道路工程第二章道路车辆及运行特性

第一节汽车行驶特性道路上汽车类型汽车的驱动力及行驶阻力汽车行驶条件汽车的爬坡能力第一页，共四十二页。轴距后悬前悬第二页，共四十二页。第三页，共四十二页。传动系、行驶系、转向系、制动系

发动机、离合器、变速箱、万向传动轴、差速器、车辆、驱动轮、制动器等。第四页，共四十二页。机械式传动系一般组成及布置示意图传动系1-离合器2-变速器3-万向节4-驱动桥5-差速器6-半轴7-主减速器8-传动轴图为传统的发动机纵向安装在汽车前部，后桥驱动的4×2汽车布置示意图。发动机发出的动力经离合器、变速器、万向传动装置传到驱动桥。在驱动桥处，动力经过主减速器、差速器和半轴传给驱动车轮。第五页，共四十二页。传动系：发动机外特性曲线燃料→热能→活塞、曲轴→机械能→作功第六页，共四十二页。传动系：离合器：作用：（1）保证起步时工作平稳。（2）行进中换挡。（3）传动系不至于过载。1-飞轮2-从动盘3-压盘4-膜片弹簧第七页，共四十二页。传动系：变速箱：作用：减速增扭

1-输入轴2-轴承3-接合齿圈4-同步环5-输出轴6-中间轴7-接合套8-中间轴常啮合齿轮此变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。第八页，共四十二页。传动系：万向传动：作用：柔和接触、传动1-万向节2-传动轴3-前传动轴4-中间支承第九页，共四十二页。传动系：主传动器、减速器：作用：①减速、增扭，②动力转90°方向。1-轴承；2-左外壳；3-垫片；4-半轴齿轮；5-垫圈；6-行星齿轮；7-从动齿轮；8-右外壳；9-十字轴；10-螺栓第十页，共四十二页。汽车的行驶性能第十一页，共四十二页。一、车辆类型、尺寸、重量和构造1车辆类型

汽车可分为客车和货车两大类。客车包括小客车（轿车）、面包车、公共汽车（小型、中型和铰接式）等。货车可进一步分为卡车（轻型、中型和重型）和组合式货车（各种拖挂式货车）两类。第十二页，共四十二页。（1）小客车

小客车为二轴-四轮车辆，可坐2～6人，主要作为个人交通工具。按重量和尺寸大小，可分为小型、中型和重型三种。其重量变动于6.8～18kN范围内；车身长度在3.5~5.6m之间，前后轴的中心距变动于2.3~3.1m之间，车身后缘到后轴的长度（后悬距离）为0.6~1.5m之间；车身宽度为1.6~2.0m，高度为1.15~1.65m之间。（2）面包车

面包车通常由小客车或轻型卡车的底盘改装而成，可乘坐6～15人。（3）公共汽车

小型公共汽车通常有15～25个座位，供短途运输用，其车身长约为5.5～7.6m，宽为2.0～2.5m。中型公共汽车可为二轴或三轴，车身长9～12m，宽2.4～2.6m，约有45个座位。把半挂车固定地联结在二轴中型公共汽车上，便组成铰接式公共汽车。其长度约为16～18m，宽度为2.6m，包括站立乘客在内约可容纳100人以上。第十三页，共四十二页。（4）卡车

卡车系指载货区和动力设备装在共同的车架上不能分开的货车。卡车包括二轴四轮（轻型卡车）、二轴六轮、三轴（双后轴）和四轴（三后轴）卡车四种。轻型卡车的总重量—般小于45kN，二轴六轮卡车的总重量大都在45～180kN范围内，而三轴和四轴卡车的总重量可高达260～300kN。（5）组合式货车

