第二章 汽车行驶理论

1、主讲人：许主讲人：许 鹰鹰土木学院道桥系土木学院道桥系 第二章第二章 汽车行驶理论汽车行驶理论道路勘测设计道路勘测设计1基本内容基本内容2.12.1 概述概述2.22.2 汽车的牵引力与牵引平衡汽车的牵引力与牵引平衡2.32.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性2.42.4 汽车的制动性能汽车的制动性能2.52.5 汽车在道路上的行驶轨迹汽车在道路上的行驶轨迹22.1 概论概论 汽车行驶理论汽车行驶理论（ theory of automobile running ）：是：是一门在分析汽车行驶基本规律的基础上，研究汽车一门在分析汽车行驶基本规律的基础上，研究汽车行行驶原理驶原理、

2、使用性能使用性能和和行驶性能行驶性能的学科。的学科。 研究行车行驶理论的意义研究行车行驶理论的意义 安全、迅速、经济、舒适安全、迅速、经济、舒适 保证行驶稳定性保证行驶稳定性安全安全 尽可能提高车速尽可能提高车速迅速、经济迅速、经济 保证行车畅通保证行车畅通安全安全 满足行车舒适满足行车舒适舒适舒适32.1 概论概论 汽车行驶性能汽车行驶性能 动力性能动力性能 (dynamic force) 通过性（通过性（cross-country power） 制动性制动性 (braking power) 行驶稳定性行驶稳定性 (running stability) 行驶平顺性行驶平顺性 (smooth

3、running) 操纵稳定性操纵稳定性 (operating stability)42.2 汽车的牵引力与牵引平衡汽车的牵引力与牵引平衡 汽车行驶中受力分析汽车行驶中受力分析路面摩擦力路面摩擦力路面凹凸不平产生的力路面凹凸不平产生的力受力受力路面构形产生的力路面构形产生的力路拱、弯道、超高路拱、弯道、超高5牵引力牵引力 表征汽车发动机特性的基本指标表征汽车发动机特性的基本指标 有效功率有效功率N（KW）：单位时间内具有的做功的能力）：单位时间内具有的做功的能力 转速转速n （r/min）：发动机曲轴单位时间内的旋转次数）：发动机曲轴单位时间内的旋转次数 扭矩扭矩M （Nm）：发动机产生于曲轴上

4、的转动力矩）：发动机产生于曲轴上的转动力矩 转动角速度转动角速度 （rad/s） ：单位时间内曲轴转动的角度：单位时间内曲轴转动的角度6牵引力牵引力 发动机发动机有效功率有效功率Ne和曲轴扭矩和曲轴扭矩Me的关系的关系 Ne=Me/1000 (KW) =2ne/60 (rad/s) Ne=Mene/9549 Me=9549Ne/ne 7牵引力牵引力 驱动轮驱动轮扭矩扭矩Mk及牵引力及牵引力PtMe变速比变速比 ik kMn= Mn*ik* k减速比减速比 i0 0Mk= Mn*i0* 08牵引力牵引力 驱动轮驱动轮扭矩扭矩Mk及牵引力及牵引力Pt 0ke kkMtkirMMiPrek0k0Me

5、k0 M iiM i ikM006020.3771000kkeekknnVri iri i0.33 00776eeeMtMnVVMNPPt , iki0, V9行驶阻力行驶阻力行驶阻力行驶阻力滚动阻力滚动阻力空气阻力空气阻力坡度阻力坡度阻力惯性阻力惯性阻力10行驶阻力（一）行驶阻力（一） 滚动阻力滚动阻力 定义：车轮滚动时轮胎与路面之间的阻力，是由定义：车轮滚动时轮胎与路面之间的阻力，是由于轮胎与于轮胎与路面变形路面变形引起的。引起的。faPf G滚动阻力系数滚动阻力系数路面种类路面种类行驶速度行驶速度轮胎性质轮胎性质11行驶阻力（一）行驶阻力（一） 滚动阻力滚动阻力 路面种类的影响路面种类的

