道路勘测设计汽车行驶特性.ppt 42页

本章主要介绍汽车的动力性能和行驶特性，为道路线形设计作准备。第二章汽车行驶特性 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。 第一节概述一、汽车行驶性能的主要内容1、动力性能：指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向力决定、所能达到的平均行驶速度，即指决定汽车加速、爬坡和获得最大速度的性能。动力性能决定道路的最大纵坡、坡长限制及长陡坡上陡坡与缓坡的组合。2、制动性：指汽车行驶中能短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。制动性能和道路的行车视距直接相关。3、行驶稳定性：指汽车在行驶过程中，受外部因素作用，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。决定道路圆曲线极限最小半径和纵、横向组合最大坡度的取值，也影响道路纵坡度的设置。 4、操纵稳定性：指汽车是否能按照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。汽车的转向特性影响汽车在弯道上的行驶轨迹。5、燃油经济性：是指汽车以最少的燃油消耗量完成单位运输工作的能力，它是汽车的主要使用性能之一。燃油经济性越好，单位行程的燃油消耗量越小。6、行驶平顺性：指汽车在不平道路上行驶时，汽车免受冲击和振动的能力。汽车行驶平顺性，对汽车平均技术车速、驾驶员和乘客的舒适性、运货的完整性等有很大影响。7、通过性：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。 二、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；迅速、经济：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，保养周期提高平均行驶速度，发挥汽车的动力性能，公路设计时，严格控制曲线半径、最大纵坡及坡长，合理设置缓和坡段，采取大半径曲线和平缓的纵坡。行车连续：保证有足够的视距和安全净空，合理地设置平、竖曲线，并尽可能地减少平面交叉等。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。 第二节汽车的驱动力及行驶阻力一、汽车的驱动力汽车的动力来源：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M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。 汽车传动系统： 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．发动机曲轴扭矩M及发动机转速特性功率曲线扭矩曲线最小转速最大转速汽油发动机外特性 1．发动机曲轴扭矩M及发动机转速特性发动机输出的功率N与产生的扭矩M的关系FrM ⑵．发动机扭矩传递(驱动轮扭矩Mk)②．传递至驱动轮上的扭矩主传动器机械效率所以ηT载重汽车为0.8-0.85，小客车为0.85-0.95发动机扭矩M经过变速箱和主传动器驱动轮上的扭矩变速器机械效率①．发动机扭矩M经过变速箱的扭矩速比 2．驱动轮扭矩Mk驱动轮上的转速nk为：车速V与发电机转速关系： 3．汽车的驱动力Mk用力偶T和Ta表示，Ta平衡路面反作用力F，T平衡汽车阻力R 惯性阻力二．汽车的行驶阻力滚动阻力坡度阻力空气阻力惯性阻力1．空气阻力⑴．空气阻力的产生原因①．汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力。②．车后的真空吸力③．空气质点与车身表面的摩擦力。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。⑵．空气阻力的计算将车速v（m/s）化为V（Km/h）并化简，得并化简，得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 二．汽车的行驶阻力2(1)．滚动阻力：车轮滚动时轮胎与路面之间的摩擦阻力，是由于轮胎与路面变形引起的。f与路面的种类、行驶车速、轮胎性质有关。②．行驶车速：受车速影响较大。V<50时，f变化较小。V>100时，f增加较快。V=150-200时，f急剧增大。坡度阻力空气阻力惯性阻力干燥平整的土路潮湿不平整的土路路面类型碎石路面值0.01～0.020.02～0.0250.03～0.050.04～0.050.07～0.15表面平整的黑色碎石路面水泥及沥青混凝土路面①．