2汽车行驶特性

1、第第2章章 汽车行驶理论汽车行驶理论掌握掌握:汽车的动力性和汽车行驶的稳定性汽车的动力性和汽车行驶的稳定性 道路是为汽车行驶服务的，要满足汽车在道道路是为汽车行驶服务的，要满足汽车在道路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就必须从求，就必须从驾驶者、汽车、道路、交通管理驾驶者、汽车、道路、交通管理等等方面来保证。在上述因素中，方面来保证。在上述因素中，道路的线形设计道路的线形设计与汽车行驶特性最为密切。与汽车行驶特性最为密切。因此，在道路线因此，在道路线形设计时，需要研究汽车在道路上的行驶特性及形设计时，需要研究汽车在道路上的行驶特性及其对道路

2、设计的具体要求。其对道路设计的具体要求。第一节第一节 概述概述道路线形设计要保证：道路线形设计要保证： 1 保证汽车行驶的稳定性保证汽车行驶的稳定性，即保证安全行，即保证安全行车，不翻车、不倒溜、不侧滑，这就需要合理设车，不翻车、不倒溜、不侧滑，这就需要合理设置纵横坡度、弯道，以及保证车轮与地面的附着置纵横坡度、弯道，以及保证车轮与地面的附着力等。力等。 2 尽可能提高车速。尽可能提高车速。车速是评价运输效率车速是评价运输效率的主要影响因素，因此为提高车速，路线应具有的主要影响因素，因此为提高车速，路线应具有良好的线形良好的线形(如曲线半径、最大纵坡等如曲线半径、最大纵坡等)，充分发，充分发挥

3、汽车行驶的动力性能。挥汽车行驶的动力性能。第一节第一节 概述概述 3 保证道路行车畅通，保证道路行车畅通，即保证汽车不受阻即保证汽车不受阻或少受阻。这就需要有足够的视距和路面宽度、或少受阻。这就需要有足够的视距和路面宽度、合理地设置平竖曲线，以及减少道路交叉等。合理地设置平竖曲线，以及减少道路交叉等。 4 尽量满足行车舒适尽量满足行车舒适，即采用符合视觉舒即采用符合视觉舒适要求的曲线半径，注意线形与景观的协调、沿适要求的曲线半径，注意线形与景观的协调、沿线的植树绿化等。线的植树绿化等。 上述问题将涉及汽车行驶理论的内容。汽车上述问题将涉及汽车行驶理论的内容。汽车行驶理论是研究汽车行驶原理、行驶

4、性能（行驶理论是研究汽车行驶原理、行驶性能（动力动力性能、越野性、制动性、行驶稳定性、平顺性和性能、越野性、制动性、行驶稳定性、平顺性和操纵稳定性操纵稳定性等）和使用性能的科学。本章主要简等）和使用性能的科学。本章主要简要介绍要介绍汽车的驱动力和行车阻力，汽车的动力特汽车的驱动力和行车阻力，汽车的动力特性，汽车的行驶稳定性、制动性等基本理论。性，汽车的行驶稳定性、制动性等基本理论。深深入的研究可学习有关入的研究可学习有关汽车应用工程汽车应用工程、汽车汽车理论理论等课程。等课程。汽车由汽车由发动机、底盘、车身和电气设备发动机、底盘、车身和电气设备等组成等组成 第二节第二节 汽车的驱动力及行驶阻力

5、汽车的驱动力及行驶阻力（P3539） 汽车在道路上行驶时，必须具备两个条汽车在道路上行驶时，必须具备两个条件：其一是有足够的件：其一是有足够的驱动力驱动力来克服各种行驶来克服各种行驶阻力阻力，这是，这是必要条件必要条件；其二是；其二是驱动力驱动力小于或小于或等于轮胎与路面间的最大等于轮胎与路面间的最大摩擦力摩擦力(附着力附着力)，这，这是保证汽车正常行驶不致使车轮空转打滑的是保证汽车正常行驶不致使车轮空转打滑的条件，也就是条件，也就是充分条件。充分条件。P39一、汽车的驱动力一、汽车的驱动力1、发动机曲轴扭矩、发动机曲轴扭矩M 汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机

