汽车行驶性能.ppt

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 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 本章摘要 本章主要介绍汽车行驶性能及其对路线的要求 汽车的驱动力 行驶阻力及行驶条件 汽车的动力特性 行驶状态 爬坡能力及加 减速行程 汽车行驶的纵向 横向及纵横组合向稳定性 汽车的制动力和制动距离以及汽车的燃油经济性等内容 第一节概述 一 汽车行驶性能的主要内容1 动力性能 加速 爬坡 最大V 2 制动性 行车视距 3 行驶稳定性 侧滑 倾覆 4 操作稳定性 转向稳定 高速稳定性和操作轻便性 5 燃油经济性6 行驶平顺性7 通过性 二 汽车行驶对路线的要求1 保证汽车在道路行驶的稳定性需要合理地选用圆曲线的半径和设置纵 横坡度 并提高车轮与路面间的附着力 2 尽可能地提高车速在公路设计时必须严格控制曲线半径 最大纵坡及其坡长 合理地设置缓和坡段 并尽可能地采取大半径曲线及平缓的纵坡 3 保证道路上的行车连续公路线形设计需要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 4 尽量满足行车舒适在道路线形设计时 需正确地组合平面线形和纵面线形 注意线形与景观的协调 以增进驾驶者和乘客在视觉上和心理上的舒适感 对平 竖曲线的最小半径要加以限制 以免车辆离心力过大而引起驾驶员和乘客不舒适 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 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 驱使曲轴以每分钟的转速旋转 发生的扭矩 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 产生的扭矩驱动汽车行驶 1 发动机 2 离合器 3 变速器 4 万向节头传动轴 5 主传动器 6 驱动轮 汽车传动系统 3 汽车的驱动力 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 二 汽车的行驶阻力 式中 K 空气阻力系数 它与汽车的流线型有关 空气密度 一般 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 1 空气阻力 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 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 时 其值可用下式计算 Rf Gfcos 由于坡道倾角 一般较小 认为cos 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 汽车在坡道倾角为 的道路上行驶时 车重G在平行于路面方向的分力为Gsin 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 Gsin 因坡道倾角一般较小 认为sin tg 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 2 坡度阻力 RR G f i 式中 f i 统称道路阻力系数 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 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 平移质量旋转质量 3 惯性阻力 平移质量的惯性力 旋转质量的惯性力矩 惯性阻力计算 式中 惯性力系数 或旋转质量换算系数 l 1 2ik2式中 1 表示汽车车轮惯性力的影响系数 一般 1 0 03 0 05 2 表示发动机飞轮惯性力的影响系数 一般小客车 2 0 05 0 07 载重汽车 2 0 04 0 05 ik 变速箱的速比 汽车的总行驶阻力R为 R Rw十RR十RI 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代入表达式 汽车的运动方程式为 三 汽车的运动方程式与行驶条件 汽车的驱动力r 车轮工作半径 m 式中驱动力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 一般 负荷率U 80 90 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 即汽车行驶的必要条件 即驱动条件 T R 驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力 即T Gk式中 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 汽车行驶的充分条件 第三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 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 一 汽车的动力因数汽车的运动方程式 T Rw RR RI改变形式 T Rw RR RI上式等号左端T Rw称为汽车的后备驱动力 T RW之值均与汽车的构造和行驶速度有关 代入表达式 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 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 使发动机的输出功率 汽车的驱动力及空气阻力都随之降低 所以 应对动力因数D进行修正 方法是给D乘以一个修正系数 当汽车的动力因数为D 道路阻力为 汽车的行驶状态有以下三种情况 当 D时 加速行驶 二 汽车的行驶状态 由 得 当 D时 a 0等速行驶 当 D时 减速行驶 式中 道路阻力系数 平衡速度 任意的D 相应等速行驶的速度 用VP表示 临界速度 每一排档最大动力因数Dmax对应的速度 用Vk表示 汽车的行驶状态 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 汽车的最小稳定速度与汽车的最高速度之间的差距愈大 表示汽车对道路阻力的适应性愈强 其他排挡也同样存在着这两个对应值 平衡速度临界速度稳定行驶不稳定行驶 临界速度是汽车稳定行驶的极限速度 一般情况下汽车都采用大于某一排档的临界速度作为行驶速度 以便克服额外阻力而连续行驶 如果道路阻力更大 使得车速降低较快 若车速降至本档时需要换低档行驶 相反 道路阻力更小时车速增加较快 当增至本档最高车速时需要换高档行驶 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 cos 1 sin tg i DImax fcos sin 解此三角函数方程式 得最大坡角 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 a 0 则i D f 1 计算加 减速行程由ds vdt a dv dt 得 四 汽车的加 减速行程 设初速V1 终速V2 则 东风EQ 140加 减速行程图 2 加 减速行程图 加 减速行程图用法 第四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 稳定性 纵向横向表现 滑移倾覆 纵向稳定性 表现 倾覆滑移 倒溜 横向稳定性 表现 倾覆滑移 侧滑 一 汽车行驶的纵向稳定性 临界状态 汽车前轮法向反作用力Z1为零 Z1L Gl2cos 0 Ghgsin 0 0Z1L Gl2cos 0 Ghgsin 0 0 1 纵向倾覆 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Gsin Gk因为sin tg 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 Gsin Gi tg 结论 当坡道倾角 或道路纵坡度i i 时 汽车可能产生纵向滑移 3 纵向稳定性的保证 一般接近于1 而远远小于1 所以 i i0即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 道路设计只要满足不产生纵向滑移 就可避免汽车的纵向倾覆现象出现 汽车行驶时纵向稳定性的条件为 二 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 受力分析 横向力X 失稳竖向力Y 稳定 1 汽车在平曲线上行驶时力的平衡 离心力 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 由于路面横向倾角 一般很小 则sin tg ih cos 1 其中ih称为横向超高坡度 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 采用横向力系数来衡量稳定性程度 其意义为单位车重的横向力 即 横向倾覆 汽车在平曲线上行驶时 由于横向力的作用 使汽车绕外侧车轮触地点产生向外横向倾覆 汽车内侧车轮支反力N1为0 倾覆力矩等于或大于稳定力矩 2 横向倾覆条件分析 倾覆力矩 Xhg 横向倾覆平衡条件分析 稳定力矩 倾覆力矩 Xhg 横向倾覆平衡条件分析 稳定力矩 稳定 平衡条件 汽车在平曲线上行驶时 不产生横向倾覆的最小平曲线半径Rmin 3 横向滑移条件分析 横向滑移 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 横向力大于轮胎和路面之间的横向附着力 极限平衡条件 横向滑移稳定条件 4 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 值的大小 现代汽车在设计制造时重心较低 一般b 2hg 而 h 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 三 汽车行驶的纵横组合向稳定性 汽车行驶在小半径平曲线上时 较直线上增加了一项弯道阻力 对上坡的汽车耗费的功率增加 使行车速度降低 对下坡的汽车有沿纵横组合的合成坡度方向倾斜 滑移和装载偏重的可能 这对汽车的行驶是危险的 汽车行驶在纵坡为i tg 和超高横坡为ih tg 的下坡路段上 作用在前轴上荷载W1为 离心力F分配在前轴上的荷载W2为 在平直路段上 作用于前轴的荷载W 为 前轴总荷载 W为 在有平曲线的坡道上 前轴荷载增量与W的比值为 对载重汽车 一般hg l2 1 则 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 纵坡折减 最大纵坡在平曲线上的折减计算方法 第五节汽车的制动性 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 制动效能的热稳定性制动时汽车的方向稳定性二 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 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