路面种类：③.轮胎性质：胎压，轮胎材料，结构。滚动阻力 空气阻力惯性阻力二．汽车的行驶阻力滚动阻力坡度阻力空气阻力惯性阻力(2)．坡度阻力：汽车爬坡时，重力的分力对行车的阻力。由于公路纵坡α较小(α<5°)所以滚动阻力和坡度阻力均和道路的状况有关，且都和汽车总重成正比，将它们统称为道路阻力， 滚动阻力坡度阻力空气阻力惯性阻力二．汽车的行驶阻力3．惯性阻力平移质量的惯性力旋转质量的惯性力矩I--旋转部分的转动惯量；旋转部分转动的角加速度。旋转质量组成部分较多，且各部分的转动惯量和角加速度不同，计算比较复杂，为方便计算，一般给平移质量惯性力乘以大于1的系数，来代替旋转质量惯性力矩的影响。(N)—惯性力系数(或旋转质量换算系数)。惯性力系数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.滚动阻力坡度阻力空气阻力惯性阻力汽车的总行驶阻力为 1．汽车的运动方程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2.汽车的行驶条件三．汽车的运动方程与行驶条件⑴．必要条件（即驱动条件)：⑵．充分条件（附着条件）：—附着系数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各类路面上附着系数的平均值T为节流阀全开的情况，如果节流阀部分开启，要对T进行修正，修正系数用U表示，称之为负荷率。 动力特性：能反映汽车动力性能的指标。汽车的动力性能：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。第三节汽车的动力特性及加减速行程 一．汽车的动力因数D动力因数：单位车重的有效牵引力。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。后备驱动力，其值与汽车构造和行驶速度有关汽车在道路上行驶时的道路阻力和惯性阻力之和，其值主要与道路状况和汽车的行驶方式有关 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。二．动力因数的修正方法是给乘以一个修正系数，即称为动力因数的海拔荷载修正系数，为—海拔系数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，若道路所在地不在海平面上，汽车也不是满载，由于海拔增高，气压降低，发动机的输出功率、汽车的驱动力及空气阻力都随之降低，所以对D进行修正。 三．汽车的行驶状况⑶.当采用V1＞Vk的速度行驶时，若道路阻力额外增加，汽车可在原来排档上降低车速，以获得最大D值来克服额外阻力，待阻力消失后可立即提高到原V1的速度行驶。这种行驶状态成为稳定行驶⑷.当汽车采用V2＜Vk的速度行驶时，若道路阻力额外增加，汽车减速行驶而D值随之减小，如果此时不换档或开大节流阀，汽车将因发动机熄火而停驶。这种行驶状态呈不稳定行驶。⑸.临界速度Vk是汽车稳定性时的极限速度。一般情况下汽车都采用大于某一排档的临界速度Vk作为行驶速度，以便克服额外阻力而连续行驶。如图2-7由动力特性曲线可见⑴.每一排档都存在各自的最大因数Dmax，与之对应的速度称作临界速度，用Vk表示.⑵.若汽车以某一排档作等速行驶(D2＝φ2）时，汽车可采用V1或V2的任一速度行驶 汽车的最高、最小速度：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。某一排档的最高速度Vmax：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）。汽车的最高速度和最小稳定速度之间的差值越大，表示汽车对道路阻力的适应性越强。 三．爬坡能力⑴．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0，则(2—24)⑵．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，坡道倾角也大，此时，，应该用下式计算解此三角函数方程式，得(2—25) 第三节汽车的行驶稳定性一、汽车行驶的纵向稳定性⑴．产生纵向倾覆的临界状态是汽车前轮法向反作用力为零。此时，汽车可能绕点发生倾覆现象。对点取矩并让，得(2-30)汽车的行驶稳定性纵向稳定性横向稳定性纵向滑移纵向倾覆横向滑移横向倾覆纵坡、重心、先后横坡、速度、弯道半径、先后1.纵向倾覆⑵．纵向倾覆的稳定性主要与汽车重心至后轴的距离和重心高度有关。愈大，愈低，纵向稳定性愈好。