影响汽车主要使用性能的因素。3、汽车行驶性能的主要内容动力性能：指汽车所具有的、上坡、最大速度等的Þ性能汽车的动力性愈好，速度就愈高，所能克服的行驶阻力

3、也愈大决定道路的最大纵坡、坡长限制等；制动性：是指汽车行驶中强制降低车速以至停车，或在下坡时能保持一定速度行驶的能力行车安全决定行车视距。行驶稳定性：汽车在行驶过程中，在外部因素作用下，ÞÞ汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去而产生滑移、倾覆等现象的能力行车安全决定平曲线极限半径、组合坡度等。3、汽车行驶性能的主要内容稳定性：指汽车能否按驾驶员意图汽车的能力Þ汽车的转向性、高速稳定性、轨迹等道路线型；轻便性决定行驶Þ燃油性：是汽车以最少的燃油消耗量完成工作的能力汽车主要的使用性能之一；Þ行驶平顺性：汽车在不平道路上行驶时免受冲击和的能力影响

4、平均技术速度、舒适性等；Þ通过性：汽车在各种道路和无路地带行驶的能力决定汽车的适用性与使用范围。和提高汽车性能汽车设计+道路设计。4、汽车行驶对道路的基本要求安全：保证汽车的行驶稳定性，避免发生翻车、倒溜、侧滑等；Þ迅速：行驶速度平均技术速度。Þ：评价汽车成本：低；生产率：高Þß工作效率的指标有：生产率周转率Ý 汽车成本油料及轮胎消耗，保养周期Ý舒适：Ý 视觉上：线形美观，赏心悦目，自然环境与景观设计Ý 生理上：平稳、不颠簸，离心力小Ý 心理上：轻松，有安全感，心情愉快。Þ第二节汽车的

5、驱动力及行驶阻力汽车的构造汽车的驱动力2.1产生每分钟n的转速旋转产生发曲离合器变速器传动轴主传动器差速器等驱动轮产生驱动轮扭矩MK驱动轮旋转与地面作用行驶功率(N)：发功率,千瓦(Kw)/马力（hp）, 1hp = 0.7457 kW.扭矩(M)：表征汽车牵引力的大小，牛顿·米/千克·米，1千克·米=9.8牛顿·米燃油消耗(ge)：发每小时产生每千瓦功率消耗的燃油量，（克/(千瓦*小时)）转速(n)：转/分钟有一个简单的公式可以表明功率、牵引力和速度的关系：功率(N)扭矩(M)×转速(n) 牵引力(T)×速度(V)ß汽车传

6、动系统：1、发曲轴扭矩M外特性曲线与发NmaxM max功率曲线扭矩曲线最大转速最小转速nminnmaxnMnN发外特性曲线发特性曲线：发功率N/扭矩M/燃油消耗率ge与发曲轴转速n之间的函数关系以曲线表示发转速特性曲线油门全开时称发外特性曲线否则称发部分负荷特性曲线。1、发ß发外特性曲线与发曲轴扭矩M输出的功率N与产生的扭矩M的关系：TrMN = M × n(kW) 9549N = M × n × 2pr= M × n r6010009549功率(N)扭矩(M)×转速(n) 牵引力(T)×速度(V)东风EQ-140发外特性

7、曲线功率曲线相互转化扭矩曲线N = M × n (KW ) 9549两种曲线的取得：法一：发厂法二：已知Nmax/nN经验公式功率曲线扭矩曲线发转速特性经验公式：ß式中：Nmax发的最大功率(kW)；的最大功率所对应的转速（rmin）nN发ß法三：已知Nmax/nN/Mmax/nM经验公式扭矩曲线发转速特性经验公式：式中：Mmax最大扭矩（N·m）；NMN最大功率所对应的扭矩， MN= 9549max n NnN最大功率所对应的转速（r/min）； nM最大扭矩所对应的转速(rmin)；扭距M = M- M max - M N (n- n)2 (N &#

8、215; m)max(n- n)2M NM功率N = Nén + a ( n )2 - a ( n )3 ù(kw)max êa1 n2n3núëNNNû2、驱动轮扭矩Mk （驱动轮从动轮）发曲轴上的扭矩M经过变速箱（速比ik）和主传动ß器（速比i0）两次变速：两次变速的总变速比为：=i0·ik；传动系统的机械效率为：T<1.0；传到驱动轮上的扭矩Mk为：Mk=MT驱动轮上的转速nk为：ßßßßßnnnk = i= gi0 k车速V与发转速关系：两次变速目的：

