道路勘測設(shè)計(jì)第二章 汽車行駛性能 (1)

1、第二章 汽車行駛特性,1．學(xué)習(xí)目的： 道路設(shè)計(jì)是以滿足汽車行駛的要求為前提的。 汽車運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律及對(duì)公路的要求，指導(dǎo)公路設(shè)計(jì)；保證公路的使用品質(zhì)、服務(wù)等級(jí)。汽車行駛理論是公路線形設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。 2．研究內(nèi)容： 研究汽車的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力； 分析汽車運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律； 研究汽車主要?jiǎng)恿π阅芊治鲇绊懫囍饕褂眯阅艿囊蛩亍?第一節(jié) 概述,一、汽車行駛性能的主要內(nèi)容1.動(dòng)力性能 是指汽車在良

2、好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向力決定、所能達(dá)到的平均行駛速度，即指決定汽車加速、爬坡和獲得最大速度的性能。動(dòng)力性能決定道路的最大縱坡、坡長限制及長陡坡上陡坡與緩坡的組合。2.制動(dòng)性 指汽車行駛中能在短距離內(nèi)停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡時(shí)能維持一定車速的能力。制動(dòng)性能與道路的行車視距直接相關(guān)。,3.行駛穩(wěn)定性指汽車在行駛過程中，受外部因素作用，汽車尚能保持正常行駛狀態(tài)和方向，不致失去控制而產(chǎn)生滑移、傾覆等現(xiàn)象的能力。汽車行

3、駛穩(wěn)定性決定道路圓曲線極限最小半徑和合成坡度的取值，也影響道路縱坡度的設(shè)置。4.操縱穩(wěn)定性 指汽車是否按照駕駛員的意圖控制汽車的性能，它包括汽車的轉(zhuǎn)向特性、高速穩(wěn)定性和操縱輕便性。汽車的轉(zhuǎn)向特性影響著汽車在彎道上的行駛軌跡。,5．燃油經(jīng)濟(jì)性 是指汽車以最少的燃油消耗量完成單位運(yùn)輸工作的能力，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性越好，單位行程的燃油消耗量越小。6.行駛平順性 指汽車在不平道路上行駛時(shí)，汽車免受沖擊和震動(dòng)的能力。汽車行駛平順性，對(duì)汽

4、車平均技術(shù)車速、駕駛員和乘客的舒適性、運(yùn)貨的完整性等有很大影響。7.通過性是指汽車在各種道路和無路地帶行駛的能力。汽車通過性能越好，汽車使用的范圍就越廣。,二、汽車行駛對(duì)路線的要求,1.保證汽車在道路上行駛的穩(wěn)定性。即避免發(fā)生翻車、倒溜、側(cè)滑等，在道路線形設(shè)計(jì)時(shí)，需要合理地選用圓曲線的半徑和設(shè)置縱、橫坡度，并提高車輪與路面問的附著力。2.盡可能地提高車速。車速提高，運(yùn)輸生產(chǎn)力高，運(yùn)輸成本低。在公路設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格控制曲線半徑、最大縱

5、坡及其坡長，合理地設(shè)置緩和坡段，并盡可能地采取大半徑曲線及平緩的縱坡。3.保證道路上的行車連續(xù)。 為保證道路上行車的均勻連續(xù)，公路線形設(shè)計(jì)需要保證有足夠的視距和安全凈空，合理地設(shè)置平、豎曲線，并盡可能地減少平面交叉等。4.盡量滿足行車舒適。在視覺上：線形美觀，賞心悅目，線形與景觀相協(xié)調(diào)。在生理上：平穩(wěn)、不顛簸。在心理上：輕松，有安全感，心情愉快。,第二節(jié) 汽車的驅(qū)動(dòng)力及行駛阻力,一、汽車的驅(qū)動(dòng)力汽車的動(dòng)力來源：汽車行駛的驅(qū)動(dòng)

6、力來自它的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)里熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能經(jīng)過傳動(dòng)系變速和傳動(dòng)，將曲軸的扭矩傳給驅(qū)動(dòng)輪，產(chǎn)生Mk的扭矩驅(qū)動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，輪胎對(duì)路面產(chǎn)生向后的水平推力，則路面對(duì)車輛產(chǎn)生向前的推力，驅(qū)使汽車行駛。,汽車傳動(dòng)系統(tǒng)：,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率P與產(chǎn)生的扭矩M的關(guān)系：,1．發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭矩M及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線,,,P-n曲線、M-n曲線、耗油量ge-n曲線,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線：,,,東風(fēng)EQ-140發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線,,,式中：Pmax——發(fā)