组合式货车由牵引车或卡车同一个或多个挂车组合而成，可总称为拖挂车。牵引车和挂车通过铰接方式联结时，彼此可相对转动，因而也可称为铰接车。组合式货车的总重量一般可达到400～500kN，通常用于长途运输。挂车有两种：后端有一个轴或多个轴但前端无轴的半挂式，其前端放在牵引车的后端上，并把一部分重量传给前面牵引车；前后各有一个轴或多个轴的全挂式，由卡车或带半挂车的牵引车拖带，但不把重量转给前面。第十四页，共四十二页。2车辆尺寸及设计车辆汽车可分为客车和货车两大类。客车包括小客车（轿车）、面包车、公共汽车（小型、中型和铰接式）等。货车可进一步分为卡车（轻型、中型和重型）和组合式货车（各种拖挂式货车）两类。各类汽车的外廓尺寸由总长度、宽度和高度组成，它们影响到对道路的车道宽度、净空和转弯半径等方面的要求。影响道路几何设计和结构设计的其它尺寸参数还有：车身前缘到前轴的长度（前悬距离）、车身后缘到后轴的长度（后悬距离）、前后轴中心距（轴距）、双轴中心距、三轴中心距、轮中心距等。第十五页，共四十二页。3车辆的重量车辆的重量通过车轴和车轮传递给道路和桥梁结构物。汽车前轴的轴型都为单轴，后轴的轴型可采用单轴、双联轴或三联轴。前轴两侧的车轮都由单轮胎组成，而后轴两侧的轮胎可由单轮胎或双轮胎组成。车辆重量大小，主要影响到对道路和桥梁的结构承载能力的要求。重量特性主要由车辆总重和轴重以及轴型和轮型表征。车辆总重或轴重越大，对道路和桥梁结构承载能力的要求越高，同时，在使用过程中对道路和桥梁的损坏越严重，因而，所建工程的造价（投资）和工程的运营（维护）费用便越高。为了兼顾道路建设和运营部门及道路使用者双方的利益和便利，对道路上行驶车辆的总重和轴重的最高值进行定量限制。第十六页，共四十二页。

各国对道路上行驶车辆的最大轴重和总重有不同的限定。单轴最大允许轴重变动于80~130kN；双联轴最大允许轴重变动于140~210kN；三联轴最大允许轴重变动于180~270kN。卡车的最大允许总重变动于240~400kN；半挂式和全挂式货车的最大允许总重变动于360~500kN。我国公路部门规定的单轴最大允许轴重为60kN（每侧单轮胎）或100kN（每侧双轮胎），双联轴最大允许轴重为100kN（每侧单轮胎）或180kN（每侧双轮胎），三联轴最大允许轴重为120kN（每侧单轮胎）或220kN（每侧双轮胎）；卡车和单拖挂货车的最大允许总重为400kN，双拖挂或三拖挂货车的最大允许总重为460kN。我国公路标准规定路面设计标准轴载为双轮组单轴100KN。第十七页，共四十二页。二、汽车的驱动力及行驶阻力1、汽车的驱动力燃料→热能→活塞→机械能→[产生有效功率N]→曲轴→[产生每分钟n的转速旋转]→[产生发动机曲轴扭矩M]→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]功率(N)，发动机功率,单位千瓦(Kw)/马力（hp）,1hp=0.7457kW.扭矩(M),表征汽车牵引力的大小,单位牛顿.米/千克.米,1千克.米=9.8牛顿.米燃油消耗(ge),发动机每小时产生每千瓦功率消耗的燃油量，单位（克/千瓦/小时）转速(n)，单位转/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)＝(牵引力)扭矩(M)×速度(V)第十八页，共四十二页。2、汽车的行驶阻力汽车在道路上行驶时须克服各种阻力，如滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、弯道阻力和惯性阻力等。这些阻力一方面与道路的特性有关，如路面平整程度、坡度、弯道曲率半径等，另一方面则随车辆的运行特性而变，如车辆总重、行驶速度、速度变化速率、车身迎风面积和外廓线形等。（1）空气阻力(Rw)

汽车行驶时的空气阻力包括车辆迎风面处的空气直接作用、空气越过车辆表面（包括车底）的摩阻力以及车后的局部真空。第十九页，共四十二页。（3）坡度阻力(Ri)

汽车在坡道上行驶时，车辆受到其重量平行于坡面的分力的作用。（2）滚动阻力(Rf)

汽车在道路上行驶时的滚动阻力来源于轮胎表面于路面之间的摩阻滑移，轮胎橡胶在接触表面处的弯曲变形，车轮滚过路表面突出的石子或不平整的破碎路面，车辆从道路的低洼处爬出，推动车轮通过砂、雪或泥地，在轮、轴和组合器轴承处以及变速齿轮中的内部摩阻等。滚动阻力、坡度阻力均与道路状况有关，且与总重力成正比，表示为道路阻力：第二十页，共四十二页。（5）惯性阻力(RI)汽车行驶速度变化（加速或减速）时，车辆受到运动惯性阻力的作用。此惯性阻力是车辆重量及加速或减速速率的函数。

式中，R为车辆总行驶阻力，kg。在车辆下坡或减速行驶时，式中的坡度阻力或惯性阻力为负值。由上述各项阻力的关系式可以看出，除空气阻力外，其它各项阻力均与车辆的总质量成正比；而除了坡度阻力和惯性阻力外，其它各项阻力还与车辆的行驶速度或速度平方成正比。因此，车辆总质量和行驶速度是影响行驶阻力大小的两项最主要的因素。