9、增大扭矩/驱动力以克服行驶阻力。V = (2pr n )* 60= 0.377 nr(km / h)g1000g3、汽车的驱动力T = Mk= MghT= 0.377 n Mh= 3600 N h(N) rrVTVT特点：汽车的驱动力与车速成反比。3、汽车的驱动力ß汽车的驱动力发发特性曲线牵引特性曲线= MghTT = Mk= 0.377 nMh= 3600 N h(N)TTrrVV东风EQ-140发外特性曲线 发特性曲线汽车牵引特性曲线PtPtPt2Pt3Pt4图2-6汽车的牵引特性图VPt1、Pt2、Pt3和Pt4分别表示一、二、三档及直接档时汽车牵引力与汽车行驶速度的关系曲线。

10、汽车的行驶阻力2.2ß1、空气阻力ß2、道路阻力Ý 滚动阻力Ý 坡度阻力ß3、惯性阻力汽车的行驶阻力2. 2ß1、空气阻力汽车在行驶中，由于迎面空气质点的，车后的真ß空吸力及空气质点与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力式中：K空气阻力系数，它与汽车的流线型有关；空气密度，一般=1.2258（N·s2/m4）； A汽车迎风面积（或称正投影面积）（m2）； v汽车与空气的相对速度（m/s或km/h ），可近似地取汽车的行驶速度。对汽车列车的空气阻力，一般可按每节挂车的 空气阻力为其牵引车的20%折算。= KA

11、V2Rw21.15(N)R= 1 KArv2w22、道路阻力道路阻力是由弹性轮胎变形和道路的不同路面类型及ß纵坡度而产生的阻要包括滚动阻力和坡度阻力。ß1）滚动阻力Ø 弹性轮胎反复变形材料内部发生摩擦消耗一部分功率Ø 柔性路面路面变形接触面之间产生摩擦消耗部分功率（路面支反力前移，与车轮重力形成反向力矩）。Ø 路面不平整轮胎和撞击引起部分功率的消耗。1）滚动阻力滚动阻力与汽车的总重力成正比，若坡道倾角为时： 其值可用下式计算：RfGfcos由于坡道倾角一般较小，认为cos1，则（N）Rf=Gf式中：Rf滚动阻力（N）；G车辆总重力（N）；f滚动

12、阻力系数，它与路面类型、轮胎结构和行驶速度等有关，一般应由试验确定，在一定类型的轮胎和一定车速范围内，可视为只和路面状况有关的常数，见表2-4（P30）。G表 2-3滚动阻力系数 f路面类型滚动阻力系数 f水泥混凝土及沥青混凝土路面0.010.02表面平整的黑色碎石路面0.020.025碎石路面0.030.05干燥平整的土路0.040.05潮湿不平整的土路0.070.152）坡度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：Ri=Gsin因坡道倾角一般较小，认为s

13、intgi，则（N）ßßßßRi=Gißß式中：Ri坡度阻力（N）；G车辆总重力（N）；ßi 道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。ßG道路阻力滚动阻力和坡度阻力均与道路状况有关，且都 与汽车的总重力成正比，将它们统称为道路阻力， 以RR表示：RR=G（f+i）ßß式中：f+i道路阻力系数。3、惯性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力和惯性力矩称为惯性阻力RI表示。ß汽车的质量：平移质量+旋转质量ß式中：惯性力系数/旋转质量换算系数l12ik2 1汽车车轮惯性力

14、的影响系数1=0.030.05；2 发飞轮惯性力的影响系数， 一般小客车 2=0.050.07，载重汽车2=0.040.05；ik变速箱的速比。惯性阻力：R = d G a(N)IgRI2 = åIdwdtGRI1 = ma = g a平移质量的惯性力：旋转质量的惯性力矩：汽车的行驶阻力汽车的总行驶阻力R为：R=RwRRRI汽车的运动方程式与行驶条件2. 3ß1）汽车的运动方程式图2-1汽车直线上坡行驶的受力示意图1）汽车的运动方程式ß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， 称为驱动平衡其驱动平衡方程式

15、（也称汽车的运动方程式） 为T=R=Rw+RR+RI代入表达式，汽车的运动方程式为（修正系数U-负荷率）：ßßß注：U负荷率，一般为8090%。MgmT= KAV2 + d G UG(fi)ar21.15g2）汽车的行驶条件（行驶状态）：ß汽车在道路上行驶（/等速）Þ驱动力各种行驶阻力之和等速行驶；Þ驱动力各种行驶阻力之和行驶；Þ驱动力各种行驶阻力之和行驶，直至停车。2）汽车行驶条件：ß汽车行驶的充分条件：ß驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即：ßTjGkß式中：j附着系数，主要