7、動(dòng)機(jī)的最大功率(kW)； nN——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r／min）,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性經(jīng)驗(yàn)公式：,,,式中：Mmax——最大扭矩（N·m）； MN——最大功率所對(duì)應(yīng)的扭矩， nN——最大功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）； nM——最大扭矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r／min)；,,發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的扭矩M經(jīng)過變速箱（速比ik）和主傳動(dòng)器（速比i

8、0）兩次變速兩次變速的總變速比為：γ=i0·ik；傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率為ηT<1.0；傳到驅(qū)動(dòng)輪上的扭矩Mk為： Mk=MγηT驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)速nk為：,2．驅(qū)動(dòng)輪扭矩Mk,,,車速V與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系：,3．汽車的驅(qū)動(dòng)力,,,,1．空氣阻力 汽車在行駛中，由于迎面空氣質(zhì)點(diǎn)的壓力，車后的真空吸力及空氣質(zhì)點(diǎn)與車身表面的摩擦力阻礙汽車前進(jìn)，總稱為空氣阻力。,二、汽車的行駛阻

9、力,式中：K——空氣阻力系數(shù)，它與汽車的流線型有關(guān)； ρ——空氣密度，一般ρ=1.2258（N·s2／m4）； A——汽車迎風(fēng)面積（或稱正投影面積）（m2）； v——汽車與空氣的相對(duì)速度（m／s），可近似地取汽車的行駛速度。,將車速v（m／s）化為V（km／h）并化簡，得,1．空氣阻力,,對(duì)汽車列車的空氣阻力，一般可按每節(jié)掛車的空氣阻力為其牽引車的20%折算。,2

10、．道路阻力,道路阻力是由彈性輪胎變形和道路的不同路面類型及縱坡度而產(chǎn)生的阻力，主要包括滾動(dòng)阻力和坡度阻力。（1）滾動(dòng)阻力彈性輪胎反復(fù)變形時(shí)，其材料內(nèi)部發(fā)生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上汽車行駛時(shí)汽車的不僅輪胎變形，而且路面也會(huì)變形，其接觸面之間產(chǎn)生摩擦要消耗部分功率（路面支反力前移，與車輪重力形成反向力矩）。另外，由于路面的不平整而造成輪胎震動(dòng)和撞擊引起部分功率的消耗。,（1）滾動(dòng)阻力,滾動(dòng)阻力與汽車的總重力成正比，若坡道傾角為

11、α?xí)r，其值可用下式計(jì)算。 Rf＝Gfcosα 由于坡道傾角α一般較小，認(rèn)為cosα≈1，則 Rf=Gf （N）式中：Rf——滾動(dòng)阻力（N）； G——車輛總重力（N）； f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，它與路面類型、輪胎結(jié)構(gòu)和行駛速度等有關(guān)，一般應(yīng)由試驗(yàn)確定，在一定類型的輪胎和一定車速范圍內(nèi)，可視為只和路面狀況有關(guān)的常數(shù)

12、，見教材表2-4。,汽車在坡道傾角為α的道路上行駛時(shí)，車重G在平行于路面方向的分力為Gsinα，上坡時(shí)它與汽車前進(jìn)方向相反，阻礙汽車行駛；而下坡時(shí)與前進(jìn)方向相同，助推汽車行駛。坡度阻力可用下式計(jì)算 Ri=Gsinα 因坡道傾角一般較小，認(rèn)為sinα≈tgα＝i，則 Ri=Gi （N）式中：Ri——坡度阻力

13、（N）； G——車輛總重力（N）； i ——道路縱坡度，上坡為正；下坡為負(fù)。,（2）坡度阻力,RR=G（f+i） 式中：f+i——統(tǒng)稱道路阻力系數(shù)。,滾動(dòng)阻力和坡度阻力均與道路狀況有關(guān)，且都與汽車的總重力成正比，將它們統(tǒng)稱為道路阻力，以RR表示,汽車變速行駛時(shí)，需要克服其質(zhì)量變速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩稱為慣性阻力，用RI表示。 汽車的質(zhì)量：平移質(zhì)量

14、 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量,3．慣性阻力,平移質(zhì)量的慣性力,旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩,,,慣性阻力計(jì)算：,,式中：δ——慣性力系數(shù)（或旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)）。 δ＝l＋δ1＋δ2ik2 式中：δ1——表示汽車車輪慣性力的影響系數(shù)，一般δ1=0.03～0.05； δ2——表示發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪慣性力的影響系數(shù)，一般小客車δ2=0.05～0.07，載重汽車δ2=0.04～0

