汽车行驶特性 道路勘测设计

第2章汽车行驶理论 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汽车的动力 行驶阻力及汽车的行驶条件 2 1 1汽车的牵引力汽车的动力来源 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 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 发动机转速特性曲线 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 1 发动机扭矩的传递 传到传动轴上的扭矩为 Mn Meik k经主传动器的半轴而传到汽车驱动轮上的扭矩值为Mk Mni0 0 Mei0 0ik k令 m 0 k m称为传动系的机械效率Mk Mei0ik m 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 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 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Fj 2 1 2汽车的行驶阻力 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 如果以Z表示法向单位压力之合力 即车轮法向反作用力 则力Z就与车轮负荷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 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 的公路上行驶时 其车轮负荷变为Ga cos 则其滚动阻力为Ff Ga cos f 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 Gasin 因坡道倾角一般较小 认为sin tg i 则Fi Gatan 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 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 空气密度 kg m3 一般 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 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 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 乘积KA称为汽车流线性因数 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 d e dt车轮的惯性力矩Mjk为 Mjk Jk d k dt回转部件的惯性阻力Rj2为 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 得 式中 称为汽车回转质量换算系数 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 其值可用下式计算 式中 1与 2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 1在0 03 0 05之间 2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 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 1 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 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 G 2 1 31 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 轮胎与路面间的摩擦系数 式2 1 31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 G 2 汽车行驶的充分条件 摩擦系数 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 的平均值如表2 1 6 3 道路摩擦系数 2 2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 2 2 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 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 式中 道路阻力系数 f i 仅与道路状况和坡度有关 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 3 海拔荷载修正系数 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 海拔系数 图2 2 2海拔系数图 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 2 2 2车速特性 得 当 D时 减速行驶 由 当 D时 加速行驶 当 D时 a 0等速行驶 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 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 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 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 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 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 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 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 Dmax fcos sin 略去海拔荷载系数 解此三角函数方程式 得最大坡角 2 2 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 D f 则汽车的最大爬坡度为 imax tan max 假定汽车用一个排挡动