《道路勘测设计》ch2 汽车行驶特性.ppt 50页

道路勘测设计主讲：廖明军 第2章汽车行驶理论本章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。 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。研究内容第2章汽车行驶理论 2.1概述安全：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。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，保养周期舒适：视觉上：线形美观、赏心悦目、自然环境与景观设计相协调。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。2.1.1汽车行驶对道路的基本要求第2章汽车行驶理论 汽车的动力来源：汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。热能->机械能---传动系变速和传动--扭矩驱动轮---路面-水平推力驱使汽车行驶。2.1.2汽车行驶工作原理第2章汽车行驶理论 发动机输出的功率N与产生的扭矩M的关系：1．汽车发动机外特性曲线N-n曲线M-n曲线耗油量ge-n曲线第2章汽车行驶理论2.1.2汽车行驶工作原理 东风EQ-140发动机外特性曲线 汽车传动系统2．牵引力与曲轴扭矩的关系第2章汽车行驶理论2.1.2汽车行驶工作原理 （1）发动机扭矩的传递传到传动轴上的扭矩为：Mn=Meikηk经主传动器的半轴而传到汽车驱动轮上的扭矩值为Mk=Mni0η0=Mei0η0ikηk令ηm=η0ηk，ηm称为传动系的机械效率Mk=Mei0ikηm（2）牵引力Ft与曲轴扭矩Me的关系：rk——车轮工作半径，即计入轮胎弹性变形后的车轮半径（m）。它与内胎气压，外胎构造、路面的刚性与平衡性以及车轮上的荷载有关。其值一般为0.93r0～0.96r0，r0为未变形前轮胎的自由半径。第2章汽车行驶理论 驱动轮上的转速为：车速V与发电机转速关系：驱动力Ft与行车速度之间的关系式：驱动力Ft与功率Ne之间的关系式：V车速与发电机转速关系：式：第2章汽车行驶理论 2.2.1汽车牵引力2.2汽车行驶力学分析1.滚动阻力汽车的轮胎具有弹性，所以当车轮滚动时，轮胎会连续反复地发生变形。Z表示即车轮法向反作用力，与车轮负荷Gk大小相等，方向相反。但法向反作用力Z的作用点较车轮法线前移了一个距离a，因而产生一个滚动阻力距Mf，其值为Mf=Gk·a汽车行驶阻力包括：滚动阻力Ff坡度阻力Fi空气阻力Fw惯性阻力Fj2.2.2汽车行驶阻力第2章汽车行驶理论 1.滚动阻力欲使车轮在路上作等速滚动，必须在车轮中心加一推力T1，它与地面切向反作用力构成一力偶矩来克服滚动阻力矩。由平衡条件得：Mf=T1·rkT1=Mf/rk=Gk·a/rk令f=a/rk，则T1=Ga·f或f=T1/Gaf称为滚动阻力系数。由上述可知，滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时，所需推与车轮负荷之比，即单位车重所需的推力。对整个车辆，为克服滚动阻力矩所必须的推力为T=∑T1=∑Gk·f=Ga·f滚动阻力Ff为：Ff=Ga·f当汽车在坡度角α的公路上行驶时，其车轮负荷变为Ga·cosα，则其滚动阻力为Ff=Ga·cosα·f第2章汽车行驶理论 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=±Gasinα因坡道倾角一般较小，认为sinα≈tgα＝i，则Fi=±Gatanα=±Gai（N）式中：Ri——坡度阻力（N）；Ga——车辆总重力（N）；i——道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。2.坡度阻力li=5%请计算sinα和tgααhi=h/l第2章汽车行驶理论 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。空气阻力分为压力阻力和摩擦阻力，而压力阻力又分为压差阻力、干扰阻力、冷却系阻力和诱导阻力。为了简化计算，采用集中作用的空气阻力FW来代替分布在整个汽车各部位上的阻力。空气阻力FW可用下式计算：3.空气阻力式中：C——流线型系数；ρ——空气密度，kg/m3，一般ρ=1.2258N·s2/m4；A——汽车迎风面面积，m2；vH——汽车与空气相对速度，m/s；n——随车速变化的指数，当vH＜1m/s，n=1；1＜vH＜330m/s，n=2；vH＞330m/s，n=3。