道路勘测设计汽车行驶特性.docx

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道路勘测设计汽车行驶特性

道路勘测设计汽车行驶特性

（2010-11-2213:

43:

27）

标签：

汽车行驶

发动机曲轴

驱动力

扭矩

空气阻力

教育

分类：

土木工程

授课目的：

1．了解汽车行驶对道路的基本要求；

  2．了解汽车的牵引力及行驶阻力；

 3．掌握汽车的动力特性及动力性能

重  点：

1．汽车的牵引力及行驶阻力；

         2．汽车的动力特性及动力性能

难  点：

1．汽车的动力特性及动力性能；

         2．汽车的加减速行程

参考文献：

1．《公路勘测设计》张雨化主编

 2．《汽车应用工程》

 3．《汽车理论》

第二章 汽车行驶特性

   1．学习目的：

   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。

   2．研究内容：

   研究汽车的驱动力和行驶阻力；

   分析汽车运动的基本规律；

   研究汽车主要动力性能

分析影响汽车主要使用性能的因素。

    3．汽车行驶对道路的基本要求：

   汽车行驶总的要求是安全、迅速、经济与舒适，它是通过人、车、路和环境等方面来保证的。

因此，在道路线形设计时，需要研究汽车在道路上的行驶特性及其道路设计的具体要求，这是道路线形设计的理论基础。

安全：

保证汽车的行驶稳定性，避免发生翻车、倒溜、侧滑等；

迅速：

行驶速度——平均技术速度。

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

   经济：

运输成本：

低

        运输生产率：

高

   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，离心力下

        心理上：

轻松，有安全感，心情愉快。

 第一节汽车的驱动力及行驶阻力

   为研究汽车在道路上的运动状况，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。

一、汽车的驱动力

   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。

在发动机里热能转化成机械能，产生有效功率N，驱使曲轴以每分钟n的转速旋转，发生M的扭矩，再经过离合器、变速器、传动轴、主传动器、差速器和半轴等一系列的变速和传动，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。

   1．发动机曲轴扭矩M

   如将发动机的功率N扭矩M以及燃油消耗率g，与发动机曲轴的转速n之间的函数关系以曲线表示，则该曲线称为发动机转速特性曲线或简称为发动机特性曲线。

如果发动机节流阀全开（或高压抽泵在最大供油量位置），则此特性曲线称为发动机外特性曲线；如果节流阀部分开启（或部分供油），则称为发动机部分负荷特性曲线。

在进行汽车驱动性能分析时，只需研究外特性中功率N和扭矩M与转数n之间的关系曲线。

图2-1为某汽油发动机外特性曲线。

nmin为发动机的最小稳定工作转速，随着曲轴转速的增加，发动机发出的功率和扭矩都在增加，最大扭矩Mmax时的曲轴转速为nM。

若转速再增加时，扭矩M有所下降，但功率N继续增加，一直到最大功率Nmax，此时曲轴转速为nN。

当转速继续增大时，功率N下降。

允许的发动机最高转速为nmax。

对于不同类型的发动机，其输出的功率不同，故产生的扭矩也不同，它们之间的关系如下：

                                 （2-1）

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）

把扭矩M与转速n之间的函数关系M=M（n）称为扭矩曲线，而把功率N和转速n之间的函数关系N=N（n）称作功率曲线，通过式（2-1），可以使它们之间相互转换。

其中功率曲线N=N（n）是发动机制造厂通过台架试验获得的。

通常，N=N（n）曲线以及由式（2-1）转绘出的扭矩曲线M=M（n）一起绘制在发动机的技术说明书中，同时记载有发动机的最大功率Nmax和对应的曲轴转速nN，以及最大扭矩Mmax和相应的曲轴转速nM。

图2-2为东风EQ-140型汽车说明书中给出的发动机外特性曲线原始资料，使用时应注意单位的换算。

有时未给定发动机特性曲线，只给出Nmax和nN，可通过式（2-2）经验公式近似地计算汽油发动机的外特性N=N（n）曲线，井由式（2-1）换算成扭矩曲线M=M（n）。

