道路勘测设计汽车行驶理论

第2章汽车行驶理论

2.1概述2.2汽车的牵引力及牵引力平衡2.3汽车在道路上行驶的稳定性2.4汽车的制动性能2.5汽车在道路上的行驶轨迹复习思考题2.1概述公路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的，因此，在公路线形设计时，就必须弄清汽车行驶对公路的要求是什么，而要弄清这一问题，又需要了解汽车在公路上是怎样行驶的，这就是汽车行驶理论所需要研究的问题。1、研究汽车行驶理论的意义公路是一种线形的交通运输工程结构物，主要供汽车行驶，因此，必须了解汽车的性能及其行驶对公路的要求。汽车行驶理论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。通过上述研究，进一步分析影响汽车使用和行驶性能的各种因素，就可最大限度地从汽车构造、公路设计以及其它行车条件等方面发挥汽车的使用效益。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，就必须从驾驶者、汽车、公路和交通管理等方面来保证。就公路线形设计方面讲，主要从以下几方面来保证。①保证汽车在路上行驶的稳定性，即保证安全行车，不发生翻车、倒溜或侧滑。因此需要在研究汽车行驶过程中的力系的平衡条件、分布情况和行车稳定性等的基础上，合理设置纵、横坡度和弯公以及提高车轮与路面间附着力。②尽可能提高车速。评价运输效率的指标是汽车运输生产率和运输成本，平均技术速度是主要影响因素之一。为了提高车速，就需要充分发挥汽车行驶的动力性能，因此在公路设计时必须严格控制曲线半径、最大纵坡及坡长，合理设置超高和缓和曲线，并尽可能地采取大半径曲线及平缓的纵坡。③保证公路上的行车畅通。为保证公路上行车不受阻碍或受尽量小阻碍，公路线形设计需要保证平面上有足够的视距，纵断面上应正确设计竖曲线，横断面上应有足够的通行宽度。此外，还应尽可能地减少平面交叉以及采取增加交通安全和防止公害等措施。④尽量满足行车舒适。线形设计时，需要正确地组合平面线形和纵面线形，以增进驾驶者和乘客在视觉上和心理上的舒适感，采用符合视觉舒顺要求的曲线半径，注意线形与景观的协调、沿线的植树绿化等。如上所述，公路的线形设计与汽车行驶时各主要性能是密切相关的，因此汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础，是制定公路线形几何标准（如平曲线半径、纵坡坡度等）的理论依据。掌握应用汽车行驶理论对于指导公路线形设计、研究和制定公路技术标准有着重要意义。2.汽车的行驶性能1）

动力性能：指汽车所具有的牵引力所决定的汽车加速、爬坡和最大速度的性能。汽车的动力性能越好，就会有较高的车速、较好的爬坡能力和加速能力。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。汽车通过性能越好，汽车使用的范围就越广。2）

制动性：指汽车强制停车和降低车速的能力。汽车制动性能的好坏，直接关系到行车安全，制动性能好，汽车才能以较高的车速行驶。3）

行驶稳定性：指汽车遵循驾驶者指定方向行驶的能力。汽车行驶稳定性直接关系到行车的安全。4）

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。汽车行驶平顺性，对汽车平均技术车速、乘车舒适性、运货完整性等有很大影响。5）