第2章汽车行驶理论 在汽车行驶中，一般n取2，在地面空气密度变化甚小，可视为常数，将上式的C与ρ的乘积以系数K取代之，在计算中又近似地取相对速度vH等于车速v（m/s），则FW=KAv2=KAV2/13式中：K——空气阻力系数，kg/m3。其值可由道路试验，风洞试验等方法测得；V——车速，km/h。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。则对n节挂车的汽车列车，其空气阻力为FW=（1+0.2n）KAV2/13汽车的迎风面积，即汽车在纵轴的垂直面上的投影面积，可用投影法测得，也可用下列公式计算载重汽车和公共汽车A=BH小客车A=0.78B1H第2章汽车行驶理论3.空气阻力 乘积KA称为汽车流线性因数第2章汽车行驶理论 汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用Rj表示。汽车的质量：平移质量旋转质量4．惯性阻力汽车平移质量的惯性阻力Rj1为：旋转质量的惯性阻力Rj2汽车上各回转部件（如飞轮、离合器、变速器、齿轮、传动轴、主传动器、车轮等）的转动惯量，以发动机飞轮及汽车车轮的数值为最大，通常忽略其它部件的影响而不计。飞轮的惯性力矩Mje为：Mje=Je·dωe/dt车轮的惯性力矩Mjk为：Mjk=∑Jk·dωk/dt回转部件的惯性阻力Rj2为：第2章汽车行驶理论 惯性阻力计算：Rj2与Rj1之和即汽车的惯性阻力Rj（N）。为简化计算引入一个系数δ，得式中δ称为汽车回转质量换算系数。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：式中δ1与δ2为分别考虑汽车车轮和发动机飞轮的惯性影响而引用的两个系数。对一般汽车而言其数值变化不大；δ1在0.03～0.05之间；δ2对于小客车在0.05～0.07之间，对于载重汽车在0.04～0.05之间。第2章汽车行驶理论 1．汽车行驶的必要条件为使汽车运动，汽车的牵引力必须与汽车运动时所遇到各项阻力之和平衡，即Ft=Rf±Ri+RW±Rj代入表达式，汽车的运动方程式为：2.2.3汽车的行驶条件式中Ri前的“+”表示上坡，“-”表示下坡；Rj前的“+”表示加速，“-”表示减速，Rf与RW恒为正值。上式又称为牵引平衡方程。即汽车的牵引力Ft必须等于各行驶阻力之和才能保证车辆正常行驶，即汽车行驶的必要条件（亦称驱动条件）：Ft=R=Rf±Ri+RW±Rj第2章汽车行驶理论 汽车的牵引力与路面对车轮的水平反力大小、方向均相同，而路面对车轮的水平反力受轮胎与路面间附着条件的制约。驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即Ft≤Gφ式中：G——驱动轮荷重（N），对于全轮驱动的汽车，为汽车总重；对于后轮驱动的汽车，一般取小汽车；G=0.5Ga～0.65Ga，载重汽车：G=0.65Ga～0.8Ga；φ——轮胎与路面间的摩擦系数。上式即为汽车行驶的充分条件，亦称附着条件。把式结合起来，便是汽车行驶的充分必要条件，亦称为汽车运动的驱动与附着条件，即Ft=Rf±Ri+Rw±Rj≤Gφ2.汽车行驶的充分条件第2章汽车行驶理论 摩擦系数φ与路面的粗糙程度、潮湿泥泞程度、轮胎花纹和气压、车速、荷载重量等因素有关。各类路面φ的平均值如表2.1.63.道路摩擦系数第2章汽车行驶理论 2.3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。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2章汽车行驶理论 2.3汽车的动力特性及加、减速行程2.3.1动力因数和动力特性图1.动力因数:汽车的运动方程式：Ft=Rf±Ri+RW±Rj改变形式，Ft-RW=Rf±Ri±RjFt-FW称为汽车的后备牵引力。Ft、RW之值均与汽车的构造和行驶速度有关。代入表达式第2章汽车行驶理论 令上式左端为D，即为使不同类型汽车的动力特性进行比较，且有相同的评价尺度，将上式两端分别除以车辆总重Ga，得D称为动力因数。其含义是：某型汽车在海平面高度上，满载情况下，单位车重所具有的后备牵引力（又叫单位车重所具有的牵引潜力）。当汽车作等速行驶时，dv/dt=0则D=f±i=ψ式中：ψ——道路阻力系数，ψ=f±i，仅与道路状况和坡度有关。