15、.05； ik——變速箱的速比。汽車的總行駛阻力R為： R=Rw十RR十RI,1．汽車的運(yùn)動(dòng)方程式汽車在道路上行駛時(shí)，必須有足夠的驅(qū)動(dòng)力來克服各種行駛阻力。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與各種行駛阻力之代數(shù)和相等的時(shí)候，稱為驅(qū)動(dòng)平衡。其驅(qū)動(dòng)平衡方程式（也稱汽車的運(yùn)動(dòng)方程式）為 T=R=Rw+RR+RI代入表達(dá)式，汽車的運(yùn)動(dòng)方程式為：,三、汽車的運(yùn)動(dòng)方程式與行駛條件,,2．汽車的行駛條件,汽車在道路

16、上行駛，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力等于各種行駛阻力之和時(shí)，汽車就等速行駛；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于各種行駛阻力之和時(shí)，汽車就加速行駛；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力小于各種行駛阻力之和時(shí)，汽車就減速行駛，直至停車。所以，要使汽車行駛，必須具有足夠的驅(qū)動(dòng)力來克服各種行駛阻力。即汽車行駛的必要條件（即驅(qū)動(dòng)條件） ： T≥R,驅(qū)動(dòng)力小于或等于輪胎與路面之間的附著力，即 T≤?Gk式中：?——附著系數(shù)，主要取決于路

17、面的粗糙程度和潮濕泥濘程度，軋?zhí)サ幕y和氣壓，以及車速和荷載等，計(jì)算時(shí)可按教材表2-5選用； Gk——驅(qū)動(dòng)輪荷載，一般情況下，小汽車為總重的0.5～0.65倍，載重車為總重的0.65～0.80倍。,汽車行駛的充分條件：,第三節(jié) 汽車的動(dòng)力特性及加、減速行程,動(dòng)力特性：是反映汽車動(dòng)力性能的指標(biāo)。汽車的動(dòng)力性能：指汽車所具有的加速、上坡、最大速度等的性能。汽車的動(dòng)力性愈好，速度就愈高，所能克服的行駛阻力也愈大。

18、 一、汽車的動(dòng)力因數(shù)汽車的運(yùn)動(dòng)方程式：T = Rw+RR+RI改變形式， T - Rw= RR+RI 上式等號(hào)左端T-Rw稱為汽車的后備驅(qū)動(dòng)力，T、RW之值均與汽車的構(gòu)造和行駛速度有關(guān)。 代入表達(dá)式，,,令上式左端為D，即,為使不同類型汽車的動(dòng)力性進(jìn)行比較，且有相同的評(píng)價(jià)尺度，將上式兩端分別除以車輛總重G，得,,,D稱為動(dòng)力因數(shù)，它表征某型汽車在海平面高程上，滿載情

19、況下，每單位車重克服道路阻力和慣性阻力的性能。,,當(dāng)?shù)缆匪诘夭辉诤Ｆ矫嫔希囈膊皇菨M載，由于海拔增高，氣壓降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、汽車的驅(qū)動(dòng)力及空氣阻力都隨之降低，所以，應(yīng)對(duì)動(dòng)力因數(shù)D進(jìn)行修正。方法是給D乘以一個(gè)修正系數(shù)λ，,海拔荷載修正系數(shù)λ:,,λ稱為動(dòng)力因數(shù)D的海拔荷載修正系數(shù)，其值為,,式中：ξ——海拔系數(shù)，見圖2-5,或ξ=（1-2.26×10-5H）5.3 其中，H為海拔高度（m）

20、； G——滿載時(shí)汽車的總重力（N）； G’——實(shí)際裝載時(shí)汽車的總重力（N）。,式中：ξ——海拔系數(shù)，見圖2-5,當(dāng)汽車的動(dòng)力因數(shù)為D，道路阻力為ψ，汽車的行駛狀態(tài)有以下三種情況： 當(dāng)ψ＜D時(shí)： 加速行駛,二、汽車的行駛狀態(tài),,由,得,當(dāng)ψ=D時(shí): a＝0 等速行駛