                                                     （2-2）

式中：

Nmax——发动机的最大功率（kW）；

 nN——发动机的最大功率所对应的转速（r／min）；

α1、α2、α3——与发动机类型有关的系数，对汽油发动机可近似地采用。

α1=α2=α3=1.0。

   如果既给定Nmax和nN，也给出Mmax和nM，则可用式（2-3）直接计算扭矩曲线M=M（n）。

                                                                    （2-3）

式中：

Mmax——最大扭矩（N•m）；

       MN——最大功率所对应的扭矩，即

      nN——最大功率所对应的转速（r/min）；

      nM——最大扭矩所对应的转速（r／min）；

      n——转速（r/min）。

   2．驱动轮扭矩Mk

   根据受力情况不同，汽车车轮分力驱动轮与从动轮，驱动轮上有发动机曲轴传来的扭矩Mk，在Mk的作用下驱使车轮滚动前进。

而从动轮上则无扭矩的作用，它的滚动是驱动轮上的力经车架传至从动轮的轮轴上而产生运动。

普通汽车均系前轮从动，后轮驱动，只有某些特殊用途的汽车前后轮均为驱动轮。

   发动机曲轴上的扭矩M经过变速箱（速比ik）和主传动器（速比i0）两次变速，设这两次变速的总变速比为γ=i0•ik，传动系统的机械效率为η，则传到驱动轮上的扭矩Mk为

Mk=MγηT

式中：

Mk——汽车驱动轮扭矩（N•m）；

M——发动机曲轴扭矩（N•m）；

    γ——总变速比，γ=i0•ik，i0和ik，详见表2-1；

ηT——传动系统的机械效率，发动机所发出的功率N在传到驱动轮的过程中，为了克服传动系统各部件中的摩擦，有一部分功率NT消耗了，则ηT=1-NT/N，传动效率因受多种因素影响而变化，但对汽车进行动力性分析时可看作一个常数，一般载重汽车力0.80～0.85，小客车为0.85～0.95。

此时，驱动轮上的转速nk为

相应的车速V为（车速V与发电机转速关系）：

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），即变形半径，它与内胎气压、外胎构造、路面的刚性与平整度以及荷载等有关，一般为未变形半径r0的0.93～0.96倍。

常见车型未变形直径见表2-2。

   可以看出，通过变速箱和主传动器的二次降速，其主要目的在于增大扭矩或驱动力以克服汽车的行驶阻力。

   3．汽车的驱动力

汽车的驱动力的形成：

汽车驱动轮与路面接触，滚动时对路面产生向后的作用力，路面对车轮产生反作用力，即为使汽车前进的驱动力。

如图2-3，把驱动轮上的扭矩Mk，用一对力偶Ta和T代替，Ta作用在轮缘上与路面水平反力F抗衡，T作用在轮轴上推动汽车前进，称为驱动力（或称牵引力），与汽车行驶阻力R抗衡。

由式（2-6）可知，如要获得较大的驱动力T，必须要有较大的总变速比γ。

但γ增大，则车速V就降低，因此，对同一发动机要得到大的驱动力和高的车速，二者是不可兼得的。

为此，对汽车设置了几个排档，每一排档都具有固定的总变速比γ以及该档的最大车速和最小车速。

当使用低排档时，用较大的γ值以获得较大的驱动力T，但车速V较小；而使用高排档时，用较小的γ值，获得较小的驱动力和较高的车速。

式（2-6）为驱动力T与扭矩M之间的函数关系式。

同样，通过式（2-1）也可推导出驱动力T与功率IV>

式中：

N——发动机功率（kW）；

        V——汽车行驶速度（km／h）。

二、汽车的行驶阻力

汽车行驶时需要不断克服运动中所遇到的各种阻力。

这些阻力有来自汽车周围空气介质的阻力，有来自道路的路面下平整和上坡行驶所形成的阻力，也有来自汽车变速行驶时克服惯性的阻力，分别称之为空气阻力、道路阻力和惯性阻力。

1．空气阻力

汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力，车后的真空吸力及空气质点与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。

现代汽车的行驶速度很高，空气阻力对汽车行驶的动力性和燃料消耗一经济性影响较大，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。

