第3章 道路纵断面1-2.ppt

3 1概述 沿着道路中线竖向剖面的展开图即为道路纵断面图 纵断面设计 在路线纵断面图上研究路线线位高度及坡度变化情况的过程 任务 研究纵断面线形的几何构成及其大小与长度 依据 汽车的动力特性 道路等级 当地的自然地理条件以及工程经济性等 第三章道路纵断面 地面线 根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线 设计线 表达路基设计高程的规则的连续线 包括直线和曲线 路线纵断面图构成 地面高程 中线上地面点高程 设计高程 一般公路 路基未设加宽超高前的路肩边缘的高程 设分隔带公路 一般为分隔带外边缘 路基高度 横断面上设计高程与地面高程之高差 路堤 设计高程大于地面高程 路堑 设计高程小于地面高程 纵断面设计内容 坡度及坡长竖曲线 3 2汽车动力性能 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 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 一 汽车的驱动力 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经过传动系变速和传动 将曲轴的扭矩传给驱动轮 产生的扭矩Me驱动汽车的驱动轮旋转 车轮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 发动机输出的功率Ne与产生的扭矩Me的关系 1 发动机曲轴扭矩Me 其中 ne为发动机曲轴转数 r min 汽车的最大有效功率Ne与曲轴转数ne的之间的关系曲线是发动机的基本特征 称为汽车的外特征曲线 N n曲线 M n曲线 发动机转速特性曲线 发动机曲轴上的扭矩Me需要经过变速箱 速比ik 和主传动器 速比i0 两次变速后传递到驱动轮上 两次变速的总变速比为 i0 ik 传动系统的总机械效率为 m 1 0 传到驱动轮上的扭矩Mk为 Mk Me m 2 驱动轮扭矩Mk 转速与车速 驱动轮上的转速nk为 车速V与发动机转速关系 3 汽车的驱动力 汽车发动机产生的转矩 经传动系传至驱动轮上 此时作用于驱动轮上的转矩Mk可以用一对力偶Pk代替 而地面对车轮的反作用力Pt即为驱动汽车的外力 称为汽车的驱动力 Mk rk 车轮工作半径 如果不考虑阻力 汽车驱动力为 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 式中 k 空气阻力系数 它与汽车的流线型和空气密度 有关 一般 1 2258 N s2 m4 查表3 2F 汽车迎风面积 或称正投影面积 m2 v V 汽车与空气的相对速度 m s km h 可近似地取汽车的行驶速度 二 汽车的行驶阻力 道路阻力是由弹性轮胎变形 道路的不同路面 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 2 道路阻力 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 fGcos 由于坡道倾角 一般较小 认为cos 1 则Rf fG 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 轮胎气压和行驶速度等有关 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3 3 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 tan 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 道路阻力系数 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Rj表示 惯性阻力包括 质量G变速的惯性力和转动变速的惯性力 惯性阻力的计算公式为 3 惯性阻力 式中 惯性力系数 g 重力加速度 惯性力系数按下式计算 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 4 汽车的总行驶阻力R 以上各项相加 则汽车总的行驶阻力R为 R Rw十RR十Rj 1 汽车的运动方程式汽车行驶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 称为牵引平衡 即 Pt R Rw RR Rj该方程称汽车的运动方程式 是行驶的必要条件 也称驱动条件 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 2 汽车行驶的充分条件 驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力 即Pt Z式中 Z 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 附着系数 主要取决于路面的粗糙程度 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3 4选用 综合必要条件和充分条件 Pt Rw RR Rj Z实际路面设计应满足两个基本要求 1 宏观平整减小滚动阻力 减小油耗和磨损 行车舒适 2 微观粗糙增大摩擦系数 提供较大附着力 增大牵引能力 路面设计的基本要求 四 汽车的动力因素及行驶特性 汽车的动力因素 指汽车所具有的加速 上坡 最大速度等的性能 由汽车的运动方程式 Pt Rw RR Rj改写为 Pt Rw RR Rj将相关公式代入得 上式等号左端只与汽车构造和行驶速度有关 称为汽车的后备驱动力 等式右边则取决于道路状况和行驶方式 与车辆受到的重力G有关 令上式左端为D 即 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 D称为动力因素 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 1 动力因素 将Pt 3600Nk V Rw 3600Nw V带入动力因素公式得 2 动力特性图 将相应的汽车特性数据代入可绘制出D V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 称为动力因数D的海拔荷载修正系数 其值为 海拔荷载修正系数 海拔修正系数 或 1 2 26 10 5H 5 3 式中 海拔系数 见图3 6 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 海拔系数图 五 汽车的最高速度和最小速度 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 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 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 六 汽车的行驶状态 当 D时 加速行驶 平衡速度 任意D 相应的等速行驶的速度 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 平衡速度和临界速度 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 tan i DImax fcos sin 解此三角函数方程式 得最大坡角 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 汽车的爬坡能力 1 计算加 减速行程由ds vdt a dv dt 得 设初速V1 终速V2 则由V1到V2的行程为 汽车的加 减速行程 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 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