16、取决于路面的粗糙程度和潮湿泥泞程度，轧胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，根据以上汽车行驶条件，在实际工作中对路面提出了一定要求，从宏观上讲要求路面平整而坚实，从微观上讲又要求路面粗糙而不滑，以增大附着力。汽车行驶的必要条件（即驱动条件）要使汽车行驶，必须具有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。即汽车行驶的必要条件（即驱动条件）：T=R第三节 汽车的动力特性及加、动力特性：能反映汽车动力性能的指标。行程ß汽车的动力性能：指汽车所具有的、上坡、最大速度ß等的性能汽车的动力性愈好，速度就愈高，所能克服的行驶阻力也愈大决定道路的最大纵坡、坡长限制等。汽车的动力因数3.1ß汽车

17、的运动方程式：T = Rw+RR+RIß改变形式：T - Rw= RR+RIßT-Rw汽车的后备驱动力，T、RW之值均与汽车的构ß造和行驶速度有关。代入表达式：ßT - R= G(f + i) + d G aWg为使不同类型汽车的动力性进行比较，且有相同的评价尺度，将上式两端分别除以车辆总重G：T - RW= (f + i) + d agGß令上式左端为D， 即：TRWUMghT - KAV2D =-=GGr × G21.15GD动力因数某型汽车在海平面高程上，满载情况 下，每车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。D = T - RWG为

18、使用方便DV 曲线表示动力特性图可直接不排挡下不同车速对应动力因素值。海拔荷载修正系数:当道路所在地不在海平面上，汽车也不是满载，由于海拔ß增高，气压降低，使发输出功率、汽车的驱动力及空气阻力都随之降低应对动力因数D进行修正D×修正系数：动力因数D的海拔荷载修海拔系数，见图或=(1-2.26×10-5H)5.3其中，H为海拔高度(m)；G满载时汽车的总重力(N)G实际装载时汽车总重力(NlD = (f + i) + d agl = x GG'正系数)D = T - RW= ( f + i) + d a Gg汽车的行驶状态3.2lD = (f + i) +

19、d aa = lg (D - y)由得d = f + ig式中：道路阻力系数，当汽车的动力因数为D，道路阻力为，汽车的行驶状ß态有以下三种情况：Þ当<D时：lgda =行> 驶0 等速行驶行<驶0(Da0Þ当=D时:Þ当>D时：lga =(Dd汽车的行驶状态3.2ß平衡速度：任意的D相应等速行驶的速度VPß临界速度：每一排档最大动力因数Dmax对应的速度Vk临界速度的作用不稳定行驶状态稳定行驶状态V= 0.377 ´ r ´ nmax maxl汽车的行驶状态3.2ß汽车的最高速度：

20、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。ß某一排档的最高速度Vmax ：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）。汽车的道路阻力的适应性：Vmax-VkV= 0.377r × nmax maxg汽车的爬坡能力3.3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=0，则：i=D-fß最大爬坡能力最大爬坡度：指汽车在坚硬路面上用最低档作等速行驶时所能克服的最大坡度。cos1，sintgi，DImax=fcos+sin

21、3;ßß解此三角函数方程式，得最大坡角：lD- f cos1 - l2 D 2+ f 2a= arcsinIm axIm axIm ax1 + f 2lD = (f + i) + d ag汽车的加、行程3.41、计算加、行程ß由ds=vdt，a=dv/dt，得ßds = 1 vdv(a ¹ 0)a设初速V1，终速V2，则：S = ò 2 1vdv =1ò 2 1 VdVVVV1a12.96 V1a2、加、行程图ß东风EQ-140加、行程图加、行程图用法ß第四节汽车的行驶稳定性汽车的行驶稳定性：汽车在行驶过

22、程中，在外部因素作用下，汽车尚能保持正常行驶ß状态和方向，不致失去而产生滑移、倾覆等现象的能力行车安全决定平曲线极限半径、组合坡度等。影响因素：汽车+驾驶员+道路与环境稳定性：纵向+横向表现：滑移+倾覆纵向稳定性：表现：倾覆、滑移（倒溜）条件：匀速惯性阻力为0，低速忽略空气阻力和滚动阻力横向稳定性：表现：倾覆、滑移（侧滑）ß4.1汽车行驶的纵向稳定性1）纵向倾覆：平衡方程：Z1L - Gl2cos0 + Ghgsin0=0临界状态：汽车前轮法向反作用力Z1=0。Z1L = Gl2cos0 - Ghgsin0=0结论：当坡道倾角0或道路纵坡度ii0时，汽车可能产生纵向倾覆。i

23、= l20hgtg= l20hgß2）纵向滑移（驱动轮滑转）临界状态：下滑力等于驱动轮与路面的附着力：GsinjjGk因为sinj » tgj= ij，则纵向滑移临界状态条件：= Gk×ji= tgjjG结论：当坡道倾角j或道路纵坡度iij时，汽车可能产生纵向滑移。纵向稳定性汇总：i £ i= tga= Gk jjjG滑移：jGkG sin aji £ i= tga= l2 00hg倾覆：3）纵向稳定性的保证汽车在坡道上行驶时，发生纵向倾覆前，先发生滑移，是道路设计只要满足不产生纵向滑移，就可避免汽车的纵向倾覆现象出现。汽车行驶时纵向稳定性的条

