道路勘测设计-汽车行驶特性

1、第二章 汽车行驶理论,内容提要 汽车的动力特性 汽车行驶的稳定性 汽车的制动性,1.汽车的动力特性,牵引力来源燃料在发动机内燃烧，将热能转变为机械能，产生有效功率Ne，使发动机的曲轴上具有扭矩Me，Me通过传动系统传到驱动轮，产生牵引力，推动汽车以一定的速度行驶。 1）汽车发动机的外特性曲线 发动机特性 Ne=Me/1000 =2ne/60 Ne= Mene/9549 式中 Ne发动机有效功率，kW； Me发动机曲轴扭矩，Nm； ne发动机曲轴转速，r/min； 发动机曲轴转动角速度，rad/s。,（1） 汽车的牵引力,汽油发动机外特性曲线（油门一定）,1.汽车的动力特性,油门全开时，对应的汽

2、车发动机特性曲线称为外特性曲线。 发动机外特性曲线估算公式：,1）汽车发动机的外特性曲线,MP最大功率时相应的扭矩。,1.汽车的动力特性,2）牵引力与曲轴扭矩的关系 发动机扭距的传递 若变速箱的速比ik，机械效率为k 若变速箱的速比i0，机械效率为0 车轮上的扭距：Mk= Mei0 ik0k = Mei0ikm 牵引力Pt与Me的关系,（1）汽车的牵引力,1.汽车的动力特性,3）车速与曲轴扭矩的关系 得到Pt与V的关系曲线,（1）汽车的牵引力,汽车的牵引特性图,Pt与V成反比，所以起车时V小， Pt大；上坡时V小， Pt大。不同的档位，ik不同。,1.汽车的动力特性,汽车运动时需要不断克服运动

3、中所遇到的各种阻力。 滚动阻力Pt来自路面； 空气阻力Pw 来自汽车周围的空气； 坡度阻力Pi 汽车上坡行驶时，所需克服的汽车重力在平行于路面方向的分力； 惯性阻力Pj 汽车加速行驶时，所需克服惯性的阻力。 1）滚动阻力 车轮是弹塑性体 同样的变形，加力时，力大；卸力时，力小。,（2） 汽车的行驶阻力,1.汽车的动力特性,滚动阻力矩 行驶时，为克服滚动阻力所需的推力对汽车而言是一种行驶阻力，称为滚动阻力 。 滚动阻力系数 ，单位车重所需的推力，与路面性质、粗糙度和轮胎有关。 对整个汽车： 在斜坡上：,1） 滚动阻力,道路纵向的坡度角。,1.汽车的动力特性,汽车在坡道上行驶时，汽车的重力在平行路

4、面上的分力，称为坡度阻力。 “+”表示汽车上坡行驶，阻碍汽车行驶；“”表示汽车下坡行驶，与汽车行驶方向相同，形成坡度阻力。 坡度 小，一般不超过10，可用tan代替sin，所以有：,2） 坡度阻力,1.汽车的动力特性,压差阻力：5560%； 干扰阻力：1218%； 冷却系阻力：1015%； 摩擦阻力：810%； 诱导阻力 ：58%；,3） 空气阻力,PW空气阻力； C流线型系数； 空气密度； F汽车迎风面面积； vH汽车与空气的相对速度； n随车速变化的指数，当vH 330 m/s， n 3。,常用汽车的速度代替空气与汽车的相对速度：,对于挂车：,1.汽车的动力特性,平移质量的惯性阻力： 回转

5、部件惯性力矩： 回转部件惯性阻力：,4） 惯性阻力,Je发动机飞轮转动惯量； 和全部车轮的转动惯量。,仅在改变运行状态（加、减速）时才有。,则：,其中：,称：,为汽车回转质量换算系数。,则：,1.汽车的动力特性,汽车行驶的条件牵引力不小于行驶阻力：,（3） 汽车的行驶条件,将各力计算公式代入，有：,1）汽车行驶的必要条件（驱动条件）,2）汽车行驶的充分条件（附着条件）,汽车行驶的充要条件,1.汽车的动力特性,（3） 汽车的行驶条件,3）道路摩擦系数 相关因素：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。 增大值的方法：路面粗糙；干燥；轮胎内压小、变形大、接触面大；