第2章汽车行驶理论 2.动力特性图:动力因数D与车速V间的关系曲线，称为动力特性图 当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，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，3.海拔荷载修正系数λ:λ称为动力因数D的海拔荷载修正系数，其值为式中：Ga——满载时汽车重力，N；GT——实际装载时汽车重力，N；ξ——海拔系数。图2.2.2海拔系数图第2章汽车行驶理论 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：2.3.2车速特性得由当ψ＜D时：加速行驶当ψ=D时：等速行驶当ψ>D时：减速行驶第2章汽车行驶理论 最高车速就是指在良好的路面条件情况下，稳定行驶的汽车所能够达到的最大行驶速度。dv/dt=0，则D=ψ直线与D=f（V）曲线的交点所对应的速度Vc，即为在道路阻力为ψ时，汽车可能的最大行驶速度。2.临界速度1.道路条件一定时的最高车速图2.2.3某排挡的动力特性图第2章汽车行驶理论 最高车速就是指在良好的路面条件情况下，稳定行驶的汽车所能够达到的最大行驶速度。dv/dt=0，则D=ψ直线与D=f（V）曲线的交点所对应的速度Vc，即为在道路阻力为ψ时，汽车可能的最大行驶速度。2.临界速度对某一排挡的动力特性曲线，动力因数D均有一定的使用范围，且存在一个最大值Dmax，其所对应的速度Vk称为该档的临界速度。1.道路条件一定时的最高车速图2.2.3某排挡的动力特性图第2章汽车行驶理论 3.汽车的最高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：4.汽车的最小稳定速度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）。第2章汽车行驶理论 最大爬坡度：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。cosα＜1，sinα≠tgα＝i，Dmax=fcosα+sinα（略去海拔荷载系数λ）解此三角函数方程式，得最大坡角：2.3.3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。dv/dt=0则i=λD-f则汽车的最大爬坡度为：imax=tanαmax第2章汽车行驶理论 假定汽车用一个排挡动力上坡，以速度驶入坡段，并以速度V2驶出坡段，则可能克服的坡度i1和相应的坡长S1，由速度Vt和V2在动力特性图上，可求得相应的动力因数值D1和D2，则由公式可得相应的加速度汽车的动力上坡第2章汽车行驶理论 假定汽车用一个排挡动力上坡，以速度V1驶入坡段，并以速度V2驶出坡段，则可能克服的坡度i1和相应的坡长S1，由速度Vt和V2在动力特性图上，可求得相应的动力因数值D1和D2，则由公式可得相应的加速度汽车的动力上坡因vdt=ds，dt=ds/v,代入上式得：第2章汽车行驶理论 2.4汽车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。稳定性：纵向横向表现：滑移倾覆纵向倾覆纵向滑移或倒溜第2章汽车行驶理论 横向稳定性：表现：倾覆滑移（侧滑）第2章汽车行驶理论 2.4.1汽车行驶的纵向稳定性1．纵向倾覆：一般L2和h的数值在汽车设计中考虑，其比值L2/h≈1，因此，一般来说汽车的纵向倾覆稳定条件是很容易满足的。 2．纵向滑移（驱动轮滑转）临界状态：下滑力等于驱动轮与路面的附着力Gsinα＝Gk因为sinαtgα=i，则纵向滑移临界状态条件：纵向滑移的极限状态——倒溜发生条件：Gsinα＝Gi=tgα=结论：当坡道倾角α≥α或道路纵坡度i≥i时，汽车可能产生纵向滑移。在泥泞时=0.2，冰滑时=0.1，因此汽车不产生倒溜的条件一般是i<0.1～0.2（泥泞时）。汽车不产生滑移的条件一般是i<0.13～0.15（泥泞时）。第2章汽车行驶理论 2.4.2汽车行驶的横向稳定性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。1．汽车在平曲线上行驶受到的横向作用力：离心力第2章汽车行驶理论 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。汽车在平曲线上行驶时受到的平行与路面方向的横向力总和X为：1．