道路工程第二章 道路车辆及运行特性

1、第二章 道路车辆及运行特性 第一节 汽车行驶特性 道路上汽车类型道路上汽车类型 汽车的驱动力及行驶阻力汽车的驱动力及行驶阻力 汽车行驶条件汽车行驶条件 汽车的爬坡能力汽车的爬坡能力 轴距轴距后悬后悬前悬前悬 传动系、行驶系、转向系、制动系传动系、行驶系、转向系、制动系 发动机、离合器、变速箱、万向传动轴、差速器、车辆、驱动 轮、制动器等。 机械式传动系一般组成及布置示意图 传动系传动系 传动系：传动系： 外特性曲线 燃料热能 活塞、曲 轴机械能 作功 传动系：传动系：作用： （1）保证起步时工作平稳。（2） 行进中换挡。 （3）传动系不至于过载。 1-飞轮 2-从动盘 3-压盘 4-膜片弹簧

2、传动系：传动系：作用：减速增扭 传动系：传动系： 传动系：传动系： 汽车的行驶性能 一一 、车辆类型、尺寸、重量和构造、车辆类型、尺寸、重量和构造 1 车辆类型车辆类型 汽车可分为客车和货车两大类。客车包括小客车（轿车）、 面包车、公共汽车（小型、中型和铰接式）等。货车可进一 步分为卡车（轻型、中型和重型）和组合式货车（各种拖挂 式货车）两类。 （1） 小客车小客车 小客车为二轴-四轮车辆，可坐26人，主要作为个人交 通工具。按重量和尺寸大小，可分为小型、中型和重型三种 。其重量变动于6.818kN 范围内；车身长度在3.55.6m 之间，前后轴的中心距变动于2.33.1m之间，车身后缘到 后

3、轴的长度（后悬距离）为0.61.5m之间；车身宽度为 1.62.0m，高度为1.151.65m之间。 （2） 面包车面包车 面包车通常由小客车或轻型卡车的底盘改装而成，可乘坐 615人。 （3） 公共汽车公共汽车 小型公共汽车通常有1525个座位，供短途运输用，其车 身长约为5.57.6m，宽为2.02.5m。中型公共汽车可为 二轴或三轴，车身长912m，宽2.42.6m，约有45个座 位。把半挂车固定地联结在二轴中型公共汽车上，便组成铰 接式公共汽车。其长度约为1618m，宽度为2.6m，包括 站立乘客在内约可容纳100人以上。 （4）卡车）卡车 卡车系指载货区和动力设备装在共同的车架上不能

4、分开的货车 。卡车包括二轴四轮（轻型卡车）、二轴六轮、三轴（双后轴 ）和四轴（三后轴）卡车四种。轻型卡车的总重量般小于 45kN，二轴六轮卡车的总重量大都在45180kN范围内，而三 轴和四轴卡车的总重量可高达260300kN。 （5） 组合式货车组合式货车 组合式货车由牵引车或卡车同一个或多个挂车组合而成，可总 称为拖挂车拖挂车。牵引车和挂车通过铰接方式联结时，彼此可相对 转动，因而也可称为铰接车铰接车。组合式货车的总重量一般可达到 400500 kN，通常用于长途运输。挂车有两种：后端有一个轴 或多个轴但前端无轴的半挂式，其前端放在牵引车的后端上， 并把一部分重量传给前面牵引车；前后各有一

5、个轴或多个轴的 全挂式，由卡车或带半挂车的牵引车拖带，但不把重量转给前 面。 2 车辆尺寸及设计车辆车辆尺寸及设计车辆 3 车辆的重量车辆的重量 车辆的重量通过车轴和车轮传递给道路和桥梁结构物。汽车 前轴的轴型都为单轴，后轴的轴型可采用单轴、双联轴或三 联轴。前轴两侧的车轮都由单轮胎组成，而后轴两侧的轮胎 可由单轮胎或双轮胎组成。 车辆重量大小，主要影响到对道路和桥梁的结构承载能力的 要求。重量特性主要由车辆总重和轴重以及轴型和轮型表征 。车辆总重或轴重越大，对道路和桥梁结构承载能力的要求 越高，同时，在使用过程中对道路和桥梁的损坏越严重，因 而，所建工程的造价（投资）和工程的运营（维护）费用