操纵稳定性：指汽车是否按驾驶员的意图控制汽车的性能。它包括汽车的转向特性、高速稳定性和操纵轻便性。2.2汽车的牵引力与牵引力平衡1.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，并受到弯道超高、加减速、制动、路面凹凸不平等因素的影响。汽车运动时所受的力可分为：（1）路面摩擦力，由汽车轮胎与路面接触而产生。司机可通过加速、制动而改变作用力，以控制汽车的运行。（2）因路面凹凸不平而产生的力，包括垂直方向及前后、左右的力，它恶化了汽车的耐久性和平顺性，影响了行驶的稳定性。（3）由于路面结构而产生的力，包括路拱（超高）侧向力、由于路面形状而产生的力、弯道引起的力。汽车行驶中受力情况与汽车的运动状态有密切的关系。汽车的运动状态可分为直线行驶和曲线行驶，下面分别对两种状态下汽车行驶中受力情况进行简单分析。（1）汽车在直线上行驶图2-1所示为后轴启动的双轴汽车，在直线坡道上作上坡加速行驶的受力情况。汽车加速上坡行驶时之惯性力及重力平行于路面的分力（即坡度阻力）作用在汽车的重心上，作用方向与汽车行驶方向相反。空气阻力可视为作用在汽车正面风压中心的集中力。此外，在汽车上尚有汽车重力垂直于路面之分力。作用在汽车上的力除上述的外，还有路面对汽车的反作用力；汽车车轮上的法向反作用力Z1及Z2，它与接触面垂直，并通过车轮中心；滚动阻力矩Mf1及Mf2，其作用方向与车轮回转方向相反，由前所述知滚动阻力矩值为汽车车轮上的切向反作用力X1及X2作用在车轮与路面的接触面上，并与车轮接触面的切线方向一致，从动轮的切向反作用力X1的作用方向与汽车行驶方向相反，而驱动轮的切线反作用力的作用方向则与汽车行驶方向相同，惯性力矩MJ1及MJ2的作用方向与车轮的回转方向相反。如果将汽车的诸作用力分别对前轮接地点及后轮及地点取矩，并考虑到

则（2—1）（2—2）由以上式（2-1），（2-2）可知，当汽车行驶时，作用在汽车前后轮上的法向反作用力不仅与汽车结构参数（如、L1、L2、hg、等）有关，而且随汽车运动情况而变化。汽车在上坡行驶时，反作用力Z1减小，而Z2增大；下坡行驶时，则相反。空气阻力使反作用力Z1减小，而Z2增大，其差别随风压中心高度的增高而加大。作用在汽车前轮（从动轮）的切向反作用力X1为（2—3）而作用在汽车后轮（驱动轮）的切向反作用力X2为（2—4）（2）汽车在曲线上行驶图2-2所示为汽车在有横坡的道路上作曲线行驶的受力情况。图中汽车的重力和惯性力作用在汽车的重心Cg上，由于横坡的存在，此时作用在汽车上的侧向力除力外，尚有汽车重力平行于路面的分力。如对汽车左边车轮与公路接触面中点的连线取矩，则可得+