6、，其传力过程如下：机，其传力过程如下：在发动机里热能转在发动机里热能转化为机械能化为机械能 有效功率有效功率N 曲轴旋转曲轴旋转（转速为（转速为 n），产生扭矩），产生扭矩M 经变速和传经变速和传动，将动，将M传给驱动轮，产生扭矩传给驱动轮，产生扭矩MK 驱驱动汽车行驶。动汽车行驶。 对于不同类型的发动机，其输出的功率不同，对于不同类型的发动机，其输出的功率不同，故产生的扭矩也不同。它们之间的关系如下：故产生的扭矩也不同。它们之间的关系如下： 式中：式中：M发动机曲轴的扭矩（发动机曲轴的扭矩（N.m）；）； N发动机的有效功率（发动机的有效功率（KW）；）； n发动机曲轴的转速发动机曲轴的转速

7、 (r/min)。 (N.m) 9549nNM )KW(95491000MnMN2. 驱动轮扭矩驱动轮扭矩MK 发动机曲轴上的扭矩发动机曲轴上的扭矩M M经过变速箱（速经过变速箱（速比比i ik k）和主传动器（速比）和主传动器（速比i i0 0）两次变速，）两次变速，设这两次变速的总变速比为设这两次变速的总变速比为=i=i0 0iik k，传，传动系统的机械效率为动系统的机械效率为m m(m m=k k.0 0) )，则，则传到驱动轮上的扭矩传到驱动轮上的扭矩M Mk k为为 mkkKMnNM9549此时，驱动轮上的转速此时，驱动轮上的转速nK =n/ , 相应的车速相应的车速V为为:式中：

8、式中：V汽车行驶速度汽车行驶速度 (km/h) ; n发动机曲轴转速发动机曲轴转速 (r/min) ; rk车轮工作半径车轮工作半径 (m) ，即变形半径，即变形半径，它与内胎气压、外胎构造、它与内胎气压、外胎构造、 路面刚性与平整性、以路面刚性与平整性、以及荷载有关，一般取及荷载有关，一般取rk=(0.930.96)r0； r0 未变形半径。未变形半径。 377. 01000602kknrnrV3 汽车的驱动力汽车的驱动力路面水平反力行驶方向正阻力汽车驱动轮受力分析汽车驱动轮受力分析Mk 377. 0VnMrMTkkk 把驱动轮上的扭矩把驱动轮上的扭矩MK 用一对力偶用一对力偶Ta和和T代替

9、，代替，Ta作用在轮缘上与路面水平反力作用在轮缘上与路面水平反力F相抗衡，相抗衡，T作用在作用在轮轴上推动汽车前进，称为驱动力（或牵引力），轮轴上推动汽车前进，称为驱动力（或牵引力），与汽车行驶阻力与汽车行驶阻力R相抗衡。驱动力可按下式计算相抗衡。驱动力可按下式计算: 上式为驱动力T与扭矩M之间的函数关系式。同样可推导出驱动力T与功率N之间的关系式为： 3600mVNT二、汽车的行驶阻力二、汽车的行驶阻力 汽车在行驶过程中需要不断克服各种阻力，汽车在行驶过程中需要不断克服各种阻力，这些阻力有的来自空气的阻力，有的来自道路摩这些阻力有的来自空气的阻力，有的来自道路摩擦力，有的来自汽车上坡行驶时产

