道路勘测设计(汽车行驶理论)

第二章汽车行驶理论(4课时)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汽车的加速行驶与燃油消耗2.5汽车的制动2.6汽车在弯道上的行驶轨迹道路运输的载运工具主要为利用燃油（汽油、柴油）、电或其它能源作动力，通过轮胎在各种道路上行驶的车辆，如汽车（客车和货车等）、无轨电车、各种装卸载运车辆、摩托车等。道路运输工程设施的规划和设计，要考虑并满足这些设施的使用对象——载运工具的运行特性要求。例如，工程设施的几何设计要能容纳车辆在体积尺寸和通行能力方面的使用要求，而工程设施的结构设计则要能经受住车辆质量的重复作用等。因此，道路工程的规划和设计人员，虽然不需要了解和掌握运载工具的设计、制造和使用知识，但必须了解它们的运行特性，以便规划和设计出能满足其使用要求的各项工程设施。§2.1概述一.研究汽车行驶理论的意义汽车行驶理论(theoryofautomobilerunning)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。通过研究，进一步分析影响汽车使用和行驶性能的各种因素，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。道路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的。汽车运动基本规律及对公路的要求，指导公路设计；保证公路的使用品质、服务等级。汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础。道路是为汽车行驶服务的，要满足汽车在道路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就必须从驾驶者、汽车、道路和交通管理等方面来保证。一.研究汽车行驶理论的意义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；需要研究汽车行驶的力系平衡、稳定性、而立设置纵横坡度、弯道以及保证车轮与路面的附着力等。迅速：行驶速度——平均技术速度。研究汽车的行驶的动力性能经济：运输成本：低运输生产率：高评价汽车运输工作效率的指标有：汽车运输生产率——周转率运输成本——油料及轮胎消耗，保养周期通畅：运输效率，行车不少或少受阻碍，足够的视距和路面宽度，合理的设置平竖曲线，减少道路交叉等汽车外廓尺寸，行驶轨迹，动力性能舒适：视觉上：线形美观，赏心悦目，自然环境与景观设计生理上：平稳、不颠簸，离心力小心理上：轻松，有安全感，心情愉快汽车的外形设计、悬挂系统、主要技术参数等的设计二、汽车的一般构造及主要技术参数1、汽车的一般构造发动机、底盘、车身和电气设备底盘是汽车的主体，包括传动系、行驶系、转向系、制动系传动系（动力传递系）：发动机曲轴、离合器、变速箱、万向传动轴、差速器、车辆、驱动轮、制动器等。将发动机曲轴上产生的扭矩传递给驱动轮，再通过车辆与地面的作用产生牵引力，以推动汽车行驶。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。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。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2、汽车的主要技术参数①整车装备质量②最大总质量③最大装载质量④轴载质量（空载和满载）⑤车长L⑥车宽B⑦车高H⑧轴距⑨轮距A1A2⑩前悬S1、后悬S2还有最小离地间隙、接近角、离去角、最小转弯半径、最高车速、最大爬坡度等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。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。具体内容在路基路面课程中讲述。三、汽车的行驶性能包括：动力性能、运动性能以及环境性能，与道路设计密切相关的有：•动力性能：dynamicforce，指汽车所具有的牵引能力，即指决定汽车加速、爬坡和最大速度的性能。•通过性(越野性）：cross-countrypower，指汽车通过各种道路和无路地带行驶的能力。•制动性：brakingpower，指汽车强制停车和减低车速的能力。•行驶稳定性：runningstability，指汽车遵循驾驶者指定方向行驶的能力。•行驶平顺性：smoothrunning，指汽车在不平的道路上行驶时，汽车免受冲击和震动的能力。•操纵稳定性：operatingstability，指汽车是否能按驾驶员的意图控制汽车的性能。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。（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。四、汽车的类型、尺寸和构造1、车辆类型（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。（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。2、我国公路设计采用的车辆外廓尺寸城市道路设计采用的车辆外廓尺寸见书P42，432.2汽车的牵引力及牵引力平衡汽车运动时的受力分析1、路面摩擦力，空气阻力2、因路面凸凹不平而产生的力3、由于路面结构而产生的力汽车的动力来源汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。在发动机里热能转化成机械能经过传动系变速和传动，将曲轴的扭矩传给驱动轮，产生Mk的扭矩驱动汽车驱动轮旋转，轮胎对路面产生向后的水平推力，则路面对车辆产生向前的推力，驱使汽车行驶。发动机燃料→热能→活塞、曲轴→机械能→作功1、汽车动力传递系统2、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]有效功率(Ne)，汽车在单位时间内所具有的做功的能力。单位千瓦(Kw)/马力（hp）,1hp=0.7355kW.扭矩(Me),汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩，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(ne)，发动机曲轴单位时间内的旋转次数，单位：r/min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)(角速度)发动机转速特性曲线（发动机转速特性曲线），油门全开时称发动机外特性曲线，否则称发动机部分负荷特性曲线。（1）发动机外特性曲线功率曲线扭矩曲线最小转速最大转速MnNnminnmaxnmaxNmaxM汽油发动机外特性发动机输出的功率N与产生的扭矩M的关系：（2）发动机曲轴扭矩M及发动机转速特性)(9549KWnMNe95491000260eenMnMwMN发动机曲轴上的扭矩M经过变速箱（变速比ik）和主传动器（变速比i0）两次变速两次变速的总变速比为：i=i0·ik；传动系统的机械效率为ηT1.0；传到驱动轮上的扭矩Mk为：Mk=MiηT3、驱动轮扭矩Mk)/(10006020hkmiinrVkek已知发动机曲轴转速ne与车速V之间的关系为：4、汽车的牵引力)(3600377.0NVNMVnrMirMPTTTktP作用在轮缘上与路面水平反力F抗衡，Pt作用在轮轴上推动汽车前进，与汽车的行驶阻力T抗衡。TTPtPF1、空气阻力汽车在行驶中迎风面空气受阻所引起的阻力，与汽车的迎风压力、形状、大小，汽车后面因空气稀薄产生的吸力及汽车表面与空气的摩阻有关。2.2.2汽车的行驶阻力2wKF131VP式中：V—汽车车速（Km/h）F—汽车迎风面积，即正面投影面积（m2）道路阻力是由弹性轮胎变形和道路的不同路面类型及纵坡度而产生的阻力，主要包括滚动阻力和坡度阻力。（1）滚动阻力（Pf）弹性轮胎反复变形时，其材料内部发生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上汽车行驶时汽车的不仅轮胎变形，而且路面也会变形，其接触面之间产生摩擦要消耗部分功率（路面支反力前移，与车轮重力形成反向力矩）。另外，由于路面的不平整而造成轮胎震动和撞击引起部分功率的消耗。2、道路阻力（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α时，其值可用下式计算。Pf＝Gfcosα由于坡道倾角α一般较小，认为cosα≈1，则Rf=Gf（N）式中：Pf——滚动阻力（N）；G——车辆总重力（N）；f——滚动阻力系数，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