道路勘测设计(第2章-1)

1、1,主 讲：陈 爽 电 话:8752698 QQ: 31554383,道路勘测设计,2,1学习目的： 道路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的。 汽车运动基本规律及对公路的要求，指导公路设计；保证公路的使用品质、服务等级。汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础。 2研究内容： 研究汽车的驱动力和行驶阻力； 分析汽车运动的基本规律； 研究汽车主要动力性能 分析影响汽车主要使用性能的因素。,第二章 汽车行驶性能,3,第一节 概述,道路运输的载运工具主要为利用燃油（汽油、柴油）、电或其它能源作动力，通过轮胎在各种道路上行驶的车辆，如汽车（客车和货车等）、无轨电车、各种装卸载运车辆、摩托车等。道路运输工程

2、设施的规划和设计，要考虑并满足这些设施的使用对象载运工具的运行特性要求。例如，工程设施的几何设计要能容纳车辆在体积尺寸和通行能力方面的使用要求，而工程设施的结构设计则要能经受住车辆质量的重复作用等。因此，道路工程的规划和设计人员，虽然不需要了解和掌握运载工具的设计、制造和使用知识，但必须了解它们的运行特性，以便规划和设计出能满足其使用要求的各项工程设施。本章首先介绍车辆（主要是汽车）的类型、尺寸和质量方面的知识，而后进一步介绍同工程设施规划和设计有关的一些运行特性，如行驶阻力、功率、加速和减速性能以及车辆运行费。,4,一 、车辆类型、尺寸、重量和构造,1 车辆类型,汽车可分为客车和货车两大类。

3、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。,5,（1） 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 小型公共汽车通常有

4、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。,6,（4）卡车 卡车系指载货区和动力设备装在共同的车架上不能分开的货车（图2-1(a)）。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

5、） 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。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。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。,7,各类汽车的外廓尺寸由总长度、宽度和高度组成，它们影响到对道路的车道宽度、净空和转弯半径等方面的要求。影响道路几何设计和结构设计的其它尺寸参数还有：车身前缘到前轴的长度（前悬距离）、车身后缘

6、到后轴的长度（后悬距离）、前后轴中心距（轴距）、双轴中心距、三轴中心距、轮中心距等。,8,轴距,后悬,前悬,9,2 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）费用便越高。为了兼顾道路建设和运营部

7、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。,10,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（每侧单轮胎）或220kN（每侧双轮胎）；卡车和

8、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。 我国公路标准规定具体内容在路基路面课程中讲述。,11,3 汽车的构造,12,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。,13,机械式传动系一般组成及布置示意图,传动系,1-离合器 2-变速器 3-万向节 4-驱动桥,发动机发出的动力经离合器、变速器、万向传动装置传到驱动桥。在驱动桥处，动力经过主减速器、差速器和半轴传给驱动车轮。,14,传动系：发动机,外特性曲线 燃料热能活塞、曲轴机械能作功,15,传动系：离合器：作用： （1）保证起步时工作平稳。 （

9、2）行进中换挡。 （3）传动系不至于过载。,16,传动系：变速箱：作用：减速增扭,1-输入轴 2-轴承 3-接合齿圈 4-同步环 5-输出轴 6-中间轴 7-接合套 8-中间轴常啮合齿轮 此变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。,17,传动系：万向传动：作用：柔和接触、传动,1-万向节 2-传动轴 3-前传动轴 4-中间支承,18,传动系：主传动器、减速器：作用： 减速、增扭， 动力转90方向。,1-轴承；2-左外壳；3-垫片；4-半轴齿轮；5-垫圈；6-行星齿轮； 7-从动齿轮；8-右外壳；9-十字轴；10

10、-螺栓,19,第二节 汽车的驱动力及行驶阻力,一、汽车的驱动力 汽车的动力来源： 汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。 在发动机里热能转化成机械能经过传动系变速和传动，将曲轴的扭矩传给驱动轮，产生Mk的扭矩驱动汽车驱动轮旋转，轮胎对路面产生向后的水平推力，则路面对车辆产生向前的推力，驱使汽车行驶。,20,汽车传动系统：,燃料热能活塞机械能产生有效功率P 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,21,1、汽车的驱动力,功率(P)，发动机功率,单位千瓦(Kw)或马力（hp）, 1hp = 0.7457 kW. 扭矩(M),表