解上式可得汽车右轮上所受的法向反作用力（2—5）同理可得汽车左轮上所受的法向反力（2—6）图2-3所示为汽车在有横坡的公路上作曲线行驶时的受力情况（俯视图），图中除侧向力及惯性矩MJZ外，其它作用力及反作用力均未绘出。如对汽车后轴中心取矩，则按平衡条件可得解上式可得作用在汽车前轴车轮的侧向反作用力（2—7）同理可得作用在汽车后轴车轮的侧向反作用力为（2—8）式中：MJZ——汽车在曲线上行驶时之惯性力矩。2.牵引力的产生及传递汽车的行驶需要克服各种行驶阻力，因而必须具备足够的动力—牵引力，汽车行驶时牵引力来自内燃发动机。燃料在发动机内燃烧，将热能转变为机械能，因此牵引力取决于发动机的性能。1．（1）表征汽车发动机特性的基本指标①有效功率有效功率指汽车在单位时间内所具有的做功的能力，单位为千瓦（KW）。不同的汽车，发动机性能不同，所发出的有效功率也不同。如在发动机转速为3000时，不同汽车发动机所发出的最大功率分别为：解放CA—141，Nmax=99KW/3000r（135马力）；黄河JN—150，Nmax=117.6kw/1800r；红旗小轿车CA-772，Nmax=161.8KW/4000r。（②转速转速是指发动机曲轴单位时间内的旋转次数，用每分钟转数（r/min）为单位。转速的大小影响汽车行驶的快慢。（③扭矩扭矩是指汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩，用牛顿米（N.m）为单位。汽车发动机扭矩的大小，决定了汽车产生牵引力的大小。④转动角速度指单位时间内发动机曲轴转动的角度，单位是弧度/秒（rad/s）。（2）发动机有效功率Ne和曲轴扭矩Me的关系发动机内燃料燃烧产生的热能，通过活塞、曲轴转化为机械能，产生有效功率，驱使曲轴以每分钟的转速旋转，产生扭矩，再经过一系列的变速、传动，在驱动轮上产生扭矩推动汽车前进。由功率的基本功式：即或（2—9）如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示，则此曲线称为发动机转速特性曲线，或发动机特性曲线。如果此曲线是当节气阀全开（或最大供油量）时所得，则称为发动机外特性曲线。而在节气阀部分开启（或部分供油量）时所得的曲线，则称为发动机的部分负荷特性曲线或发动机的节流特性曲线。当研究汽车牵性能时，在发动机特性图上可省去单位燃料消耗量。如图2-4所示为某一汽油发动机的外特性曲线。图中为发动机的最小稳定工作转速，随着转速的提高，发动机所发出的扭矩和功率都在增加。当曲轴转速为时，发动机扭矩达到最大值，如进一步提高曲轴转速则发动机扭矩将下降，但发动机功率仍将继续增加，直至其最大值。如再继续提高曲轴转速，则发动机所发出的功率由于汽缸充气恶化，机械损失等原因将逐渐降低。此时发动机的磨损甚为剧烈，故一般发动机设计均使其最大转速不大于最大功率时转速的10~25%。（3检）驱弟动轮拾扭矩愧及蒜牵引北力汽车妥的动糕力传秩递为泼：动愤力扭镜矩（水发动震机）讽离合贡器变籍速箱胡传动扮轴（健万向绑节头户轴）谋主传发动器遭及车后轴驱介动轮揭，即友发动购机曲偿轴扭顷矩直通过京离合诉器、缎变速顷箱，诵随所沃用排甚挡的驾变速陈比阔和驾机械王效率饥，往传至远万向齿节头查轴上顺的扭颜矩为就，此符时赠。万拘向节且头轴刷上的渴扭矩裕再传经至主修传动橡器，吩并随菜主传适动器旅的减站速比涌率卖及碰机械草效率杀，经超车轴那传到利驱动芹轮上坡的扭用矩为傍，惠此时渡，取详有捏。汽车袖行驶放时，给共受穗以下饺几个歉力（类如图锁2-昼5）到：作仇用于丧汽车枪驱动注轮上膏的扭按矩辉，汽个车重精力G津及与肃之相颠平衡杰的反狠力跨，行舌驶阻羡力T罩，路妹面水蒜平反尊力F介。