10、生的阻力，有擦力，有的来自汽车上坡行驶时产生的阻力，有的来自汽车变速行驶时克服惯性的阻力，这些阻的来自汽车变速行驶时克服惯性的阻力，这些阻力可以分为力可以分为空气阻力、道路阻力（坡度阻力和滚空气阻力、道路阻力（坡度阻力和滚动阻力）和惯性阻力动阻力）和惯性阻力，下面分述之。，下面分述之。1.空气阻力空气阻力 Air Resistance 汽车在行驶过程中所受的空气阻力主要包括：汽车在行驶过程中所受的空气阻力主要包括： （1）迎面空气质点的压力；）迎面空气质点的压力； （2）车后真空吸力；）车后真空吸力； （3）空气质点与车身表面的摩擦力）空气质点与车身表面的摩擦力。 由空气动力学的研究与试验结果

11、可知，空气阻由空气动力学的研究与试验结果可知，空气阻力力RW可以用下式计算：可以用下式计算：式中：式中：k空气阻力系数，空气阻力系数， F汽车迎风面积，即正投影面积（汽车迎风面积，即正投影面积（m2）；）； V汽车与空气的相对速度汽车与空气的相对速度 (m/s) ，可近似地，可近似地取汽车行驶速度。取汽车行驶速度。）（N 21.15/A2VkRW2.道路阻力道路阻力 Road Resistance 由道路给行驶的汽车产生的行驶阻力，由道路给行驶的汽车产生的行驶阻力，主要包括主要包括滚动阻力滚动阻力和和坡度阻力坡度阻力。（1） 滚动阻力滚动阻力Rolling Resistance 车轮在路面上滚

12、动所产生的阻力，称为车轮在路面上滚动所产生的阻力，称为滚动阻力。一般情况下，滚动阻力与汽车的滚动阻力。一般情况下，滚动阻力与汽车的总重力成正比，若坡道倾角为总重力成正比，若坡道倾角为时，其值可按时，其值可按下式计算：下式计算： cosGfRf由于坡道倾角一般较小，认为由于坡道倾角一般较小，认为 , 则则式中：式中：Rf 滚动阻力滚动阻力 (N) ； G车辆总重力车辆总重力 (N) ； f滚动阻力系数，见表滚动阻力系数，见表23。(N) GfRf0 . 1cos路面类型路面类型 水泥及沥青水泥及沥青 表面平整黑表面平整黑 碎石路面碎石路面 干燥平整干燥平整 潮湿不平潮湿不平 混凝土路面混凝土路面

13、 色碎石路面色碎石路面 的土路的土路 整的土路整的土路 f值值 0.010.02 0.020.025 0.030.05 0.040.05 0.070.15各类路面滚动阻力系数各类路面滚动阻力系数f值值 表表2-3(P37)（2） 坡度阻力坡度阻力Grade Resistance 汽车在坡道倾角为的道路上行驶时，车重G在平行路面方向的分力为 ，上坡时它与汽车前进方向相反，阻碍汽车的行驶；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 ：sinGsinGRi因坡道倾角一般较小，认为因坡道倾角一般较小，认为 ，则，则式中：式中：Ri坡度阻力坡度阻力 (N) ； G车辆总重力车辆总重力 (

14、N) ； i道路纵坡度，上坡为正，下坡为负。道路纵坡度，上坡为正，下坡为负。itg sinGiRi 道路阻力为道路阻力为滚动阻力与坡度阻力之和滚动阻力与坡度阻力之和，可按下式计算可按下式计算式中：式中：RR道路阻力道路阻力 (N) ； f+i统称道路阻力系数。统称道路阻力系数。 ifGRR3、惯性阻力、惯性阻力Inertia Resistance 汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性力和惯性力矩，统称为惯性阻力。时产生的惯性力和惯性力矩，统称为惯性阻力。 汽车的质量分为汽车的质量分为平移质量和旋转质量平移质量和旋转质量（如飞（如飞轮、齿轮、传