21、,當(dāng)ψ>D時(shí)： 減速行駛,,,式中：ψ——道路阻力系數(shù)，,平衡速度：任意的D＝ψ相應(yīng)等速行駛的速度，用VP表示。臨界速度：每一排檔最大動(dòng)力因數(shù)Dmax對(duì)應(yīng)的速度，用Vk表示。,汽車的行駛狀態(tài),汽車的最高、最小速度,汽車的最高速度：是指節(jié)流閥全開、滿載（不帶掛車）、在表面平整堅(jiān)實(shí)水平路段上作穩(wěn)定行駛時(shí)的速度。 某一排檔的最高速度Vmax ：,,汽車的最小穩(wěn)

22、定速度：是指滿載（不帶掛車）在路面平整堅(jiān)實(shí)的水平路段上，穩(wěn)定行駛時(shí)的最低速度（即臨界速度Vk）。,,最大爬坡度：指汽車在堅(jiān)硬路面上用最低檔作等速行駛時(shí)所能克服的最大坡度。 cosα＜1，sinα≠tgα＝i， λDImax=fcosα+sinα解此三角函數(shù)方程式，得最大坡角：,三、汽車的爬坡能力,,汽車的爬坡能力是指汽車在良好路面上等速行駛時(shí)克服了其它行駛阻力后所能爬上的

23、縱坡度。,， a=0，則 i=λD-f,1．計(jì)算加、減速行程 由ds=vdt，a=dv/dt，得,四、汽車的加、減速行程,,設(shè)初速V1，終速V2，則,,,,東風(fēng)EQ-140加、減速行程圖,2. 加、減速行程圖,,加、減速行程圖用法,,第四節(jié) 汽車的行駛穩(wěn)定性,汽車的行駛穩(wěn)定性是指汽車在行駛過程中，在外部因素作用下，汽車尚能保持正常行駛狀態(tài)和方向，不致失去控制而產(chǎn)生滑移、傾覆等現(xiàn)象的能力。

24、 穩(wěn)定性：縱向 橫向 表現(xiàn)：滑移 傾覆,,縱向穩(wěn)定性： 表現(xiàn)：傾覆 滑移（倒溜）,,,,橫向穩(wěn)定性： 表現(xiàn)：傾覆

25、 滑移（側(cè)滑）,,,,一、汽車行駛的縱向穩(wěn)定性,臨界狀態(tài)：汽車前輪法向反作用力Z1為零 。 Z1L - Gl2cosα0 + Ghgsinα0=0 結(jié)論：當(dāng)坡道傾角α≥α0 (或道路縱坡i≥i0)時(shí)，汽車可能發(fā)生縱向傾覆.,,1．縱向傾覆 ：,2．縱向滑移（驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)）,臨界狀態(tài)：下滑力等于驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著力 Gsinα?＝?Gk因?yàn)閟inα? ? tgα?= i?，則縱向滑移

26、臨界狀態(tài)條件：,,,,縱向滑移的極限狀態(tài)——倒溜發(fā)生條件： Gsinα?＝?G i? = tgα? = ?結(jié)論：當(dāng)坡道傾角α≥α?或道路縱坡度i≥i?時(shí)，汽車可能產(chǎn)生縱向滑移。,3．縱向穩(wěn)定性的保證,,,,,一般 接近于1，而 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，,所以， i? < i0 即汽車在坡道上行駛時(shí)，在發(fā)生縱向傾覆之前，首先發(fā)生縱向滑移現(xiàn)象。 道路設(shè)計(jì)只

27、要滿足不產(chǎn)生縱向滑移，就可避免汽車的縱向傾覆現(xiàn)象出現(xiàn)。汽車行駛時(shí)縱向穩(wěn)定性的條件為,二、汽車行駛的橫向穩(wěn)定性,,,汽車在平曲線上行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，其作用點(diǎn)在汽車的重心，方向水平背離圓心。,,受力分析： 橫向力X——失穩(wěn) 豎向力Y——穩(wěn)定,1．汽車在平曲線上行駛時(shí)力的平衡,離心力,將離心力F與汽車重力G分解為平行于路面的橫向力X和垂直于路面的豎向力Y，,,,,,,,由于路面橫向傾角α一般很小，則sinα≈tgα=ih，cosα≈1

28、，其中ih稱為橫向超高坡度，,將離心力F與汽車重力G分解為平行于路面的橫向力X和垂直于路面的豎向力Y，,,,采用橫向力系數(shù)來衡量穩(wěn)定性程度，其意義為單位車重的橫向力，即,,,,,橫向傾覆：汽車在平曲線上行駛時(shí)，由于橫向力的作用，使汽車?yán)@外側(cè)車輪觸地點(diǎn)產(chǎn)生向外橫向傾覆。 汽車內(nèi)側(cè)車輪支反力N1為0。 傾覆力矩等于或大于穩(wěn)定力矩。,2.橫向傾覆條件分析,,,,,傾覆力矩：Xhg,橫向傾覆平衡條件分析：