6、便 越高。为了兼顾道路建设和运营部门及道路使用者双方的利 益和便利，对道路上行驶车辆的总重和轴重的最高值进行定 量限制。 各国对道路上行驶车辆的最大轴重和总重有不同的限定。单轴最 大允许轴重变动于80130kN；双联轴最大允许轴重变动于 140210kN；三联轴最大允许轴重变动于180270 kN。卡车的最 大允许总重变动于240400kN；半挂式和全挂式货车的最大允许总 重变动于360500kN。我国公路部门规定的单轴最大允许轴重为 60kN（每侧单轮胎）或100kN（每侧双轮胎），双联轴最大允许轴 重为100kN （每侧单轮胎）或180kN（每侧双轮胎），三联轴最大 允许轴重为120kN（

7、每侧单轮胎）或220kN（每侧双轮胎）；卡车 和单拖挂货车的最大允许总重为400kN，双拖挂或三拖挂货车的最 大允许总重为460kN。 我国公路标准规定路面设计标准轴载为双轮组单轴100KN。 二、汽车的驱动力及行驶阻力二、汽车的驱动力及行驶阻力 1、汽车的驱动力、汽车的驱动力 燃料热能活塞机械能产生有效功率N 曲轴 产生每分钟n的转速旋转 产生发动机曲轴扭矩M 离合器变速器传动轴主传动器差速器等驱动轮 产生驱动轮扭矩MK 功率(N)，发动机功率,单位千瓦(Kw)/马力（hp）, 1hp = 0.7457 kW. 扭矩(M),表征汽车牵引力的大小,单位牛顿.米/千克.米,1 千克.米=9.8牛

8、顿.米 燃油消耗(ge),发动机每小时产生每千瓦功率消耗的燃油 量，单位（克/千瓦/小时） 转速(n)，单位 转/分钟 有一个简单的公式可以表明功率、牵引力和速度的关系： 功率（N)(牵引力)扭矩(M)速度(V) 2、汽车的行驶阻力、汽车的行驶阻力 汽车在道路上行驶时须克服各种阻力，如滚动阻力、空气阻力、 坡度阻力、弯道阻力和惯性阻力等。这些阻力一方面与道路的 特性有关，如路面平整程度、坡度、弯道曲率半径等，另一方 面则随车辆的运行特性而变，如车辆总重、行驶速度、速度变 化速率、车身迎风面积和外廓线形等。 （1 1）空气阻力）空气阻力(R(Rw w) ) 汽车行驶时的空气阻力包括车辆迎风面处的

9、空气直接作用、 空气越过车辆表面（包括车底）的摩阻力以及车后的局部真 空。 2 2 1 VAKR w （3 3）坡度阻力）坡度阻力(R(Ri i) ) 汽车在坡道上行驶时，车辆受到其重量平行于坡面的分力的 作用。 iGGRisin （2 2）滚动阻力）滚动阻力(R(Rf f) ) 汽车在道路上行驶时的滚动阻力来源于轮胎表面于路面之间 的摩阻滑移，轮胎橡胶在接触表面处的弯曲变形，车轮滚过 路表面突出的石子或不平整的破碎路面，车辆从道路的低洼 处爬出，推动车轮通过砂、雪或泥地，在轮、轴和组合器轴 承处以及变速齿轮中的内部摩阻等。 fGfGR f cos 滚动阻力、坡度阻力均与道路状况有关，且与总重