由空气动力学的研究和试验可知，汽车在空气介质中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，它与汽车的流线型有关，可参考表2-3选用或查阅有关资料；

     ρ——空气密度，一般ρ=1.2258（N•s2／m4）；

     A——汽车迎风面积（或称正投影面积）（m2）；

     v——汽车与空气的相对速度（m／s），可近似地取汽车的行驶速度。

   将车速v（m／s）化为V（km／h）并化简，得

   对汽车列车的空气阻力，一般可按每节挂车的空气阻力为其牵引车的20%折算。

   2．道路阻力

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

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。

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。

Rf＝Gfcosα

   由于坡道倾角α一般较小，认为cosα≈1，则

Rf=Gf   （N）

式中：

Rf——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数，见表2-4。

（2）坡度阻力

汽车在坡道倾角为α的道路上行驶时，车重G在平行于路面方向的分力为Gsinα，上坡时它与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶；而下坡时与前进方向相同，助推汽车行驶。

坡度阻力可用下式计算

           Ri=Gsinα

因坡道倾角一般较小，认为sinα≈tgα＝i，则

           Ri=Gi    （N）

式中：

Ri——坡度阻力   （N）；

G——车辆总重力（N）；

I————道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。

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）

式中：

f+i——统称道路阻力系数。

3．惯性阻力

汽车变速行驶时，需要克服其质量变通运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示。

汽车的质量分为平移质量和旋转质量（如飞轮、齿轮、传动轴和车轮等）两部分，变速时平移质量产生惯性力，旋转质量产生惯性力矩。

平移质量的惯性力

旋转质量的惯性力矩

式中：

I——旋转部分的转动惯量；

 dω/dt——旋转部分转动时的角加速度。

旋转质量组成部分较多，且各部分的转动惯量的角加速度不同，计算比较复杂，为方便计算，一般给平移质量惯性乘以大于1的系数δ，来代替旋转质量惯性力矩的影响。

即

式中：

RI——惯性阻力（N）；

      G——车辆总重力（N）；

      9——重力加速度（m／s2）；

      a——汽车的加速度（正值）或减速度（负值）（m/s2）；

     δ——惯性力系数（或旋转质量换算系数）。

   惯性力系数δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关，其值可用下式计算

              δ＝l＋δ1＋δ2ik2：

式中：

δ1——表示汽车车轮惯性力的影响系数，一般δ1=0.03～0.05；

     δ2——表示发动机飞轮惯性力的影响系数，一般小客车δ2=0.05～0.07，载重汽车δ2=0.04～0.05；

     ik——变速箱的速比。

     这样，汽车的总行驶阻力R为

             R=Rw十RR十RI

三、汽车的运动方程式与行驶条件

     1．汽车的运动方程式

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。

当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称为驱动平衡。

其驱动平衡方程式（也称汽车的运动方程式）为

           T=R=Rw+RR+RI

公式（2-12）中驱动力T为节流阀全开的情况。

如果节流阀部分开启时，要对驱动力T进行修正，修正系数用U表示，称之为负荷率。

即

一般，负荷率U=80%～90%。

将有关公式代入式（2-12），则汽车的运动方程式为

      2．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。

即

                         T=R 

上式是汽车行驶的必要条件（即驱动条件）。

只有足够的驱动力还不能保证汽车正常地行驶，若驱动轮与路面之间的附着力不够大，车轮将在路面上打滑，不能行进。

所以，汽车能否正常行驶，还要受轮胎与路面之间附着条件的制约。

即汽车行驶的充分条件是驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即

                           T≤jGk

式中：

j——附着系数，主要取决于路面的粗糙程度和潮湿泥泞程度，轧胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，计算时可按表2-5选用；

