《道路勘测设计》CH2 汽车行驶特性

《道路勘测设计》CH2汽车行驶特性土木工程（公路与城市道路方向）专业核心课程Contents本章内容框架汽车行驶性能的核心分析维度与评价方法01汽车行驶概述与行驶条件02汽车的动力特性分析03汽车行驶稳定性04汽车的制动性能CHAPTER01汽车行驶概述与行驶条件明确道路车辆类型与汽车行驶的必要和充分条件HIGHWAYENGINEERING汽车行驶特性研究概述汽车行驶特性是道路路线设计的核心理论依据。只有深入理解汽车在道路上的受力状态、运动规律和性能极限，才能科学确定道路平纵横各项设计参数，保障行车安全与运营效率。01—研究意义与定位道路行车特性着重研究汽车行驶与道路的相互关系，是道路线形设计的主要理论依据研究内容涵盖汽车类型性能、力的平衡、动力特性与经济性、制动安全性及夜间行车特性道路勘测设计中平面、纵断面、横断面设计参数均直接来源于汽车行驶特性的分析结论02—道路车辆分类小客车高速公路和一级公路的设计控制车型，车速高、机动性强，决定线形设计上限标准PASSENGERCAR载重汽车低等级公路与山岭重丘区选线的设计依据，动力性能与爬坡能力是关键制约因素TRUCK大客车与公共汽车城市道路设计的重要考量，停靠站布局和交叉口设计需充分考虑其转弯半径与加减速特性BUS/COACH带拖挂的牵引车长轴距、大转弯半径，在交叉口和匝道的线形设计中需单独验算通行能力与稳定性TRACTORWITHTRAILERDrivingDynamics汽车行驶的必要与充分条件汽车行驶必须同时满足两个条件：驱动力足以克服全部行驶阻力（必要条件），且驱动力不超过轮胎与路面的附着力（充分条件）。二者缺一不可，共同构成汽车行驶方程式的核心约束。01必要条件（驱动力条件）驱动力Ft必须大于等于滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj之和，即Ft≥Ff+Fw+Fi+FjFt≥ΣF阻力02充分条件（附着条件）驱动力Ft不得超过驱动轮与路面间的附着力Fφ=φ·G（φ为附着系数，G为驱动轮法向荷载），否则发生滑转Ft≤Fφ=φ·G03综合表达Ff+Fw+Fi+Fj≤Ft≤Fφ，这一不等式组完整描述了汽车正常行驶的力学约束范围ΣF≤Ft≤Fφ04工程启示道路设计中纵坡、弯道半径等参数取值，必须确保设计车辆在最不利条件下仍满足上述行驶条件EngineeringDesignVehicleDynamics·ResistanceAnalysis汽车行驶阻力的四种类型汽车行驶阻力由滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力四部分组成。不同行驶工况下各阻力的占比差异显著：低速时滚动阻力占主导，高速时空气阻力成为主要矛盾，爬坡时坡度阻力可能超过其余阻力之和。滚动阻力由轮胎弹性迟滞损失和路面变形引起。f值受路面类型、轮胎气压和行驶速度影响。Ff=G·f空气阻力与空气阻力系数CD、迎风面积A和车速v的平方成正比，高速时占比急剧上升。Fw=CD·A·v²/21.15坡度阻力上坡时重力沿坡道分力，下坡取负值。与滚动阻力合并为道路阻力Fψ=G·(f+i)。Fi≈G·i加速阻力克服平移和旋转质量的惯性力。δ为旋转质量换算系数，通常1.03–1.20，与传动系速比相关。Fj=δ·m·aCHAPTER02汽车的动力特性分析从驱动力产生机理到动力性能评价的完整分析体系AUTOMOTIVEDYNAMICS驱动力的产生与计算汽车驱动力由发动机扭矩经传动系放大后传递至驱动轮产生。驱动力大小取决于发动机外特性扭矩、传动系总传动比、传动效率和车轮半径四个因素，传动比的档位选择直接决定了驱动力与车速的平衡关系。