10、力成正比，滚动阻力、坡度阻力均与道路状况有关，且与总重力成正比， 表示为道路阻力：表示为道路阻力： ifGRR （5 5）惯性阻力）惯性阻力(R(RI I) ) 汽车行驶速度变化（加速或减速）时，车辆受到运动惯性阻 力的作用。此惯性阻力是车辆重量及加速或减速速率的函数。 式中，R为车辆总行驶阻力，kg。在车辆下坡或减速行驶时， 式中的坡度阻力或惯性阻力为负值。 由上述各项阻力的关系式可以看出，除空气阻力外，其它各 项阻力均与车辆的总质量成正比；而除了坡度阻力和惯性阻力 外，其它各项阻力还与车辆的行驶速度或速度平方成正比。因 此，车辆总质量和行驶速度是影响行驶阻力大小的两项最主要 的因素。 IR

11、w RRRR 综合上述各项阻力，车辆在路上的总行驶阻力为： a g G RI 11 2 21 k i 汽车的行驶条件：汽车的行驶条件： 汽车在道路上行驶，当驱动力等于汽车在道路上行驶，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使汽车行驶，必须具有足够的驱动 力来克服各种行驶阻力。力来克服

12、各种行驶阻力。 三三 、汽车动力性能及加、减速行驶、汽车动力性能及加、减速行驶 汽车的动力性能系指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等的 性能，动力性能越好，速度就越高，所能克服的阻力就大。这 里为纵断面设计提供依据。 1、汽车的动力特性图、汽车的动力特性图 G KAV rG M UD g a if G RT D RRRT RRRT T w IRw IRw 25.21 )( 0 2 方程表明了汽车行驶时，驱动 力和各行驶阻力之间的平衡关 系。当发动机转速特性、变速 器传动比、主减速比、机械效 率、车轮半径、空气阻力系数、 汽车迎风面积及汽车总质量等 初步确定后，便可利用此式分 析汽车在良好路面（

13、沥青、混 凝土路面）上的行驶能力，即 确定节流阀全开时，汽车能达 到的最高车速、加速能力和爬 坡能力 2、汽车的行驶状态、汽车的行驶状态 汽车的动力因数D，它表示某型汽车在海平面上，满载情况下， 每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。 某档动力特性图某档动力特性图 3、汽车的爬坡能力、汽车的爬坡能力 4、汽车的加减速行程、汽车的加减速行程 四、汽车的行驶稳定性和制动性能四、汽车的行驶稳定性和制动性能 1、汽车的纵向稳定性、汽车的纵向稳定性 条件：匀速、惯性阻力为条件：匀速、惯性阻力为0，低速，忽略空气阻力和滚动阻力，低速，忽略空气阻力和滚动阻力 倾覆：倾覆： 滑移：滑移： g h l tga

14、ii 2 00 k G aGsin G G tgaii k 稳定性保证稳定性保证： 发生纵向倾覆前，先发生滑移。原因是： G G tgaii k 1,1 2 G G h l k g 2、汽车的横向稳定性（曲线上）、汽车的横向稳定性（曲线上） 原因：离心力的原因，部分靠超高产生的重力分量抵消，其余原因：离心力的原因，部分靠超高产生的重力分量抵消，其余 靠横向摩擦力抵消。靠横向摩擦力抵消。 gR Gv F 2 倾覆：倾覆： 滑移：滑移： 横向力系数：横向力系数： X Y h h i R V i gR v G X 127 2 2 超高的概念（横向坡度超高的概念（横向坡度） 1cos,sinaitga

15、a h h g i h b V R 2 127 2 hh i V R 127 2 稳定性保证：稳定性保证： 发生横向倾覆前，先发生滑移。原因： )7 . 06 . 0( h 5.0,1 2 h g h b 3、汽车的纵横组合稳定性、汽车的纵横组合稳定性 上坡速度降低，耗费增加，而下坡 存在合成坡度，比较危险。 h i R V ii 127 2 max )(i 22 4、制动性能、制动性能 制动性能使用制动距离来评价： 254 2 2 2 1 VV S 路面与轮胎之间的附着系数,道路阻力系数 f+i IRw RRRRT 要制动就施加制动力P：方向与前进方向相反，略 去风阻力。 0 IR RRP