汽车在平曲线上行驶受到的横向作用力离心力第2章汽车行驶理论2.4.2汽车行驶的横向稳定性 汽车在平曲线上行驶时，受到得法向作用力总和Y为：横向力系数μ：横向力X与法向反力Y的比值。第2章汽车行驶理论 （1）横向倾覆稳定性倾覆力矩和稳定力矩的极限平衡状态是：2.汽车在曲线上行驶的稳定性分析当满足条件时，汽车在平曲线上行驶就不会产生倾覆。第2章汽车行驶理论 （1）横向倾覆稳定性倾覆力矩和稳定力矩的极限平衡状态是：2.汽车在曲线上行驶的稳定性分析当满足条件时，汽车在平曲线上行驶就不会产生倾覆。第2章汽车行驶理论 （2）横向滑移稳定横向滑移：当横向力X大于轮胎和路面之间的横向附着力X’时，汽车将发生产生横向滑移。汽车不发生横向滑移的条件是：汽车在横向滑移极限平衡状态时最大可能的车速和最小曲线半径为：第2章汽车行驶理论 3．横向稳定性的保证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μ值的大小。现代汽车在设计制造时重心较低，一般b≈2hg，而x<0.5,即汽车在平曲线上行驶时，在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象。在道路设计中只要保证不产生横向滑移现象发生，即可保证横向稳定性。保证横向稳定性的条件：第2章汽车行驶理论 车轮制动是利用制动器内的摩擦阻力矩来形成汽车运动方向相反的路面对车轮的切向摩擦阻力，简称为车轮制动力FT。在极限状态下，汽车的最大制动力取决于轮胎与路面间的附着力。其值等于车轮对地面的垂直荷载G与轮胎和路面的摩擦系数的乘积，即：FTmax=G汽车在部分滑动部分滚动的情况下附着力最大。制动平衡方程式为：-Ft=Ff±Fi+Fw±FjFt+Ff±Fi+±Fj=0（忽略空气阻力）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。2.5.1汽车的制动过程与制动力2.5汽车的制动性第2章汽车行驶理论 2.5.2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）制动效能的热稳定性制动时汽车的方向稳定性1.制动减速度：在路面干燥（=0.5～0.7状态下计算出减速度可达7～9m/s2。在实际使用中，过大的制动减速度不仅要增加燃料消耗和轮胎磨损，而且还会使乘客感到不舒适和货物在车厢内碰撞。因此，一般情况下不应使制动减速度大于1.5～2.5m/s2，只有在紧急情况下，制动减速度才超过4m/s2。第2章汽车行驶理论 2.制动时间驾驶者开始得到制动讯号起，到制动器完全发生作用为止，需要经过一段时间。这段时间取决于驾驶者的反映时间和制动生效时间两项之和。在公路设计时，常取这两部分时间之和为1.0～2.5s。3.制动距离制动距离是指汽车以速度V1行驶时，从驾驶员发现障碍物，并判断是否刹车到汽车安全停止所行驶的距离SS。 3.制动距离：若制动到汽车安全停止时V2=0，则制动距离SS为：制动距离是指汽车以速度V1行驶时，从驾驶员发现障碍物，并判断是否刹车到汽车安全停止所行驶的距离SS。若考虑到驾驶者的反映时间和制动生效时间，以及实际使用中有时制动不充分等情况，可采用一个使用系数（或简称为制动系数）K予以修正。此时汽车制动减速行驶的全部制动距离应为：第2章汽车行驶理论 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。2.6.1汽车的燃油经济性评价指标评价汽车的燃料经济性指标有两类，一类是以行驶一定里程(或一定运量)所消耗的能量来衡量，如每行驶100km的耗油量(kg)、每吨公里运量的耗油量(kg)等。另一类是消耗单位燃料所行驶的里程，如每公斤燃料所行驶的里程(km)。上述指标与发动机的燃料经济性有关。通常用发动机的燃料消耗率qe表示。燃料消耗率是指发动机发出每千瓦小时功率的燃料消耗量。已知发动机的功率N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。2.6汽车的燃油经济性第2章汽车行驶理论 1．汽车使用方面主要与汽车的行驶速度、挡位选择、挂车的应用、正确调整保养等因素有关。这些属于汽车运用与维修研究课题。2．汽车结构方面主要从改进汽车发动机、提高燃油质量、改进润滑油质量、改进传动系统、改进底盘及车身设计等方面着手。这些属于汽车设计研究的课题。3．道路设计方面从道路线形和结构上设计着手，提高道路路面质量和线形标准，对节省燃油消耗有着十分重要的意义，这是道路设计的一个重要任务。2.6.2影响汽车燃料经济性的因素第2章汽车行驶理论