汽车动力传动系统机械结构示意图驱动力公式Ft=Ttq·ig·i0·ηT/r，其中Ttq为发动机扭矩，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比，ηT为传动效率，r为车轮半径发动机外特性曲线节气门全开时的扭矩-转速关系曲线，是确定最大驱动力的基础数据来源传动效率ηT轿车一般0.90–0.95，货车0.85–0.90，反映了从发动机到驱动轮的动力传递损失档位选择的力学本质低档ig大→驱动力大、车速低，适合爬坡起步；高档ig小→驱动力小、车速高，适合巡航DynamicsAnalysis驱动力-行驶阻力平衡图驱动力-行驶阻力平衡图是汽车动力性分析的核心工具，通过将各档驱动力曲线与行驶阻力曲线绘制在同一坐标系中，可直观确定汽车最高车速、各档加速度和最大爬坡度三项关键动力性指标。最高车速判定：IV档驱动力曲线与总行驶阻力曲线交点（约115km/h处）即为汽车最高车速。加速与爬坡余量：低档位驱动力远大于行驶阻力，差值提供充足的加速能力和爬坡能力。阻力增长规律：行驶阻力随车速平方增大，高速区驱动力与阻力差距迅速收窄。汽车驱动力-行驶阻力平衡示意数据来源：汽车动力性理论计算AUTOMOTIVEDYNAMICS动力因数与动力特性图动力因数D=(Ft-Fw)/G消除了汽车重量和流线型参数的影响，可直接用于横向评价不同车型的动力性能。动力特性图以D-v曲线和f-v曲线的相对关系，统一呈现汽车最高车速、加速度和爬坡能力。动力因数定义D=(Ft−Fw)/G：表示单位车重的后备牵引力，D值越大动力性越好，可用于不同车型的横向对比评价。D值特性图构建横轴为车速v，纵轴为动力因数D，将各档位D-v曲线和滚动阻力系数f-v曲线绘于同一坐标系。D-v曲线关键信息提取D与f曲线交点对应最高车速；两曲线间距反映加速度余量；Dmax−f对应最大爬坡度。Dmax工程应用价值道路设计中选取设计车辆的动力因数，可直接反算允许的最大纵坡和坡长限制。最大纵坡POWERBALANCE功率平衡图与后备功率分析功率平衡图从能量角度揭示动力性与经济性的内在关联，后备功率决定加速爬坡潜力，负荷率反映功率利用效率。功率平衡方程发动机有效功率经传动效率修正后等于各项阻力消耗功率之和Pe/ηT=ΣP后备功率可用功率与阻力功率之差，越大则加速爬坡能力越强，低速低档时最充沛低速最充沛负荷率阻力功率与可用功率之比，过高动力储备不足，过低经济性差最优平衡点经济车速负荷率较高且比油耗较低的车速区间，为道路设计巡航速度参考50–70%VEHICLEDYNAMICS汽车动力性三大评价指标汽车动力性由最高车速、加速性能和最大爬坡度三项指标综合评价。这三项指标分别对应道路设计中的设计速度选取、超车视距保障和最大纵坡限制，是道路勘测设计最直接的技术参数来源。典型设计车辆动力性参数对比车辆类型最高车速(km/h)0-100km/h加速(s)最大爬坡度(%)道路设计影响小客车160-2506-1230-40高速公路设计控制车型载重汽车80-12020-4025-35低等级公路纵坡设计依据大客车90-13015-3020-30城市道路与公交专用道铰接车/牵引车70-10030-6015-25交叉口转弯与匝道设计纯电动轿车150-2003-830-45需关注30min持续最高车速数据来源：不同车型动力性差异显著，道路设计需根据设计车辆类型确定相应技术参数标准VEHICLEDYNAMICS行驶阻力的关键影响因素行驶阻力受路面条件、车速、轮胎特性和车辆外形综合影响。滚动阻力在不同路面间可相差10倍以上，空气阻力随车速平方增长，对道路设计和限速标准具有直接指导意义。综合因素：路面条件、车速、轮胎特性和车辆外形共同决定行驶阻力的大小与分布特征。路面效应：滚动阻力系数从沥青混凝土到泥泞路面增大约10倍，直接推高车辆运行成本。≈10×差异速度效应：空气阻力随车速平方增长，高速行驶时能耗急剧增加，限速标准据此制定。F∝v²不同路面类型滚动阻力系数对比滚动阻力系数f（×0.001）CHAPTER03汽车行驶稳定性弯道、坡道与复杂路况下的力学平衡与安全边界VEHICLEDYNAMICS汽车纵向行驶稳定性汽车纵向稳定性受倾覆和滑移两个临界条件约束。