Gk——驱动轮荷载，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。

附着力：

当车轮在未受侧向力的条件下，车轮与路面在接触面上无相对滑移时，路面对车轮的且向反作用力的极限值，称为附着力。

它与驱动轮的法向反作用力成正比。

根据以上汽车行驶条件，在实际工作中对路面提出了一定要求，从宏观上讲要求路面平整而坚实，从微观上讲又要求路面粗糙而不滑，以增大附着力。

第二节 汽车的动力特性及加、减速行程

动力特性：

能反映汽车动力性能的指标，称为动力特性。

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。

汽车的动力性愈好，速度就愈高，所能克服的行驶阻力也愈大。

本节主要介绍汽车的最高速度、最小稳定速度以及汽车的加、减速行程，为道路纵断面设计提供理论依据。

道路设计应使所设计的路线能充分发挥出汽车的最大动力性能。

一、汽车的动力因数

为便于分析，将式（2-12）作如下改变

T-Rw=RR+RI

上式等号左端T-Rw称为汽车的后备驱动力，T、R之值均与汽车的构造和行驶速度有关，等号右端为汽车在道路上行驶时的道路阻力RR和惯性阻力RI之和，其值主要与道路状况和汽车的行驶方式有关，而与汽车的构造和行驶速度无关。

所以按上式进行归类。

将右端行驶阻力表达式代入，得

为使不同类型汽车的动力性进行比较，且有相同的评价尺度，将上式两端分别除以车辆总重G，得

令上式左端为D，即

D称为动力因数，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。

将有关公式代人式（2-17）

式中发动机扭距M和转速n用其计算公式代替，即可得到D与车速的关系：

显然，D可以表示为V的二次函数，即

           D=PV2+QV+W

同理，可根据驱动力T与功率N的关系式（2-7），以及N的表达式推导出动力因数D与车速V的另一种关系式。

为使用方便，也可用曲线表示D与V的函数关系，称为动力特性图。

利用该图可直接查出各排档下不同车速对应的动力因数值。

海拔荷载修正系数λ:

动力因数和动力特性图是按海平面及汽车满载情况下的标准值计算绘制的，若道路所在地下在海平面上，汽车也不是满载，由于海拔增高，气压降低，使发动机输出功率、汽车的驱动力及空气阻力都随之降低，所以，应对动力因数D进行修正。

方法是给D乘以一个修正系数λ，即

                                             （2-19）

λ称为动力因数D的海拔荷载修正系数，其值为

式中：

ξ——海拔系数，见图2-5，或ξ=（1-2.26×10-5H）5.3

           其中，H为海拔高度（m）；

        G——满载时汽车的总重力（N）；

       G’——实际装载时汽车的总重力（N）。

二、汽车的行驶状态

由式（2-19）可得

式中：

ψ——道路阻力系数，。

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。

在某瞬时，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：

当ψ＜D时：

       加速行驶

当ψ=D时:

  a＝O  等速行驶

当ψ>D时：

        减速行驶

汽车的最高速度是指节流阀全开、满载（不带挂车）、在表面平整坚实水平路段上作稳定行驶时的速度。

每一排档都有各自的最高速度，除个别车型外，一般直接档的最高速度最大。

某一排档的最高速度Vmax可由下式计算

 （km/h）

式中：

nmax——汽车发动机的最大转速（r/min）。

汽车的最小稳定速度是指满载（不带挂车）在路面平整坚实的水平路段上，稳定行驶时的最低速度（即临界速度Vk）。

某一排档的最小稳定速度Vk可以从动力特性图上查得，也可用下式计算。

汽车的最高速度与最小稳定速度之间的差值愈大，表示汽车对道路阻力的适应性愈强其它排档也同样存在着这两个对应值。

三、汽车的爬坡能力

汽车的爬坡能力是指汽车在良好路面上等速行驶时克服了其它行驶阻力后所能爬上的纵坡度，因a=0，则

         i=λD-f

   汽车的最大爬坡能力是用最大爬坡坡度评定的。

最大爬坡度系指汽车在坚硬路面上用最低档作等速行驶时所能克服的最大坡度。

由于最低档爬坡能力大，坡道倾角α也大，此时cosα＜1，sinα≠tgα＝i，应该用下式计算

            λDImax=fcosα+sinα

解此三角函数方程式，得

式中：

αImax——最低档所能克服的最大坡道倾角；

        f——滚动阻力系数；

       DImax——最低档的最大动力因数。

用imax=tgαImax计算最大爬坡坡度。

第3讲：

教学内容：

第二章汽车行驶特性

                    第三节 汽车的行驶稳定性

                       第四节 汽车的制动性

授课目的：

1．了解汽车的燃油经济性

      2．掌握汽车的行驶稳定性及汽车的制动性；

重  点：

   1．汽车的行驶稳定性；

                  2．汽车的制动性。

难  点：

   汽车的行驶稳定性。

                       第三节 汽车的行驶稳定性

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因素主要有汽车本身的结构参数、驾驶员的操作技术以及道路与环境等外部因素的作用。