6、影响 车速的影响车速的影响 轮胎性质的影响轮胎性质的影响V100时，时，f 增加增加较较快快V=150-200时，时，f 急剧增大。急剧增大。胎压，轮胎材料，结构胎压，轮胎材料，结构路面路面类型类型水泥及沥青水泥及沥青混凝土路面混凝土路面表面平整的黑表面平整的黑色碎石路面色碎石路面碎石路面碎石路面干燥平整干燥平整的土路的土路潮湿不平潮湿不平整的土路整的土路f0.01-0.020.02-0.0250.03-0.050.04-0.050.07-0.1512行驶阻力（二）行驶阻力（二） 空气阻力空气阻力 V100Km/h，近，近一半的功率一半的功率用来克服空气阻力。用来克服空气阻力。 空气阻力的产生

7、原因空气阻力的产生原因 汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力。汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力。 车后的真空吸力车后的真空吸力 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。 空气阻力的计算空气阻力的计算213WKFvP K 空气阻力系数；空气阻力系数；F 迎风面积；迎风面积；13行驶阻力（三）行驶阻力（三） 坡度阻力坡度阻力 定义：汽车爬坡时，重力的分力对行车的阻力。定义：汽车爬坡时，重力的分力对行车的阻力。siniaaPGGi （ 10 度）度）14行驶阻力（四）行驶阻力（四） 惯性阻力惯性阻力 定义：克服变速运动产生的定义：克服变速运动产生的惯性阻力惯性阻力和和惯性力矩惯性

8、力矩。惯性阻力惯性阻力汽车加速或减速前进产生的汽车加速或减速前进产生的惯性力惯性力机械转动部分加速或减速旋转产生的机械转动部分加速或减速旋转产生的回转惯性力矩回转惯性力矩2121ajkG dvPig dt1、 2 车轮、发动机飞轮惯性影响系数；车轮、发动机飞轮惯性影响系数； ik 变速比；变速比；15行驶阻力的方向行驶阻力的方向行驶阻力行驶阻力滚动阻力滚动阻力空气阻力空气阻力坡度阻力坡度阻力惯性阻力惯性阻力正正正正上坡上坡正，正，下坡下坡负负加速加速正，正，减速减速负负162.2 汽车的牵引力与牵引平衡汽车的牵引力与牵引平衡 牵引平衡牵引平衡 汽车行驶的充要条件汽车行驶的充要条件 必要（驱动）

9、条件：必要（驱动）条件： 充分（附着）条件：充分（附着）条件：tfwijPPPPP2013e kMaaakM i iGKFVdvG fG irg dttfwijPPPPPtdPG172.2 汽车的牵引力与牵引平衡汽车的牵引力与牵引平衡 附着系数（附着系数（）的影响因素）的影响因素路面粗糙度、路面粗糙度、潮湿程度、潮湿程度、 轮胎花纹、轮胎气压轮胎花纹、轮胎气压车速、车速、荷载荷载路面类型路面类型路面状况路面状况干燥干燥潮湿潮湿泥泞泥泞冰滑冰滑水泥混凝土路面水泥混凝土路面0.70.5NANA沥青混凝土路面沥青混凝土路面0.60.4NANA沥青表面处治路面沥青表面处治路面0.40.2NANA中级及

10、低级路面中级及低级路面0.50.30.20.118动力性能分析动力性能分析twaPPdvDfiGg dt 单位重量的单位重量的有效牵引力有效牵引力动力因素动力因素动力因素动力因素 D：反应汽车动力性能，表征克服道路阻力和：反应汽车动力性能，表征克服道路阻力和 惯性阻力的能力，随车速变化。惯性阻力的能力，随车速变化。道路阻力系数道路阻力系数：当汽车等速行驶，：当汽车等速行驶，dv/dt=0D = fi = （仅与道路状况和坡度有关）（仅与道路状况和坡度有关）19动力性能分析动力性能分析 动力特性图（动力特性图（D V） 提高汽车运行效率的手段提高汽车运行效率的手段 提高牵引力提高牵引力 减少行驶