15、动轴和车轮等）两部分。在汽车变轮、齿轮、传动轴和车轮等）两部分。在汽车变速运动时，平移质量产生惯性力，旋转质量产生速运动时，平移质量产生惯性力，旋转质量产生惯性力矩。惯性力矩。平移质量的惯性力平移质量的惯性力 旋转质量的惯性力矩旋转质量的惯性力矩式中：式中：I旋转部分的转动惯量；旋转部分的转动惯量； 旋转部分转动时的角加速度。旋转部分转动时的角加速度。agGmaRI1dtdIRI2dtd 为简化计算，为简化计算，一般给平移质量惯性力乘以大于一般给平移质量惯性力乘以大于1的系数的系数，来近似代替旋转质量惯性力矩的影响，即：，来近似代替旋转质量惯性力矩的影响，即：式中：式中： RI惯性阻力惯性阻力

16、 (N) ； G车辆总重力车辆总重力 (N) ； g重力加速度重力加速度 (m/s2) ； a汽车的加速度（正值）或减速度汽车的加速度（正值）或减速度（负值）（负值）(m/s2) ； 惯性力系数惯性力系数. ）（NagGRI这样，汽车的总行驶阻力这样，汽车的总行驶阻力R为为 在上述几种阻力中，在上述几种阻力中，空气阻力和滚动阻力永空气阻力和滚动阻力永为正值为正值，亦即在汽车行驶的任何情况下都存在；，亦即在汽车行驶的任何情况下都存在；坡度阻力当上坡时为正值，平坡为零，下坡为负坡度阻力当上坡时为正值，平坡为零，下坡为负值值；而惯性阻力则是：；而惯性阻力则是：加速为正值，等速为零，加速为正值，等速为

17、零，减速为负值。减速为负值。IRWRRRR三、汽车的行驶条件三、汽车的行驶条件The Running Condition1.必要条件必要条件 汽车在道路上行驶时，必须有足够的驱动力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。来克服各种行驶阻力。要使汽车行驶，必须具有要使汽车行驶，必须具有足够的驱动力来克服各种行驶阻力足够的驱动力来克服各种行驶阻力。即：。即： 上式是汽车行驶的必要条件，即驱动条件。上式是汽车行驶的必要条件，即驱动条件。IRWRRRRT2.充分条件充分条件 汽车能否正常行驶，还要受轮胎与路面之汽车能否正常行驶，还要受轮胎与路面之间附着条件的制约。即间附着条件的制约。

18、即汽车正常行驶的充分条汽车正常行驶的充分条件是驱动力小于或等于轮胎与路面之间的件是驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着附着力力(P33)，即：，即： 式中：式中：GK驱动轮荷载，一般情况下，小驱动轮荷载，一般情况下，小汽车为总重的汽车为总重的5065%; 载重汽车为总重的载重汽车为总重的6580%； 附着系数，查表附着系数，查表24(P39)。KGT第三节 汽车的行驶稳定性 （P4447） 汽车的汽车的行驶稳定性行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，是指汽车在行驶过程中，在外界不利因素的影响下，尚能保持正常行驶在外界不利因素的影响下，尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生滑移或倾覆状态和方向

19、，不致失去控制而产生滑移或倾覆等的能力。等的能力。包括包括横向稳定横向稳定性和性和纵向稳定纵向稳定性。性。 影响汽车行驶稳定性的主要因素有：影响汽车行驶稳定性的主要因素有：汽车汽车本身结构、驾驶员、外部因素。本身结构、驾驶员、外部因素。纵向稳定性：纵向稳定性： 表现：倾覆倾覆 滑移（倒溜）滑移（倒溜）横向稳定性：横向稳定性： 表现：倾覆倾覆 滑移（侧滑）滑移（侧滑）一、汽车行驶的纵向稳定性一、汽车行驶的纵向稳定性 1.纵纵 向向 倾倾 覆覆临界状态：汽车前轮法向反作用力临界状态：汽车前轮法向反作用力Z1为零为零 。 Gl2cos0 - - Ghgsin0=0 g20hltg g20hli 当纵