一、汽车行驶的纵向稳定性

图2-10为汽车等速上坡受力图，惯性阻力为零，因车速低可略去空气阻力和滚动阻力。

图中G为汽车总重力，α为坡道倾角，hg为重心高度，Z1和Z2为作用在前、后轮上的法向反作用力,X1和X2为作用在前、后轮上的切向反作用力，L为汽车轴距，l1和l2为汽车重心至前、后轴的距离，O点为汽车重心，O1和02为前、后轮与路面接触点。

1．纵向倾覆

产生纵向倾覆的临界状态是汽车前轮法向反作用力Z1为零，此时，汽车可能绕02点发生倾覆现象，对O2点取矩并让Z1=0，得

Gl2cosα0-Ghgsinα0=0

式中：

α0——Z1为零时极限坡道倾角；

      i0——Z1为零时道路的纵坡度。

当坡道倾角α≥α0（或道路纵坡i≥i0）时，汽车可能发生纵向倾覆。

由式（2-30）可知，纵向倾覆的稳定性主要与汽车重心至后轴的距离l2和重心高度hg有关。

l2愈大，hg愈低，纵向稳定性愈好。

2．纵向滑移

对后轮驱动的汽车，根据附着条件，驱动轮不产生滑移的临界状态是

                      Gsinαj＝jGk

因为sinαj»tgαj»ij，则

    ij=tgαj=

式中：

αj——产生纵向滑移临界状态时坡道倾角；

     ij——产生纵向滑移临界状态时道路纵坡度，其它符号意义同前。

当坡道倾角α≥αj（或道路纵坡度i≥ij）时，汽车可能产生纵向滑移。

ij的大小主要取决于驱动轮荷载Gk与汽车总重力G的比值以及附着系数j值，详见式（2-15）和表2-5。

3．纵向稳定性的保证

分析式（2-30）和（2-31），一般        接近于1，而          远远小于1，所以

             i

也就是说，汽车在坡道上行驶时，在发生纵向倾覆之前，首先发生纵向滑移现象。

为保证汽车行驶的纵向稳定性，道路设计应满足不产生纵向滑移为条件，这样，也就避免了汽车的纵向倾覆现象出现。

所以，汽车行驶时纵向稳定性的条件为

只要设计的道路纵坡度i满足上式条件，当汽车满载时一般都能保证纵向行驶的稳定性。

但在运输中装载过高时，由于重心高度hg的增大而破坏纵向稳定性条件，所以，应对汽车装载高度有所限制。

二、汽车行驶的横向稳定性

1．汽车在平曲线上行驶时力的平衡

汽车在平曲线上行驶时会产生离心力，其作用点在汽车的重心，方向水平背离圆心。

一定质量的汽车其离心力大小与行驶速度平方成正比，而与平曲线半径成反比，计算公式为

式中：

F——离心力（N）；

R——平曲线半径（m）；

v——汽车行驶速度（m/s）。

离心力对汽车在平曲线上行驶的稳定性影响很大，它可能使汽车向外侧滑移或倾覆。

为了减小离心力的作用，保证汽车在平曲线上稳定行驶，必须使平曲线上路面做成外侧高、内侧低呈单向横坡的形式，称为横向超高。

如图2-11所示，汽车行驶在具有超高的平曲线上时，其车重的水平分力可以抵消一部分离心力的作用，其余部分由汽车轮胎与路面之间的横向摩阻力与之平衡。

将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直于路面的竖向力Y，即

由于路面横向倾角α一般很小，则sinα≈tgα=ih，cosα≈1，其中ih称为横向超高坡度（简称超高率），所以

横向力X是汽