6、减小车速；改变轮胎花纹，增大 ；增大荷载。 3）对道路的要求 纵坡尽量平缓；路面平整、粗糙，作好排水。,1.汽车的动力特性,牵引平衡方程可写为： 单位车重具有的牵引力： 动力因数： 道路阻力系数：,（4） 动力因数及动力特性图,令：,称为动力因数。,含义：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（单位车重所具有的牵引潜力）。,当汽车作等速行驶时， ，则 ，,仅与道路状况和坡度有关，称为道路阻力系数。,1.汽车的动力特性,动力特性图动力因数D与车速V之间的关系曲线。,（4） 动力因数及动力特性图,1.汽车的动力特性,海拔荷载系数对不同海拔、荷载下的动力因数进行修正： 海拔系

7、数； Ga满载时汽车重力，N； GT实际装载时汽车重力，N。 动力因数计算公式改写为： 受附着系数限制的动力因数：,（4） 动力因数及动力特性图,或,D与、V有关，当 取一定值时，D与V有关。,1.汽车的动力特性,1）道路条件一定时的最高车速 在良好的路面条件下，稳定行驶的汽车所能达到的最大行驶速度。此时， 2）临界速度 某一排挡时，最大动力因数Dmax 对应的速度称为该档的临界速度Vk。 汽车行驶速度大于Vk ，称为稳定状态； 汽车行驶速度小于Vk ，则需换档行驶， 称为不稳定状态。,（5） 车速特性,1.汽车的动力特性,3）最高车速Vmax 最高档位对应的最高车速； 定义：油门全开，汽车满

8、载（不带挂车）在路面平整坚实的平直路段上，以直接档稳定行驶时所能达到的最大速度。 （几种国产汽车的最高车速） 4）最小稳定速度Vmin 汽车满载（不带挂车）在路面平整坚实的平直路段上，以最低档（档）行驶时的临界速度，而且以该速度行驶时，传动系不发生颤动或敲击声，在突然踏下加速踏板时发动不熄火。,（5） 车速特性,汽车稳定行驶的速度在Vmin与Vmax之间,1.汽车的动力特性,1）最大爬坡坡度,（6） 汽车的爬坡性能,爬坡稳定行驶时,，则,低档时，汽车爬坡能力大，坡度角较大， ， ， 上式还原为,解得，,则汽车的最大爬坡度为，,1.汽车的动力特性,2）动力上坡 如图，假定汽车用一个排档动力上坡，

9、以速度V1驶入坡段，并以速度V2驶出坡段，则可能克服的坡度i1和相应的坡长S1，可求。 设，相应于V1、 V2的动力因数值分别为D1、D2 ，则相应的加速度为 平均加速度 ，即 两边同时乘以 ，积分得,（6） 汽车的爬坡性能,在实际行驶时汽车通常在上坡之前加速，让汽车得到较高的车速，然后利用上坡时的减速惯性力来提高爬坡能力，这种用惯性力克服坡度的方法叫动力上坡。,1.汽车的动力特性,结论： 当i1值大时，则S1值小；反之，i1值小时，则S1值大。 坡长都用“水平距离”表示。,2） 动力上坡,汽车变速行驶时所能克服的坡长，m,汽车变速行驶时所能克服的坡度,式中， V1取某一档位时的最大速度； V

10、2 取某一档位时的临界速度。,2.汽车行驶的稳定性,汽车本身的结构参数 重心位置、钢板弹簧的刚度、轮胎性能、前后悬架形式、制动性能等。 驾驶者的操作过程 注意力集中程度、技术熟练程度等。 其它因素 装载是否正确、道路坡度、路面状态、汽车行驶的惯性力等。,影响汽车行驶稳定性的因素,2.汽车行驶的稳定性,1）纵向受力分析,（1） 纵向稳定,受力：惯性阻力Pj1；坡度阻力Pi；汽车重力Ga；空气阻力PW ；回转惯性力矩Mj1及Mj2 ；车轮上的法向反作用力Z1及Z2；滚动阻力矩Mf1及Mf2。,就纵向稳定性，汽车上陡坡时最为不利。此时，常以低速度行驶，则坡度阻力主要，Mj1、Mj2、Mf1、Mf2、