20、坡度当纵坡度ii0时，汽时，汽车可能产生纵向倾覆车可能产生纵向倾覆 2.纵纵 向向 滑滑 移移对于后轮驱动的汽车，根据附着条件，驱对于后轮驱动的汽车，根据附着条件，驱动力不产生滑移的临界状态是动力不产生滑移的临界状态是: 因为因为dGZG2sinitgsinGGtgid所以所以 当坡道倾角当坡道倾角 或道路纵坡度或道路纵坡度ii 时，汽车时，汽车可能产生纵向滑移。可能产生纵向滑移。 i 的大小主要取决于驱动轮的大小主要取决于驱动轮荷载荷载Gd与汽车总重力与汽车总重力G的比值，以及附着系数的比值，以及附着系数 值，因此，要值，因此，要防止汽车滑移一方面要增加汽车重防止汽车滑移一方面要增加汽车重量

21、，另一方面要增加车轮与路面的附着力量，另一方面要增加车轮与路面的附着力。 3. 纵向纵向 稳稳 定定 性性 保保 证证 一般一般 接近于接近于1,而而 远远小于远远小于1，所以所以 也就是说，汽车在坡道上行驶时，也就是说，汽车在坡道上行驶时，在发生纵向倾覆在发生纵向倾覆前，先发生纵向滑移现象。前，先发生纵向滑移现象。为保证汽车行驶的纵向为保证汽车行驶的纵向稳定性，道路设计应满足不产生纵向滑移为条件，稳定性，道路设计应满足不产生纵向滑移为条件，这样，也就避免了汽车的纵向倾覆现象。这样，也就避免了汽车的纵向倾覆现象。ghl/2GGd/gdhlGG20ii 所以，汽车行驶的纵向稳定条件为所以，汽车行

22、驶的纵向稳定条件为 只要设计的道路纵坡度满足上式条件，当汽只要设计的道路纵坡度满足上式条件，当汽车满载时车满载时, 一般都能保证纵向行驶的稳定性。但一般都能保证纵向行驶的稳定性。但在运输中装载过高时，由于重心高度在运输中装载过高时，由于重心高度hg的增大，的增大，有可能破坏纵向稳定性条件，所以，应对汽车装有可能破坏纵向稳定性条件，所以，应对汽车装载高度有所限制。载高度有所限制。 这就是这就是标准标准中规定的中规定的imax=9%，及规定，及规定超高横坡度超高横坡度ih，合成纵坡，合成纵坡IH等指标的理论依据。等指标的理论依据。GGiid 二、汽二、汽 车车 行行 驶驶 的的 横横 向向 稳稳

23、定定 性性 汽车在平曲线上行驶时会产生离心力，其作用点在汽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。车的重心，方向水平背离圆心。 gRGvF2受力分析：受力分析：横向力横向力X失稳失稳竖向力竖向力Y稳定稳定1 1汽车在平曲线上行驶时力的平衡汽车在平曲线上行驶时力的平衡 离心力离心力 在平曲线上行驶的汽车，离心力对其稳定在平曲线上行驶的汽车，离心力对其稳定性的影响很大，它可使汽车向外侧滑移或倾覆。性的影响很大，它可使汽车向外侧滑移或倾覆。为了减少离心力的作用，保证汽车在平曲线上稳为了减少离心力的作用，保证汽车在平曲线上稳定行驶，必须使平曲线上路面做成外侧高、内侧定

24、行驶，必须使平曲线上路面做成外侧高、内侧低，呈单向横坡形式，称为低，呈单向横坡形式，称为横向超高横向超高。 将离心力将离心力F与汽车重力与汽车重力G分解为平行于路面的横向分解为平行于路面的横向力力X和垂直于路面的竖向力和垂直于路面的竖向力Y，即，即 由于路面横向倾角由于路面横向倾角一般较小，则一般较小，则其中其中 称为横向超高坡度（简称超高率），称为横向超高坡度（简称超高率），所以所以sincosGFXcossinGFY1cos,sinhitghihhhigRvGGigRGvGiFX22122hhhigRvGGigRGvGFiYCcosCCsinGasinGacosGai0i0GacoshgC

