道路勘测设计课程

道路勘测设计课程第1页，共58页，2023年，2月20日，星期四现代道路主要服务对象－－汽车道路设计前提－－满足汽车行驶的要求汽车行驶总的要求－－安全、迅速、经济、舒适一要保证汽车行驶稳定性，不倒溜、不滑移、不倾覆二尽可能提高车速，降低运输成本，以提高运输效率三尽量使乘客和驾驶员感到舒适掌握汽车的动力特性及其与道路线形设计的基本关系，了解有关道路勘测设计的基础知识第2页，共58页，2023年，2月20日，星期四第3页，共58页，2023年，2月20日，星期四汽车的各种外力——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。牵引力内燃发动机N产生曲轴扭矩M驱动轮扭矩Mk第4页，共58页，2023年，2月20日，星期四对汽车驱动性能进行分析时，只需研究功率N和扭矩M与转数n之间的关系曲线5.1.1.1发动机曲轴扭矩M

式中：M——发动机曲轴的扭矩(N·m)N——发动机的有效功率（kW）n——发动机曲轴的转速(r/min)第5页，共58页，2023年，2月20日，星期四发动机曲轴上的扭矩M，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Mk5.1.1.2驱动轮扭矩MkMk=MγηT

Mk－汽车驱动轮扭矩（N·m）γ－总变速比，γ=i0·ikM－发动机曲轴扭矩（N·m）ηT－传动系统的机械效率此时，驱动轮上的转速nk、相应的车速V为：式中：V——汽车行驶速度（km/h）n——发动机曲轴转速（r/min）r——车轮工作半径（m），一般为未变形半径r0的0.93~0.96倍。第6页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.1.1.3汽车的牵引力T为牵引力，汽车行驶阻力R抗衡第7页，共58页，2023年，2月20日，星期四车速V的计算公式可看出牵引力T与功率N之间的关系,发动机的有效功率越大，汽车的牵引力越大

5.1.1.3汽车的牵引力第8页，共58页，2023年，2月20日，星期四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：空气阻力道路阻力惯性阻力

5.1.2汽车的行驶阻力

第9页，共58页，2023年，2月20日，星期四

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。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。汽车在运动时所产生的空气阻力Rw可以用下式计算：

式中：K——空气阻力系数A——汽车迎风面积（m2），KA也称为汽车流线型因数V——汽车与空气的相对速度（km/s），可近似地取汽车的行驶速度

5.1.2.1空气阻力

第10页，共58页，2023年，2月20日，星期四（1）滚动阻力

路面类型、轮胎结构及行驶速度等有关。滚动阻力与轮胎承受的力成正比，即

式中：Rf——滚动阻力(N)G——汽车的总重力(N)f——滚动阻力系数，见下表5.1.2.2道路阻力

Rf=Gf(N)表5－1各类路面滚动阻力系数f值路面类型水泥及沥青混凝土路面表面平整的黑色碎石路面碎石路面干燥平整的土路潮湿不平整的土路f值0.01～0.020.02～0.0250.03～0.050.04～0.050.07～0.15第11页，共58页，2023年，2月20日，星期四（2）坡度阻力

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，而下坡时分力与前进方向相同，推动汽车行驶。坡度阻力可用下式计算

式中：RI——坡度阻力（N）G——车辆总重力（N）α——道路纵坡倾角i——道路纵坡度，上坡为正；下坡为负

RI=Gsinα

当sinα≈tgα=i

时RI=Gi

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

)（N）第12页，共58页，2023年，2月20日，星期四汽车的总行驶阻力：（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和惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示式中：RI——惯性阻力（N）