11、Pw、Pj1等可略去不计。将其余作用力分别对汽车前轮接地点及后轮接地点取矩，有,因,2.汽车行驶的稳定性,2）纵向倾覆 上坡时，临界条件Z10 ，有,（1） 纵向稳定,当公路坡度角临界坡度角0时，汽车失去控制并可能绕后轴倾覆。,下坡时，临界条件Z20 ，有,一般汽车均有 ，因此，只要满足汽车上坡时不后倾，就可满足汽车下坡时不前翻。所以，只需保证：,2.汽车行驶的稳定性,3）纵向倒溜 当道路坡角过大，路面对轮胎的切向反作用力小于坡度阻力时，汽车驱动论将发生滑转而倒溜。临界状态：,（1） 纵向稳定,汽车驱动轮不发生滑转时，公路纵向的极限坡度角。,将Z2计算公式代入，得,需要保证,2.汽车行驶的稳定

12、性,4）纵向稳定性的保证,（1） 纵向稳定,纵向倾覆比纵向倒溜更加危险。如果 ，汽车在上坡行驶时发生倒溜的现象先于倾覆出现，这样就避免了汽车的纵向倾覆。因此设计汽车时，应满足 ，即,一般的载重汽车满载时， ，而值在不利状态下： 泥泞时为0.2，冰滑时为0.1，代入上式，则 泥泞时： 冰滑时： 这是今后要讨论的公路极限纵坡、超高横坡、合成坡度等指标值确定的理论依据之一。,对公路设计来说，应保证上坡行驶的汽车不发生纵向倒溜。这就要求公路纵坡满足 ，即,2.汽车行驶的稳定性,1）汽车在平曲线上行驶时的横向受力分析,（2） 横向稳定,汽车的重力Ga、离心力C，空气阻力在横向上的分力较小，略去不计；路面

13、对车轮的法向反作用力N1、Nr，路面对车轮的侧向反作用力 、 。, 法向反作用力 对汽车的左右轮分别取矩，得,“+”表示汽车在未设超高的双坡路面外测行驶；“”与上相反，表示汽车在未设超高的双坡路面内侧行驶。,2.汽车行驶的稳定性, 横向作用力,横向作用力Y ：,因为路拱横坡通常很小，所以很小，,i0路面横坡度。,离心力,令,横向力系数 ，横向力Y与车重的比值,有,中的“+”、“”的意义与前述意义相反，汽车在路面外测行驶时采用“”，在路面内侧行驶时采用“+”。,2.汽车行驶的稳定性, 侧向反作用力,路面对车轮的侧向反作用力,横向摩擦系数,路面对车轮的纵向反作用力,纵向摩擦系数,总反作用力P,所以

14、,若在直线上行驶，则,若在曲线上行驶，则,2.汽车行驶的稳定性,2）横向倾覆,（2） 横向稳定,在倾斜的横坡面上作曲线运动的汽车，由于横向力的作用，当位于曲线内侧车轮上的法向反作用力为零时，汽车将发生横向倾覆。即临界条件为：Nr0,由于 ，并考虑与Ga相比， 值小可略去不计，则上式可简化成,将其代入半径、速度计算公式中，可得到在一定半径条件下的最大速度值，在一定速度下的最小半径值。即,2.汽车行驶的稳定性,3）横向滑移,（2） 横向稳定,当横向力Y大于附着力 时，汽车将发生横向滑移，由平衡条件知,即,当 时，汽车将发生横向滑移 。将 代入速度、半径计算公式中，得到当R为定值时为保证不发生横向滑移，汽车所能行驶的最大速度，以及当v为定值时，平曲线所能采用的最小曲线半径，即,2.汽车行驶的稳定性,4）横向稳定的保证,（2） 横向稳定,要保证滑移先于倾覆出现 ，需满足,要保证不出现滑移，需满足,3.汽车的制动性,汽车的制动过程就是人为地增加汽车的行驶阻力，使汽车的动能或位能（当汽车下坡行驶时）转化为热能的过程。制动力P