综合上述各项阻力，车辆在路上的总行驶阻力为：第二十一页，共四十二页。汽车的行驶条件：汽车在道路上行驶，当驱动力等于各种行驶阻力之和时，汽车就等速行驶；当驱动力大于各种行驶阻力之和时，汽车就加速行驶；当驱动力小于各种行驶阻力之和时，汽车就减速行驶，直至停车。所以，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。第二十二页，共四十二页。三、汽车动力性能及加、减速行驶汽车的动力性能系指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等的性能，动力性能越好，速度就越高，所能克服的阻力就大。这里为纵断面设计提供依据。1、汽车的动力特性图方程表明了汽车行驶时，驱动力和各行驶阻力之间的平衡关系。当发动机转速特性、变速器传动比、主减速比、机械效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积及汽车总质量等初步确定后，便可利用此式分析汽车在良好路面（沥青、混凝土路面）上的行驶能力，即确定节流阀全开时，汽车能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力第二十三页，共四十二页。2、汽车的行驶状态汽车的动力因数D，它表示某型汽车在海平面上，满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。某档动力特性图第二十四页，共四十二页。3、汽车的爬坡能力4、汽车的加减速行程第二十五页，共四十二页。第二十六页，共四十二页。第二十七页，共四十二页。四、汽车的行驶稳定性和制动性能1、汽车的纵向稳定性条件：匀速、惯性阻力为0，低速，忽略空气阻力和滚动阻力第二十八页，共四十二页。倾覆：滑移：第二十九页，共四十二页。稳定性保证：发生纵向倾覆前，先发生滑移。原因是：附着系数纵坡第三十页，共四十二页。2、汽车的横向稳定性（曲线上）原因：离心力的原因，部分靠超高产生的重力分量抵消，其余靠横向摩擦力抵消。第三十一页，共四十二页。倾覆：滑移：横向力系数：超高的概念（横向坡度）第三十二页，共四十二页。稳定性保证：发生横向倾覆前，先发生滑移。原因：横向力系数附着系数横向附着系数第三十三页，共四十二页。3、汽车的纵横组合稳定性上坡速度降低，耗费增加，而下坡存在合成坡度，比较危险。第三十四页，共四十二页。4、制动性能制动性能使用制动距离来评价：路面与轮胎之间的附着系数,道路阻力系数f+i

要制动就施加制动力P：方向与前进方向相反，略去风阻力。第三十五页，共四十二页。制动到停止：

制动距离：

第三十六页，共四十二页。五、汽车燃安油经济性燃油消耗虽然同汽车发动机的效率密切相关，但很大程度上也受到道路和交通状况的影响。燃油消耗随行驶速度而变化，呈两端高中间低的规律，即低速和高速行驶时油耗大，中速行驶时油耗相对较低。随着路段纵坡的增大，由于需消耗部分功率以克服坡度阻力，燃油消耗迅速增加。而在弯道上行驶时，由于需克服弯道阻力，燃油消耗相应增大，转弯角度越大，油耗增加得越多，并且，行驶速度越高，油耗的增长率越大。此外，随着路面不平整程度的增加，由于滚动阻力的增加，燃油消耗增大。综合上述因素的影响，汽车的燃油消耗量可采用下述一般关系式表示：第三十七页，共四十二页。第二节设计车辆

及几个主要问题

规范对各种车辆进行归类，将其尺寸标准化，称为“设计车辆”，作为道路设计的依据。1、《公路工程技术标准》将机动车分为三种：①小客车②载重汽车③鞍式汽车2、《城市道路设计规范》将机动车分为三种：①小型汽车②普通汽车③铰接车3、《城市道路设计规范》将非机动车分为四种：①自行车②三轮车③板车④兽力车第三十八页，共四十二页。路上行驶着不同类型的车辆，各具不同的尺寸，对道路的几何尺寸分别提出不同的要求。道路几何设计时，通常选择一些车辆作为设计车辆，这些车辆的尺寸和行驶特性要求将对设计起控制作用。设计车辆的选择依据道路的功能等级和使用该道路的车辆组成。轿车和卡车一般是道路设计选用的最小的车辆。大多数公路设计时应考虑选择一种半挂式组合货车作为设计车辆，特别在弯道处设有路缘石或分隔带时。我国公路工程技术标准和城市道路设计规范为三种类型的车辆：小客车、卡车和半挂车（铰接车），分别规定了设计车辆的外廓尺寸，作为设计时的控制指标。表列出了有关的规定值。此外，还限定了路上行驶车辆的总长度不得超过20m；总高度不得超过4.3m；宽度不得超过3m。公路和城市道路设计用的设计车辆外廓尺寸（m