29、,,,,穩(wěn)定力矩：,傾覆力矩：Xhg,橫向傾覆平衡條件分析：,,,,穩(wěn)定力矩：,穩(wěn)定、平衡條件：,汽車在平曲線上行駛時(shí)，不產(chǎn)生橫向傾覆的最小平曲線半徑R min：,3.橫向滑移條件分析,,,,橫向滑移：汽車在平曲線上行駛時(shí)，因橫向力的存在，可能使汽車沿橫向力的方向產(chǎn)生橫向滑移。 橫向力大于輪胎和路面之間的橫向附著力。,極限平衡條件：,,橫向滑移穩(wěn)定條件：,,4．橫向穩(wěn)定性的保證,,汽車在平曲線上行駛時(shí)的橫向穩(wěn)定性主要取決于橫向力系數(shù)μ

30、值的大小。 現(xiàn)代汽車在設(shè)計(jì)制造時(shí)重心較低，一般b≈2hg，而 ?h<0.5,即,汽車在平曲線上行駛時(shí)，在發(fā)生橫向傾覆之前先產(chǎn)生橫向滑移現(xiàn)象。 在道路設(shè)計(jì)中只要保證不產(chǎn)生橫向滑移現(xiàn)象發(fā)生，即可保證橫向穩(wěn)定性。 保證橫向穩(wěn)定性的條件：,,三、汽車行駛的縱橫組合向穩(wěn)定性,汽車行駛在小半徑平曲線上時(shí)，較直線上增加了一項(xiàng)彎道阻力。 對(duì)上坡的汽車耗費(fèi)的功率增加，使行車速度降低。對(duì)下坡的汽車有沿縱橫組合的合成坡度方向傾斜、滑移和裝載

31、偏重的可能，這對(duì)汽車的行駛是危險(xiǎn)的。,汽車行駛在縱坡為i(tgα)和超高橫坡為ih（tgβ）的下坡路段上，作用在前軸上荷載W1為,,離心力F分配在前軸上的荷載W2為,,在平直路段上，作用于前軸的荷載W'為,前軸總荷載ΣW為 :,,,在有平曲線的坡道上，前軸荷載增量與W´的比值為,,對(duì)載重汽車，一般hg/l2≈1，則,,直坡道上ih≈0則I=i。即汽車沿直坡道下坡時(shí)，前軸荷載增量與在平直路段前軸荷載的比率等于該路段的縱坡

32、度。在曲線上如果也以直線上相同大小的最大縱坡imax作為控制，則有下式成立,縱坡折減：,最大縱坡在平曲線上的折減計(jì)算方法：,,,,第五節(jié) 汽車的制動(dòng)性,,汽車的制動(dòng)性是指汽車行駛中強(qiáng)制降低車速以至停車且能維持行駛方向和在下坡時(shí)能保持一定速度行駛的能力。 一、汽車制動(dòng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo) 評(píng)價(jià)汽車制動(dòng)性的指標(biāo)：制動(dòng)效能（制動(dòng)距離） 制動(dòng)效能的恒定性 制動(dòng)

33、時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性 二、制動(dòng)距離制動(dòng)距離是汽車從制動(dòng)生效到汽車完全停住，這段時(shí)間內(nèi)所走的距離。,汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力P取決于輪胎與路面之間的附著力。在附著系數(shù)較小的路面上，若制動(dòng)力大于附著力，車輪將在路面上滑移，易使制動(dòng)方向失去控制。所以P值的極限值為 P = G?汽車在部分滑動(dòng)部分滾動(dòng)的情況下附著力最大。制動(dòng)平衡方程式為 ：-P = RW + RR + RI P + RR + RI =

34、0 （忽略空氣阻力）,1.制動(dòng)平衡方程式,,,,2.制動(dòng)距離,制動(dòng)距離：,,,汽車完成運(yùn)輸工作所消耗的燃油量稱為燃油消耗量，燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)通常用一定運(yùn)行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。 已知發(fā)動(dòng)機(jī)的功率P和轉(zhuǎn)速n后，可在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性圖上查出燃油消耗率ge。ge是指發(fā)動(dòng)機(jī)每千瓦小時(shí)的燃油消耗量。,第六節(jié) 汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性,,,,汽車以等速V在道路上行駛時(shí)，每百公里所做