25、cosGasinCsinGaC曲 线 外 侧曲 线 内 侧图 2-9 汽 车 在 曲 线 上 行 驶 的 横 向 力 横向力横向力X是汽车行驶的不稳定因素，竖向力是是汽车行驶的不稳定因素，竖向力是稳定因素。稳定因素。就横向力而言，只从其值的大小是无法就横向力而言，只从其值的大小是无法反映不同重量汽车的稳定程度。例如，反映不同重量汽车的稳定程度。例如，5KN的横向的横向力若作用在小汽车上，可能使其横向倾覆或滑移，力若作用在小汽车上，可能使其横向倾覆或滑移，而作用在重型载重汽车上可能是安全的。于是采用而作用在重型载重汽车上可能是安全的。于是采用横向力系数横向力系数来衡量稳定性程度，其定义为单位车重

26、来衡量稳定性程度，其定义为单位车重的横向力，即的横向力，即将车速将车速v(m/s)化为化为V(km/h)，则，则higRvGX2式中：式中：R平曲线半径（平曲线半径（m）；）； 横向力系数；横向力系数； V行车速度（行车速度（km/h）；）； ih横向超高坡度。横向超高坡度。 上式表达了横向力系数与车速、平曲线半径及超上式表达了横向力系数与车速、平曲线半径及超高之间的关系。高之间的关系。可知：横向力系数可知：横向力系数越大，汽车的横越大，汽车的横向稳定性就越差。向稳定性就越差。hiRV1272v(m/s)化为化为V(km/h)higRvGX2问题：问题： 在冰雪覆盖的光滑路面上，一般司机在冰雪

27、覆盖的光滑路面上，一般司机会会 （降低，提高）车速，以保持转弯时（降低，提高）车速，以保持转弯时u值情况尽量值情况尽量 （小，大），以策安全。（小，大），以策安全。 2.横横 向向 倾倾 覆覆 条条 件件 分分 析析 Lateral Overturn Condition Analysis 汽车在平曲线上行驶时，由于横向力的作汽车在平曲线上行驶时，由于横向力的作用，可能汽车绕外侧使车轮接触点产生用，可能汽车绕外侧使车轮接触点产生向外倾向外倾覆的危险覆的危险。为使汽车不产生倾覆，必须使倾覆。为使汽车不产生倾覆，必须使倾覆力矩小于或等于稳定力矩。即力矩小于或等于稳定力矩。即22bGFibYXhhgX

28、 XY Yhgb一般情况下，一般情况下，F ih比比G小得多，可忽略不计，则小得多，可忽略不计，则 式中：式中：b汽车轮距（汽车轮距（m） hg汽车重心高度（汽车重心高度（m）。）。将横向力系数将横向力系数代入并整理，得代入并整理，得 22bGFibYXhhgghbGX2hgihbVR21272hiRV1272例题例题假设车轮距为假设车轮距为1.7米，装载重心高度米，装载重心高度hg=1.2 米，曲线半径米，曲线半径R=200米，路拱横坡米，路拱横坡io=3，求倾覆的临界速度？，求倾覆的临界速度？hgihbRV2127V=136.9（Km/h）/131.3(km/h)利用上式可以确定：利用上式

29、可以确定：（1）汽车在平曲线上行驶时，若已知汽车运行）汽车在平曲线上行驶时，若已知汽车运行速度速度V，则可计算汽车不产生横向倾覆的最小平，则可计算汽车不产生横向倾覆的最小平曲线半径曲线半径R； （2）若已知平曲线半径）若已知平曲线半径R和横向超高坡度和横向超高坡度ih ，则可计算汽车不产生横向倾覆的最大允许行驶速则可计算汽车不产生横向倾覆的最大允许行驶速度。度。 3.横横 向向 滑滑 移移 条条 件件 分分 析析 Lateral Slide Condition Analysis 汽车在平曲线上行驶时，因横向力的存在，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。可能使汽车沿横向力的方向产生横向滑移。为使为使汽车不产生横向滑移