16、GP GR R a g G R I 254 2 1 V S 制动到停止： 0 2 V 制动距离： 五五 、汽车燃安油经济性、汽车燃安油经济性 燃油消耗虽然同汽车发动机的效率密切相关，但很大程度上也 受到道路和交通状况的影响。燃油消耗随行驶速度而变化，呈 两端高中间低的规律，即低速和高速行驶时油耗大，中速行驶 时油耗相对较低。随着路段纵坡的增大，由于需消耗部分功率 以克服坡度阻力，燃油消耗迅速增加。而在弯道上行驶时，由 于需克服弯道阻力，燃油消耗相应增大，转弯角度越大，油耗 增加得越多，并且，行驶速度越高，油耗的增长率越大。此外， 随着路面不平整程度的增加，由于滚动阻力的增加，燃油消耗 增大。综

17、合上述因素的影响，汽车的燃油消耗量可采用下述一 般关系式表示： 121 )/( PWgfHeHdIRIcvbvaF js 第二节第二节 设计车辆设计车辆 及几个主要问题及几个主要问题 规范对各种车辆进行归类，将其尺寸标准化， 称为“设计车辆”，作为道路设计的依据。 1、公路工程技术标准将机动车分为三种： 小客车 载重汽车 鞍式汽车 2、城市道路设计规范将机动车分为三种： 小型汽车 普通汽车 铰接车 3、城市道路设计规范将非机动车分为四种： 自行车 三轮车 板车 兽力车 路上行驶着不同类型的车辆，各具不同的尺寸，对道路的几何尺寸分别提出不 同的要求。道路几何设计时，通常选择一些车辆作为设计车辆设

18、计车辆，这些车辆的尺寸 和行驶特性要求将对设计起控制作用。设计车辆的选择依据道路的功能等级和使 用该道路的车辆组成。轿车和卡车一般是道路设计选用的最小的车辆。大多数公 路设计时应考虑选择一种半挂式组合货车作为设计车辆，特别在弯道处设有路缘 石或分隔带时。我国公路工程技术标准和城市道路设计规范为三种类型的车辆： 小客车、卡车和半挂车（铰接车），分别规定了设计车辆的外廓尺寸，作为设计 时的控制指标。表列出了有关的规定值。此外，还限定了路上行驶车辆的总长度 不得超过20m；总高度不得超过4.3m；宽度不得超过3m。 公路和城市道路设计用的设计车辆外廓尺寸（m） 车车辆辆类类型型 长长度度 宽宽度度

19、高高度度 前前悬悬 后后悬悬 轴轴距距 小小客客车车 6(5) 1.8(1.8) 2(1.6) 0.8(1.0) 1.4(1.3) 3.8(2.7) 卡卡车车 12(12) 2.5(2.5) 4(4) 1.5(1.5) 4(4) 6.5(6.5) 半半挂挂车车（铰铰接接车车） 16(18) 2.5(2.5) 4(4) 1.2(1.7) 2(3.8) 4+8.8(5.8+6.7) 注：括号外数值公路的设计车辆外廓尺寸；括号内数值为城市道路的设计车辆外廓尺寸。 1 1、计算行车速度（设计车速）、计算行车速度（设计车速） 当气候条件良好，交通密度小，车辆行驶 只受道路条件的影响时，具有中等驾驶技 术的驾驶人员能安全顺适地驾驶车辆的速 度。 设计速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数，我国从20 世 纪50 年代起引入了设计车速的概念作为路线设计的基础指标，根据 车辆动力性能和地形条件确定了不同等级公路的设计速度指标，各级 公路按地形条件的差别从20km/h 到120km/h 设计速度一经选定，公 路的所