在绝大多数情况下，后轴滑移的临界坡度小于纵向倾覆的临界坡度，即汽车更易因附着力不足而打滑，因此道路最大纵坡设计主要受路面附着系数控制。纵向倾覆临界前轮法向反力为零，重力作用线通过后轴接地点。临界坡度角αmax=arctan(L₁/hg)，L₁为质心至后轴距离，hg为质心高度。α=arctan(L₁/hg)纵向滑移临界驱动力达到附着力极限，坡度阻力超过后轴附着力与滚动阻力之差。临界坡度取决于路面附着系数φ。f(φ)安全判据滑移临界坡度通常小于倾覆临界坡度（因φ一般小于L₁/hg），"先滑后翻"是正常车辆的安全失效顺序。先滑后翻道路设计启示最大纵坡取值必须确保设计车辆在雨雪等低附着条件下仍能安全上坡，必要时设置爬坡车道和避险车道。爬坡车道·避险车道VehicleDynamics汽车横向行驶稳定性弯道行驶中离心力与横向附着力及超高重力分量的平衡决定横向稳定性。横向滑移和侧翻是两个失效模式，正常条件下滑移先于侧翻发生；但湿滑路面或高重心车辆的侧翻风险不可忽视。横向力学平衡01横向力Fy=m·v²/R：与车速平方成正比、与弯道半径成反比，是弯道设计控制车速和最小半径的理论基础02抗力来源：横向附着力φh·G和超高横坡分量G·sinβ，二者共同抵抗离心力维持横向平衡03横向滑移临界：当横向力超过横向附着力与超高分力之和时，汽车沿弯道路面向外侧滑移，湿滑路面φh显著降低侧翻临界条件04侧翻临界：内侧车轮法向反力为零时发生侧翻，临界速度与轮距B和质心高度hg的比值（B/2hg）相关05高重心车辆（货车、大客车）侧翻风险显著高于轿车，弯道设计中需考虑设计车辆类型的侧翻安全余量ROADSAFETY路面附着系数与安全边界路面附着系数是汽车行驶安全边界的核心参数，受路面材料、湿度、车速和轮胎状态综合影响。不同路面条件下纵向附着系数典型值纵向附着系数φ·典型值干燥沥青路面附着系数可达0.7–0.8，提供最优制动性能；湿滑路面降至0.4–0.5，制动距离近乎翻倍。0.75→0.45冰雪路面附着系数仅0.1–0.2，制动距离较干燥路面增大约7.5倍，为最危险行驶工况。7.5×制动距离道路线形设计通常以潮湿路面附着系数为基准，确保最不利条件下的行车安全。φ0.45设计基准POWERTRAINDYNAMICS电动汽车动力性特征与评价电动汽车因电机低速大扭矩特性和单速传动结构，在起步加速和爬坡性能上普遍优于同级别燃油车。但其动力性评价体系引入了30分钟持续最高车速等新指标，且续航里程约束使得空气阻力和滚动阻力的优化更加关键。起步加速电机零转速最大扭矩，0-50km/h仅需2-4秒，优于同级别燃油车2–4s平顺输出单速减速器取代多档变速箱，驱动力曲线连续无换挡中断SingleSpeed持续车速采用30min持续最高车速指标，反映电机持续功率真实能力30min爬坡优势相同纵坡下速度衰减更小，提高山岭区道路通行效率Gradeability续航优化空气阻力与滚动阻力优化更关键，低风阻线形延长续航LowDragCHAPTER04汽车的制动性能制动距离计算与道路视距设计的理论基础VEHICLEDYNAMICS制动过程四阶段与制动距离汽车制动全过程包含驾驶员反应、制动力增长、持续制动和制动释放四个阶段。停车视距由反应距离和有效制动距离两部分组成，其中反应距离占总停车距离的30%-50%。01驾驶员反应阶段t₁=0.5–1.5s从发现障碍到踩下踏板，汽车以原速度匀速行驶，反应距离S₁=v·t₁/3.6S₁=v·t₁/3.602制动力增长阶段t₂=0.2–0.9s制动器建压过程，制动力从零线性增长到最大值，车辆开始减速但减速度未达峰值LINEARBUILD-UP03持续制动阶段最大制动力维持至车辆停止，制动距离S₂=v²/(254·φ)，φ为路面附着系数MAXBRAKING04停车视距公式S=S₁+S₂S=v·t₁/3.6+v²/(254·φ)，道路设计取t₁=2.5s（含判断时间），φ取潮湿路面值t₁=2.5sVEHICLEDYNAMICS制动距离与车速及路面条件的关系制动距离与车速平方成正比、与路面附着系数成反比。