G——车辆总重力（N）

g——重力加速度（m/s2）

δ——惯性力系数（或旋转质量换算系数）

R=RW+RR+RI

第13页，共58页，2023年，2月20日，星期四T=R=RW+RR+RI

5.1.3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5.1.3.1汽车的运动方程式

牵引力T将有关公式代入牵引平衡方程式，则汽车的运动方程式第14页，共58页，2023年，2月20日，星期四（行使必要条件）

5.1.3.1汽车的行驶条件T≥R

(行使充分条件）

T≤φGk

式中：φ——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）Gk——作用在驱动轮的荷载。一般情况下，小汽车为总重的0.5~0.65倍，载重车为总重的0.65~0.80倍第15页，共58页，2023年，2月20日，星期四汽车行驶条件对路面提出了一定要求：宏观上：要求路面平整而坚实，尽量减小滚动阻力（满足规范平整度要求）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）表5－2各类路面上附着系数φ的平均值

路面类型路面状况干燥潮湿泥泞冰滑水泥混凝土路面0.70.5//沥青混凝土路面0.60.4//过渡式及低级路面0.50.30.20.1第16页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.2.1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加速、上坡、最大速度等的性能。研究汽车的动力性能的目的：为道路纵断面设计提供理论依据

D称为动力因数，即为单位车重具备的牵引潜力。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

第17页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.2.1汽车的动力因数

λ为动力因数D的海拔荷载修正系数第18页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.2.1汽车的动力因数

第19页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.2.1汽车的动力因数

第20页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.2.2汽车的行驶状态

对不同排档的D—V曲线，D值都有一定使用范围，档位愈低，D值愈大，而车速愈低。当汽车的动力因数为D，道路阻力为ψ，汽车的行驶状态有以下三种情况：

第21页，共58页，2023年，2月20日，星期四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。汽车的加速度愈大，加速时间和行程愈短，汽车的加速性能愈好。5.2.4汽车的加、减速行程

由ds=vdt及加、减速度a=dv/dt(m/s2)，得

（a≠0）设初速V1，终速V2对上式积分，并将车速v(m/s)化成V（km/h），得为使用方便，对上式积分，将数据绘制加、减速行程图，以备查用第22页，共58页，2023年，2月20日，星期四第23页，共58页，2023年，2月20日，星期四第24页，共58页，2023年，2月20日，星期四第25页，共58页，2023年，2月20日，星期四习题一：某道路滚动阻力系数为0.02，东风EQ-140汽车满载行驶，使用I档爬坡，速度保持10km/h。求海拔高度H=5000m能克服的最大坡度i？习题二：已知λ=0.75，f=0.01，东风EQ-140载重车以80km/h速度在3.5%的坡道上爬坡，当速度降为60km/h时；问：此时已爬坡道长多少米？第26页，共58页，2023年，2月20日，星期四解：H=5000m，ζ=(1-2.26*10e-5*5000)5.3=0.53=λ（满载）查图5-3，I档、10km/h对应D=0.27由a=0，f=0.02，λ=0.53，D=0.27带入公式：解得：i=12.3%习题一：某道路滚动阻力系数为0.02，东风EQ-140汽车满载行驶，使用I档爬坡，速度保持10km/h。求海拔高度H=5000m能克服的最大坡度i？第27页，共58页，2023年，2月20日，星期四解：（f+i）/λ=（0.01+0.035）/0.75=0.06（查6号线）80km/h对应λS1=10060km/h对应λS2=450S=(λS2-λS1)/λ=(450-100)/0.75=467m习题二：已知λ=0.75，f=0.01，东风EQ-140载重车以80km/h速度在3.5%的坡道上爬坡，当速度降为60km/h时；问：此时已爬坡道长多少米？第28页，共58页，2023年，2月20日，星期四汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因素作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生滑移、倾覆等现象的能力影响汽车行驶稳定性的主要因素: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用力学平衡原理分析汽车行驶的稳定性，从而为道路几何线形设计提供依据第29页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.1汽车行驶的纵向稳定性

第30页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.1.1纵向倾覆条件分析用纵向倾覆的临界状态为分析依据式中：α0

——Z1为零时极限坡道倾角

i0——Z1为零时道路的纵坡度第31页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.1.2纵向倒溜条件分析