24、件为：纵坡附着系数i £ i= tga= Gk jjjG： ljG2» 1 ³k< 1hgGij £ i04.2汽车行驶的横向稳定性1）汽车在平曲线上行驶时力的平衡GasinaCcosa CsinaCi0hGa Gacosaga曲线内侧图2-9 汽车在曲线4.2汽车行驶的横向稳定性1）汽车在平曲线上行驶时力的平衡汽车在平曲线上行驶时会产生离心力，其作用点在汽车的重心，方向水平背离圆心。= Gv2离心力FgR受力分析：横向力X失稳竖向力Y稳定将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直于路面的竖向力Y：X = Fcos - GsinY =

25、Fsin + Gcos将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直于路面的竖向力Y：ß由于路面横向倾角 一般很小， 则sintg=ih ，cos1，其中：ih横向超高坡度，Gv2v2X = F - Gih =- Gih = G(-= ihV)2RgRgR127(m + ih )m =V2-ih127Rm = X = v2-ihGgR采用横向力系数来衡量稳定性程度其意义为车重的横向力，即：（确定R曲、评价安全性、舒适性）X = Fcos - GsinY = Fsin + Gcosß横向倾覆：汽车在平曲线上行驶时，由于横向力的作用， 使汽车绕外侧车轮触地点产生向外横向

26、倾覆。汽车内侧车轮支反力N1为0。 倾覆力矩等于或大于稳定力矩。ÞÞ2）横向倾覆条件分析倾覆力矩：稳定力矩：XhgY b = (Fi + G) b » G b 2h222）横向倾覆平衡条件分析：倾覆力矩：稳定力矩：稳定、平衡条件：又：有：汽车在平曲线上行驶不产生横向倾覆最小平曲线半径R min：2R³Vmin127( b+ i )2hhg2m =V- i £b127Rh2hgm =V2-ih127Rm = X £bG2hgXh£ G bg2XhgY b = (Fi + G) b » G b 2h222）横向倾覆平衡

27、条件分析：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。条件：横向力大于轮胎和路面之间的横向附着力。极限平衡状态：横向滑移稳定条件：或 R ³V2127(jh + ih ) £ jh = X = jGhX = Yjh = (Fih + G)jh » Gjh3）横向滑移条件分析横向力系数：超高的概念（横向坡度）倾覆：滑移： £ jhV 2R ³127(jh + ih )m = X £bG2hgV 2R ³æbö127ç+ ih ÷ç 2h

28、÷ègøsin a » tga = ih , cos a » 12m = X=v- i GgRh2m =V- i127RhXY总结：4）横向稳定性的保证横向稳定性：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（b2hg），而 jh<0.5,即：发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象。在道路设计中只要保证不产生横向滑移现象发生，即可保证横向稳定性。 £ jh2或 R ³V 127(jh + ih )保证横向稳定性的条件：b» 1 > j< 0.5 2hhg4.3汽车行驶的组合向稳定性汽车行

29、驶在小半径平曲线上较直线上增加了一项弯道阻力对上坡的汽车耗费的功率增加，使行车速度降低对下坡的汽车有沿组合的坡度方向倾斜、滑移和装载偏重的可的。能对汽车的行驶是汽车行驶在纵坡为i(tg)和超高横坡为ih（tg）的下坡路段上，作用在前轴上荷载W1为：W = G(l2 cosa + hg sin a) cosb1L离心力F分配在前轴上的荷载W2为= Gv2l2W2gRL sinb前轴总荷载W为 :åW = W1 + W2 = G( 2l+ hgi + l2v2ih )LgRL在平直路段上，作用于前轴的荷载W'为：W¢ = l2 GL在有平曲线的坡道上，前轴荷载增量与W的

30、比值为åW - W¢ W¢v2hgI =i +ihgRl2对载重汽车，一般h /l 1，则：g2v2I = i +ihgR直坡道上ih0则I=i即汽车沿直坡道下坡时，前轴荷载增量与在平直路段前轴荷载的比率等于该路段的纵坡度。故：在曲线上如果也以直线上相同大小的最大纵坡imax作为，则有下式成立：V2i £ imax - 127R ih最大纵坡在平曲线上的折减计算方法：v2i +ih £ imaxgR纵坡折减：v2I = i +ih gR第五节汽车的制动性汽车的制动性：是指汽车行驶中强制降低车速以至停车，或在下坡时能保持一定速度行驶的能力安全性决定行车视距。Þ汽车制动性的评价指标评价汽车制动性的指标：制动效能（制动距离） 制动效能的热稳定性制动时汽车的方向稳定性Þ制动距离：制动距离是汽车从制