干燥路面120km/h制动约60m，湿滑路面超100m，冰雪路面超200m。道路设计取潮湿路面计算停车视距，为最不利工况留出安全余量。不同路面条件下持续制动距离随车速变化制动距离与速度平方成正比，路面从干燥到结冰制动距离增大约7.5倍，道路视距设计须取最不利条件VehicleDynamics·Braking制动方向稳定性与防抱死系统车轮抱死会导致横向附着力急剧丧失：前轮抱死使转向失效，后轮抱死引发甩尾旋转。ABS系统通过控制滑移率在15%-20%的最优区间，确保制动过程中方向可控。01车轮抱死的危害前轮抱死转向能力丧失，汽车沿惯性方向滑行无法避让障碍物，弯道中表现为"推头"驶出路面推头失控后轮抱死后轴侧滑引发甩尾甚至旋转，是制动事故中最危险的失稳模式，雨天湿滑路面更易发生甩尾旋转滑移率与附着系数纯滚动时s=0，完全抱死时s=100%；最优制动在s=15%-20%，纵向与横向附着系数均较高15%-20%02ABS/EBD的作用机制ABS防抱死制动通过轮速传感器监测各车轮转速，在即将抱死时快速释放和恢复制动力（每秒10-20次），将滑移率控制在最优区间10-20次/秒EBD电子制动力分配根据前后轴荷动态调节制动力比例，避免后轴过早抱死，进一步提升制动方向稳定性动态轴荷分配ROADSAFETYENGINEERING制动性能对道路设计的指导汽车制动性能直接决定了停车视距、交叉口视距三角形和限速标准三项核心道路设计参数。以潮湿路面附着系数0.45和2.5秒反应时间为基准计算的停车视距，是保障道路全工况行车安全的底线约束。停车视距计算取t=2.5s（含判断和反应时间）、φ=0.45（湿滑路面），100km/h设计速度对应停车视距约110m110m/100km·h⁻¹交叉口视距三角形交叉口各进口道必须保证足够的停车视距通视范围，三角形内不得有遮挡视线的建筑物或绿化通视无障碍限速标准的科学依据学校区域30km/h限速使得干燥路面停车距离仅约8m，碰撞致死率从50km/h的80%降至10%以下30km/h学校区域长下坡路段安全设计货车连续制动导致制动热衰退，需设置避险车道和强制降温池，保障制动效能不失效避险车道+降温池FuelEconomy&RoadDesign汽车燃油经济性与道路设计关联汽车燃油经济性受结构因素和使用因素的双重影响，其中道路条件是关键使用因素，高速公路百公里油耗比城市道路低30%-50%。01评价标准体系中国采用等速百公里油耗与多工况循环综合评定，欧洲NEDC/WLTC，美国EPA规程NEDC·WLTC·EPA02路面质量影响滚动阻力系数每降低0.005，百公里油耗减少1-2升，沥青路面比碎石路面节油15%-25%15–25%节油03电动车能效以kWh/100km衡量，等效换算后可与燃油车对比，能效通常为燃油车的3-4倍3–4×能效04纵坡设计影响频繁变坡增加加减速次数致油耗上升，平缓连续纵断面有利于保持经济车速平缓纵断面05交通流状态影响连续流（高速公路）油耗最低，间断流（信号灯交叉口）因频繁起步停车，油耗增加30%-50%30–50%油耗增幅NIGHTDRIVING汽车夜间行驶特性夜间行车视距受车灯照射范围限制，近光灯有效距离仅30-50m，远光灯100-150m，安全车速需相应降低。对向眩光导致的视觉恢复时间是夜间事故的重要诱因。视距缩短效应近光灯照射距离30-50m，远低于白天停车视距要求，夜间行车需降低车速或依赖道路照明弥补视距不足30–50m眩光与视觉恢复对向远光灯造成瞬时眩目，视觉恢复需2-3s，期间盲驶数十米，是夜间会车事故主因2–3s道路照明与反光设施反光标线、轮廓标和线形诱导标增强夜间道路轮廓辨识度，防眩板消除对向车灯眩光影响防眩板夜间事故特征夜间事故率虽低于白天，但严重程度显著更高，单车事故和追尾事故占比上升严重程度↑综合案例山区公路设计中的行驶特性应用以设计速度60km/h的山区二级公路为例，汽车行驶特性理论贯穿路线设计全过程：动力因数决定最大纵坡（7%），横向稳定性约束最小弯道半径（150m），制动性能确定停车视距（75m），