倒溜状态：下滑力与附着力平衡αφ—产生纵向倒溜临界状态时坡道倾角；iφ

—产生纵向倒溜临界状态时道路纵坡度

其中对点O1取矩，可得：因hg*tgαφ较小，可略去不计，且

第32页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.1.2纵向稳定性的保证

分析式上面两式，一般l/hg接近1，而远小于1

即iφ<i0

第33页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.2汽车行驶的横向稳定性

5.3.2.1汽车在平曲线上行驶时受力分析

式中：F—离心力（N）R—平曲线半径（m）V—汽车行驶速度（m/s）第34页，共58页，2023年，2月20日，星期四概念：超高ih路面横向倾角α一般很小，则sinα≈tgα=ih，cosα≈1

第35页，共58页，2023年，2月20日，星期四单位车重力的横向力

车速v(m/s)化成V（km/h）

公式表达了横向力系数与车速、平曲线半径及超高之间的关系。u值愈大、汽车在平曲线上的稳定性愈差式中：R——平曲线半径（m）u——横向力系数V——行车速度（km/h）ih——横向超高坡度5.3.2.1汽车在平曲线上行驶时受力分析

第36页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.2.2横向倾覆条件分析为使汽车不产生倾覆，必须使倾覆力矩小于或等于稳定力矩Fih比G小得多略去不计

式中：b——汽车轮距（m）hg——汽车重心高度（m）将代入，可得下式：利用此式可计算汽车在平曲线上行驶时，不产生横向倾覆的最小平曲线半径R或最大允许行驶速度V

第37页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.2.3横向滑移条件分析

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

式中：φh

——横向附着系数，一般φh

=（0.6~0.7）φ,φ值见P32将代入，可得下式：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

各类路面上附着系数φ的平均值－链接

第38页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.3.2.4横向稳定性的保证

汽车不产生倾覆汽车不产生滑移第39页，共58页，2023年，2月20日，星期四汽车的制动性能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。=====================================

汽车的制动性能直接关系到汽车的行驶安全，影响路线设计行车视距、山区公路中陡坡长度指标及缓和坡段的设置等。一些重大交通事故往往与制动距离太长有关，所以具有良好的制动性能是汽车行驶安全的重要保障

第40页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.4.2制动距离

汽车的制动过程：人为地增加汽车的行驶阻力，使汽车的动能或位能（当汽车下坡时）转化为热能的过程。P=Gφ

式中：G——分配到制动轮上的汽车重力。（N）φ——路面与轮胎之间的附着系数制动力P的方向与汽车运动方向相反，制动平衡方程式（略去空气阻力）第41页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.4.1制动平衡方程式

上式中：a——制动减速度（m/s2）Φ——道路阻力系数，Φ=f+iv(m/s)－>V（km/h）积分后可得上式中：S——制动距离（m）V1——制动初速度（km/h）V2——制动终速度（km/h）当制动到汽车停止时V2=0第42页，共58页，2023年，2月20日，星期四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。通常用下述指标作为燃料经济性的评价指标:100km行程燃料消耗数Qs

第43页，共58页，2023年，2月20日，星期四第44页，共58页，2023年，2月20日，星期四第45页，共58页，2023年，2月20日，星期四第46页，共58页，2023年，2月20日，星期四第47页，共58页，2023年，2月20日，星期四第48页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.7.1设计车辆

设计车辆是指道路几何设计所依据的车辆公路工程技术标准2.0.1城市道路设计规范2.3.1第49页，共58页，2023年，2月20日，星期四JTGB01-2003第50页，共58页，2023年，2月20日，星期四CJJ37—90规范

第51页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.7.2设计车速

指道路几何设计依据的车速，即在气候正常、交通密度小、汽车运行只受道路本身条件（几何线形、路面条件、附属设施等）影响时，一般驾驶员能保持安全而舒适地行驶的最大行车速度，也称计算行车速度

第52页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.7.2设计车速

CJJ37—90规范

JTGB01-2003第53页，共58页，2023年，2月20日，星期四5.7.3设计交通量

第54页，共58页，2023年，2月20日，星期