式中：—为零时（倾覆）极限坡道倾角；—为零时（倾覆）道路的坡度。当坡道倾角（或道路纵坡）时，汽车可能发生纵向倾覆。 一、汽车行驶的纵向稳定性汽车的行驶稳定性纵向稳定性横向稳定性纵向滑移纵向倾覆横向滑移横向倾覆纵坡、重心、先后横坡、速度、弯道半径、先后2.纵向滑移⑴．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：因为，则⑵．当道路纵坡度时，汽车可能产生纵向滑移。第三节汽车的行驶稳定性 一、汽车行驶的纵向稳定性汽车的行驶稳定性纵向稳定性横向稳定性纵向滑移纵向倾覆横向滑移横向倾覆纵坡、重心、先后横坡、速度、弯道半径、先后3.纵向稳定性的保证因为保证纵向倾覆和滑移的条件分别是：比较以上两式，发现因此发生倾覆之前先发生滑移。(2-30)(2-31)第三节汽车的行驶稳定性 结论：①．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：②．由于重心高度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.汽车在平曲线上受力分析汽车在平曲线上行驶时产生的离心力为：由于路面横向倾角一般很小，则，，其中称为横向超高坡度(简称超高率)，所以将离心力与汽车重力分解为平行于路面的横向力和垂直于路面的竖向力，即 ①．横向力是汽车行驶的不稳定因素，竖向力是稳定因素。将车速（m/s）化成（km/h），则（2—33）②．采用横向力系数来衡量稳定性程度，其意义单位车重的横向力，即 2.横向倾覆条件分析汽车在具有超高的平曲线上行驶时，由于横向力的作用，可能使汽车绕外侧车轮触地点产生向外横向倾覆的危险。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。即因比小得多，可略去不计，则将此式代入式(2—33)并整理，得 3.横向滑移条件分析汽车在平曲线上行驶时，因横向力的存在，可能使汽车沿横向力的方向产生横向滑移。为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，即式中：—横向附着系数，一般=（0.6～0.7）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或最大允许行驶速度。 ①．汽车在平曲线上行驶时的横向稳定性主要取决于横向力系数值的大小。现代汽车在设计制造时重心较低，一般，即，而所以。③．装载过高时可能发生倾覆现象。4.横向稳定性的保证可见，在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象，为此，在道路设计中应保证汽车不产生横向滑移，同时也就保证了横向倾覆的稳定性。②．横向倾覆和滑移的条件分别是： （1）下坡i（不考虑超高横坡）方向的力：重力作用在前轴上的荷载W1´W1´三.汽车行使的纵横坡组合下的稳定性 （2）重力作用在前轴上，垂直超高路面ih的力W1(W1) (3)离心力F分配在前轴上的荷载W2为(W2) (4)前轴上总荷载（垂直于超高路面）:在平直路段（i=0,ih=0）上，作用于前轴的荷载为:在有平曲线的坡道上，前轴荷载增量与在平直路段上作用于前轴的荷载的比值为: 直坡道上ih≈0则I=i。即汽车沿直坡道下坡时，前轴荷载增量与在平直路段前轴荷载的比率等于该路段的纵坡度。在曲线上如果也以直线上相同大小的最大纵坡imax作为控制，则有下式成立此为汽车沿纵横组合方向的稳定条件： 第四节汽车的制动性汽车的制动性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。一、汽车制动性的评价指标评价汽车制动性的指标：制动效能（制动距离）制动效能的恒定性制动时汽车的方向稳定性二、汽车制动力汽车制动时，制动力P取决于轮胎与路面之间的附着力。在附着系数较小的路面上，若制动力大于附着力，车轮将在路面上滑移，易使制动方向失去控制。所以P值的极限值为P=G二、制动距离：制动距离是汽车从制动生效到汽车完全停住，这段时间内所走的距离。 制动平衡方程式为：-P=RW+RR+RIP+RR+RI=0（忽略空气阻力）1.制动减速度 2.制动距离制动距离： 汽车完成运输工作所消耗的燃油量称为燃油消耗量，燃油经济性的评价指标通常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。已知发动机的功率P和转速n后，可在发动机台架试验获得的发动机负荷特性图上查出燃油消耗率ge。ge是指发动机每千瓦小时的燃油消耗量。第五节汽车的燃油经济性 汽车以等速V在道路上行驶时，每百公里所做的功w为：则百公里消耗量Q为：