11、阻力减少行驶阻力 提高附着力提高附着力 对道路的要求：对道路的要求：tfwijPPPPPtdPG纵坡平缓，道路平整、粗糙纵坡平缓，道路平整、粗糙202.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 汽车行驶稳定性汽车行驶稳定性-指汽车在行驶过程中，受外部指汽车在行驶过程中，受外部因素作用，而不发生侧滑、倾覆现象的能力。因素作用，而不发生侧滑、倾覆现象的能力。 按方向分按方向分：纵向稳定性：纵向稳定性 横向稳定性横向稳定性 丧失稳定的方式分丧失稳定的方式分：滑动稳定性：滑动稳定性 倾覆稳定性倾覆稳定性 影响因素影响因素 汽车本身的结构参数；汽车本身的结构参数； 驾驶员的因素；驾驶员的因素

12、； 作用于汽车的外因。作用于汽车的外因。 212.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性纵坡、纵坡、重心重心横坡、速度、横坡、速度、弯道弯道半径半径行驶稳定性行驶稳定性纵向稳定性纵向稳定性横向稳定性横向稳定性纵向滑移纵向滑移纵向倾覆纵向倾覆横向滑移横向滑移横向倾覆横向倾覆222.3 汽车在道路上行驶的稳定性汽车在道路上行驶的稳定性 汽车在直坡道上受力分析汽车在直坡道上受力分析 对后轮着地点对后轮着地点B取矩，则可得前轮垂直反力取矩，则可得前轮垂直反力Z1 对前轮着地点对前轮着地点A取矩，则可得后轮垂直反力取矩，则可得后轮垂直反力Z221cossinaagGLGhZL12cossi

13、naagGLGhZL23纵向稳定性纵向稳定性 纵向倾覆条件纵向倾覆条件 纵向倒溜条件纵向倒溜条件 下滑力下滑力 = 最大附着力最大附着力20tangLh10Z 2sinaGZtandaGGtantandaGG一般，滑移在倾覆之前，所以坡脚应主要满足：一般，滑移在倾覆之前，所以坡脚应主要满足：24纵向稳定性纵向稳定性 一般载重车满载时一般载重车满载时: : 附着系数附着系数: 泥泞时可为泥泞时可为0.2，冰滑时为，冰滑时为0.1 泥泞时：泥泞时： 冰滑时：冰滑时： 这就是确定这就是确定最大纵坡最大纵坡（四（四级公路山岭重丘区级公路山岭重丘区9%）、）、规定规定超高横坡超高横坡、合成坡度合成坡度等

14、指标的依据之一等指标的依据之一。0.66 0.76daGGtan0.132 0.152tan0.060 0.07625横向稳定性横向稳定性 汽车在曲线上行驶产生的横向作用力汽车在曲线上行驶产生的横向作用力cossinaYCGcossinaYCG(内侧）内侧）(外侧）外侧）2200aaaG VVYGiGigRgR20aYViGgR汽车横向稳定性不取决于汽车横向稳定性不取决于Y Y的绝对值，而取决于横的绝对值，而取决于横向力与车重的比值向力与车重的比值横向力系数横向力系数26横向稳定性横向稳定性 汽车在平曲线上行驶时车轮的反作用力汽车在平曲线上行驶时车轮的反作用力切向力切向力Pt侧向力侧向力YdP

15、G222tPPY222纵横 =纵（0.7 0.8）=横（0.6 0.7）经验总结：经验总结：27横向稳定性横向稳定性 横向倾覆横向倾覆横向倾覆横向倾覆倾覆力矩倾覆力矩稳定力矩稳定力矩(cossin)gagYhCGh(cossin)22abbZGC2agYbGh（稳定条件）（稳定条件）由：由：202gVbigRhmaxminRV、28横向稳定性横向稳定性 横向滑移横向滑移横向滑移横向滑移横向力横向力横向反力横向反力YYaG横Y=YaG横aYG横29横向稳定性横向稳定性 横向稳定性的保证横向稳定性的保证 横向稳定性主要取决于横向力系数值的大小。横向稳定性主要取决于横向力系数值的大小。 横向倾覆和滑