驱径动轮让上的忙扭矩捏可病用一锋对力币偶拜和瞧P代孔替，傻P作诊用在妥轮缘竟上与潜路面肆水平锦反力丈F平刮衡，密作用犁在轮览轴上愈推动菠汽车劝前进欠，与奶汽车呢的行礼驶阻羞力抗命衡。菜所以又=所以象有牵斜引力如果乘要求猜汽车辜具有伞较大凑的牵匆引力回，则圆必须引采用披较大谢的变罗速比帮ik.i0，但室ik.i0随着革的增上大，卧车速燥V会磨降低攀，因馆此汽侦车设黎有几垃个排肿档，追各档跃具有贵固定右的变削速比仙或最艘大速茂度值解。采选用低灰速档趋，能夺获得自较大待的牵程引力粪和较财低车数速，聚采用侨高速娘档，巴能获叫得较铲高的匀车速红和较满小的渡牵引它力。图2谦-6的是由承发动浮机特纪性曲毅线转醋换得饭到的滴汽车切牵引地特性均曲线僚。图塌中Pt1、P株t2珍、P向t3毯和P呆t4删分别峰表示戴一、笑二、扩三、怜档及熊直接件档时赢汽车界牵引逝力与垃汽车禽行驶填速度桑的关娘系曲隙线。脾汽车立的牵住引特撞性对早研究举汽车桌的牵分引性序能至沈关重鹅要，无如汽图车的丢牵引互力与卖行驶惹速度吹的关尘系，瓣不同粘档位乡丰汽车项牵引世力的道变化漠，汽必车的分最大垒行驶悼速度涨、最德大加自速度庸、最乘大爬末坡度退等都初必须臣借助正牵引股特性载加以遍分析共研究页。3.揪汽车仙的行槐驶阻焦力汽车册运动逮时需歌要不鞠断克硬服运伞动中钩所遇慕到的雾各种滚阻力翻。这从些阻千力或惧来自伸汽车吩赖以卫行驶局的路粥面，绿或来洁自汽乘车周小围的培介质羞——吉空气姜，通推常前勺者称挪之为德滚动驳阻力柔（Pf），渣而后香者称放为空探气阻妇力（傻Pw）。捡此外啊，汽削车上艰坡行芬驶时危，所胀需克享服的悲汽车模重力厅在平酱行于涛路面何方向港的分涉力称竖为坡谜度阻土力（抓Pi）；裙汽车疮加速载行驶葱时，姑所需适克服肢惯性亚的阻馒力，陷称为体惯性津阻力飘（Pj）。上述款这些因阻力卵中，灶滚动嫁阻力游和空冈气阻防力存拒在于巨任何曲条件承下，阶因而感在汽晒车运竖动时笨，为满克服洋这些披阻力锦经常漆需要邀消耗脂发动西机一箱定的怜功率刑。坡聚度阻胳力和奋惯性蒙阻力让则存露在于吸某种捧行驶梁条件胀下。押例如结汽车玩在水庄平路股上作缩慧等速尸行驶唱时，风坡度缴阻力南和惯瞎性阻萍力均农不存际在；宵若在看纵坡馋路上创作变旅速行丢驶，撕就有弦坡度暮阻力闷和惯恶性阻掠力。灶用于担克服阶上坡袋时的歌坡度售阻力苦和加晋速时赞的惯之性阻野力所眉消耗互的功透率，肃在下摧坡和线滑行朗时尚嘱能部精分利朱用，绒此时挤阻力独Pi和Pj将是逮负值饼，也万就成鲜了汽暑车的制驱动武力。(3顶)坡余度阻阳力(4蛙)惯待性阻贫力2.镇3汽车没在道植路上满行驶星的稳拥定性汽车找行驶轻稳定匠性是邮指汽椒车在乐行驶名过程龟中，轮受外翠部因观素作折用下晕，尚眉能保遗持或多很快参恢复殊原行弊驶状控态和奶方向编，不绘至于续失去挽控制盈而发头生侧恐滑、寺倾覆陶等现绸象的面能力煤。汽车跃行驶毕的稳午定性瓜从不骑同方密向来诵看，蝇有纵裤向稳斥定性栋和横吼向稳阵定性炉两种招。从半丧失筛稳定膝的方蛋式来为看，杏有滑财动稳手定性奇和倾鲜覆稳俩定性歼两种菌。分蓬析和忧确保厨汽车袭行驶枪的稳裤定性赚对于壳合理雷设计序汽车嫌结构哑尺寸拾、正屑确设劲计公真路、船保证钢行车老安全任、提恒高运勒输生杂产率蛮、减嫂轻驾舒驶员航的疲栋劳强半度，菊有着份十分希重要哀的意搬义。影响浙汽车龄行驶贼稳定废性主偷要有银以下咱三方安面的没因素改：1．医汽车讲本身对的结拢构参竖数。隶如汽谣车的沙整体什布置澡、几次何参题数、迁质量借参数包、轮澡胎特匀性、狠前后橡悬架之的形读式等锅，对夹汽车束行驶遣的稳呆定性哥都有聋着决劈燕定性欲的影狂响。2．沿驾驶胞员的龟因素查。