16、移的条件分别是：横向倾覆和滑移的条件分别是：一般：一般：ghb212ghb0.5横2gbh横 可见可见，在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象，为此，为此，在道路设计中应保证汽车不产生横向滑移，同时也就保证了横在道路设计中应保证汽车不产生横向滑移，同时也就保证了横向倾覆的稳定性。向倾覆的稳定性。2gYbGhYG横，而，而所以所以302.4 汽车的制动性能汽车的制动性能 汽车制动性汽车制动性指汽车在行驶中强制降低车速以至指汽车在行驶中强制降低车速以至停车，或在下坡时保持一定速度行驶的能力。停车，或在下坡时保持一定速度行驶的能力。 汽车的制动过程汽车的制动过程 滑

17、移率滑移率 滑移率为滑移率为20%时，摩擦系数最大。时，摩擦系数最大。 长时间下坡，制动器温度急剧上升，可达长时间下坡，制动器温度急剧上升，可达600700 ，制动力矩降低为正常的制动力矩降低为正常的2530%。=100kvrv31322.4 汽车的制动性能汽车的制动性能 制动时汽车的运动方程制动时汽车的运动方程(max)TaPG0wP0aaaaG dvGG fG ig dt0TfwijPPPPPfiaaaGGdtdvgG（ 潮湿状态）潮湿状态）332.4 汽车的制动性能汽车的制动性能 汽车制动性能的评价指标汽车制动性能的评价指标评价指标评价指标制动减速度制动减速度 js制动时间制动时间 ts

18、制动距离制动距离 Ls)(gdtdvjs)(6 . 36 . 3)(00gVdvgdttBvtsB2122120()13254()svsvVVVdvLdsg 实际制动时间实际制动时间 = ts+1.2s（驾驶者反应时间（驾驶者反应时间+制动生效时间）制动生效时间）212112();3.6254()sVVVLKt实际制动距离实际制动距离K：制动不充分采用的：制动不充分采用的使用系数，取使用系数，取1.2。342.5 汽车在道路上的行驶轨迹汽车在道路上的行驶轨迹 行驶中汽车重心的轨迹有以下几何特征：行驶中汽车重心的轨迹有以下几何特征： 轨迹连续且圆滑；轨迹连续且圆滑； 曲率是连续的，即轨迹上任意一

19、点不出现两个曲率值；曲率是连续的，即轨迹上任意一点不出现两个曲率值； 曲率变化是连续的，即轨迹上任意一点不出现两个曲曲率变化是连续的，即轨迹上任意一点不出现两个曲率变化率值。率变化率值。 352.5 汽车在道路上的行驶轨迹汽车在道路上的行驶轨迹 汽车在弯道上行驶的力汽车在弯道上行驶的力21234aG vCCCCg R1234()()zIa CCb CC力平衡方程：力平衡方程：力矩平衡方程：力矩平衡方程：362.5 汽车在道路上的行驶轨迹汽车在道路上的行驶轨迹 汽车在弯道上行驶的轨迹汽车在弯道上行驶的轨迹前轮转向角前轮转向角两者关系：两者关系：K1方向盘转动角方向盘转动角汽车旋转半径汽车旋转半径

20、汽车轴距汽车轴距0LKLLL000sin372.5 汽车在道路上的行驶轨迹汽车在道路上的行驶轨迹 行驶距离为行驶距离为 S，旋转切线角为，旋转切线角为，方向盘转动角速，方向盘转动角速度为度为 ( s)，汽车加速度为，汽车加速度为 a(m/s)，汽车速度为，汽车速度为v(m/s)。;dsd;dsvdt221;dvdsddadtdtdtK dt则：则：车体转动角速度车体转动角速度(d dt)及及角加速度角加速度(d2 dt)为为：)()(0022avLKvdtdvdtdvLKdtd01LvKvdtdsdsddtd382.5 汽车在道路上的行驶轨迹汽车在道路上的行驶轨迹 行驶路线轨迹的转动角行驶路线轨迹的转动角 ，可得，可得: :0;Kv dtLsvdt行驶路线轨迹的行驶路线轨迹的直角坐标表达式直角坐标表达式dtvdsydtvdsxsinsincoscos392.5 汽车在道路上的行驶轨迹汽车在道路上的行驶轨迹 圆弧圆弧方向盘转动角方向盘转动角0汽车等速行驶汽车等速行驶v由由RKL000;Kv dtLtLKv0000000000000sin1 cosLKvxtKLLKvytKL代入直角坐代入