如她驾驶抬员开求车时救的思疯想集面中状此况、爹反应担快慢穴、技林术熟楼练程计度、曲动作息灵敏巴程度乒等因约素对散于驾隔驶员治能否刚做出舟准确访判断剥、及扇时采咸取措错施使兄汽车距趋于址稳定线、确刘保行情车稳看定有饥着直傍接关并系。3．城作用熄于汽葛车的乒外部扑因素隆。主帮要是蹄汽车股和路担面间显的相责互作茄用因疯素（诞如公菌路的答纵向遭、横笨向坡邻度，则路面意附着巡寿情况劫等）典以及然汽车敏作不抽等速兔行驶萌和曲锣线行巡寿驶时馒惯性晕力的攻作用核。1.汽车扭行驶挤的纵仓向稳展定性汽车阁在行歉驶过拘程中怪，随后着运剥动状掌态的礼改变仙，作坦用在浸前后讯车轮旁上的从法向精反作堆用力狼亦有雕相应垃的变辨化。偿若汽围车在撒某一意运动队状态凯下，锁前轮比的法伞向反缸作用永力为桶零时哪，则券汽车聋将发胞生前鸽轴车估轮离职地而医导致报纵向鄙倾覆芒。当汪后轮绣的法箱向反绕作用巨力为贝零时这，根普据附患着条辟件，场其牵恳引力疗将不臂复存妹在，国汽车喝丧失想行驶绵能力精。此晌两种运情况墨均为舱汽车助的纵垄向失艰稳，踪蝶导致侨汽车快纵向禾倾覆谎或倒属溜2.汽车淋行驶蛇的横侮向稳贸定性汽车抽行驶聪时，基常受域侧向茄力的检作用殿及影抢响，稻如重感力、摘惯性辫力等检的侧挑向分斧力。团汽车迫在侧灾向力担的作沸用下愉，当春车轮虎的侧敞向反收作用处力达劈燕到附乎着力传时，律汽车娘将沿畏着侧新向力娃的作陕用方婚向滑锐移；普侧向宴力同捧时将捏引起姜左右督车轮直法向岭反作倘用力熟的改冷变，兴当一排侧车夹轮上死的法闲向反特作用旨力变矮为零紧时，韵汽车峡将发豆生侧悉向翻筑车。双因而相，汽论车行项驶时令，在光侧向叉力作健用下枪有可神能产脑生横脊向滑慌移或表横向耗倾覆马。为组保证耻行车厌的安萝全稳塞定，哑必须知分析恼研究访行驶沙的横命向稳宣定性华。2.烘4汽车疮的制勿动性锣能汽车芳的制播动性皱是指询汽车好在行柳驶中尤强制顷降低纷车速有以至疮停车陡，或题在下板坡时兵保持裹一定辞速度辽行驶览的能偿力。汽车业制动藏性能雾的好霉坏，穴直接表关系杏到汽砖车行威驶的击安全谋，只很有当殃汽车洒具有暂良好汽的制钻动性臣能时粪，才苦能保士证行并车安起全，盒提高汁汽车克的行盆驶速弦度，协充分宁发挥爬汽车只的其久它使泄用性旋能，活以提镜高其踢平均拢行驶锈速度搅，从赏而获怀得较吧高的狸运输禁生产艺率。2.印5汽车圈在道舌路上寺的行冬驶轨毯迹一辆扛正常层行驶湖的汽保车，从无论松直行张还是属转弯云，留惹下的秋轨迹喜都是逆相当遗顺滑安悦目抗的，泼形成割一条龟曲折舌有致驶的优肤美线弃形。近对行容驶轨罚迹的是进一纤步研牛究和卧分析酷，可盖帮助练我们将深入公了解餐路线蛾要素润的几灭何构续成，勉为新闪建道对路的辆设计六和旧晌路的段改善厦提供架良好剪的参奇考。最理垮想的昂路线裁平面起是行问车道带的边饺缘能探与汽材车的称前外嚷轮和专后内政轮迹伯线完互全符瘦合或帐相平敌行，杨研究手表明滋，行康驶中截的汽喝车重盆心的烤轨迹纯在几触何上泊有以市下特乏征：（1纱）这粮个轨犹迹不作仅是丛连续扩的，芳而且恨是圆乏滑的为；（2杆）这工个轨构迹的宏曲率款是连膛续的株，即歉轨迹满上任洽意一晋点不扮出现驻两个也曲率品值；（3蓬）这激个轨宿迹的康曲率掠变化杏是连宋续的部，即禁轨迹辅上任群意一队点不熄出现亦两个母曲率隐变化桨率值脂。汽车斤在弯萝道上面行驶蹦时，透由于闯受横刷向力贱的影蚀响，冈为保势证行边车的邻安全熔，必朝须尽灾可能并使道格路线容形设岛计满矮足汽那车行闹驶轨毫迹的鸟几何训要求搅，相蜜应地跃进行封与直棵线不薪同的摆线形演设计窑。这走其中趴包括圣行驶拴轨迹刃上需万设置津缓和肾曲线盾，并考在该塞路段念上进弊行超谨高、河加宽冬等设株计。粱因此着，研宴究汽嫂车在牢弯道猫上实酱际的胜行驶沿轨迹咽将为欺进一北步改呜善路虏线