11、征汽车牵引力的大小,单位牛顿.米或千克.米, 1千克.米=9.8牛顿.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 （P)(牵引力)扭矩(M)速度(V),22,发动机转速特性曲线（发动机转速特性曲线），油门全开时称发动机外特性曲线，否则称发动机部分负荷特性曲线。,发动机外特性曲线,功率曲线,扭矩曲线,最小转速,最大转速,汽油发动机外特性,23,发动机输出的功率N与产生的扭矩M的关系：,(1)发动机曲轴扭矩M 及发动机转速特性,24,式中：Pmax发动机的最大功率(kW

12、)； nN发动机的最大功率所对应的转速（rmin）,发动机转速特性经验公式：,式中：Mmax最大扭矩（Nm）； MN最大功率所对应的扭矩， nN最大功率所对应的转速（r/min）； nM最大扭矩所对应的转速(rmin)；,25,发动机曲轴上的扭矩M经过变速箱（速比ik）和主传动器（速比i0）两次变速 两次变速的总变速比为：=i0ik； 传动系统的机械效率为T1.0； 传到驱动轮上的扭矩Mk为： Mk=MT 驱动轮上的转速nk为：,(2)驱动轮扭矩Mk,车速V与发电机转速关系：,26,(3) 汽车的驱动力,27,有关计算的汇总：,(1)M和N的关系（公式2-1）,(2)r和V的关系（公式2-5）

13、,(3)T和V的关系（公式2-6,2-7）,28,2、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。,29,(1)空气阻力 汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力，车后的真空吸力及空气质点与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。,式中：K空气阻力系数，它与汽车的流线型有关； 空气密度，一般=1.2258（Ns2m4）； A汽车迎风面积（或称正投影面积）（m2）； v汽车

14、与空气的相对速度（ms），可近似地取汽车的行驶速度。,30,将车速v（ms）化为V（kmh）并化简，得,对汽车列车的空气阻力，一般可按每节挂车的空气阻力为其牵引车的20%折算。,31,(2) 道路阻力,道路阻力是由弹性轮胎变形和道路的不同路面类型及纵坡度而产生的阻力，主要包括滚动阻力和坡度阻力。 （1）滚动阻力 弹性轮胎反复变形时，其材料内部发生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上汽车行驶时汽车的不仅轮胎变形，而且路面也会变形，其接触面之间产生摩擦要消耗部分功率（路面支反力前移，与车轮重力形成反向力矩）。另外，由于路面的不平整而造成轮胎震动和撞击引起部分功率的消耗。,32,滚动阻力与汽车的总重力

15、成正比，若坡道倾角为时，其值可用下式计算。 RfGfcos 由于坡道倾角一般较小，认为cos1，则 Rf=Gf （N） 式中：Rf滚动阻力（N）； G车辆总重力（N）； f滚动阻力系数，它与路面类型、轮胎结构和行驶速度等有关，一般应由试验确定，在一定类型的轮胎和一定车速范围内，可视为只和路面状况有关的常数，见表2-4。,33,汽车在坡道倾角为的道路上行驶时，车重G在平行于路面方向的分力为Gsin，上坡时它与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶；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 Ri=Gsin 因坡道倾角一般较小，认为sintgi，则 Ri=Gi （N） 式中： Ri坡度阻力

16、 （N）； G车辆总重力（N）； i 道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。,（2）坡度阻力,34,RR=G（f+i） 式中：f+i统称道路阻力系数。,滚动阻力和坡度阻力均与道路状况有关，且都与汽车的总重力成正比，将它们统称为道路阻力，以RR表示,35,汽车变速行驶时，需要克服其质量变通运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示。 汽车的质量：平移质量 旋转质量,3惯性阻力,平移质量的惯性力,旋转质量的惯性力矩,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。,36,惯性阻力计算：,式中：惯性力系数（或旋转质量换算系数）。 l12i

17、k2 式中：1表示汽车车轮惯性力的影响系数，一般1=0.030.05； 2表示发动机飞轮惯性力的影响系数，一般小客车2=0.050.07，载重汽车2=0.040.05； ik变速箱的速比。,37,式中，Rm为车辆总行驶阻力。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。,综合上述各项阻力，车辆在路上的总行驶阻力为：,38,1汽车的运动方程式 汽车在道路上行驶时，必

18、须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称为驱动平衡。其驱动平衡方程式（也称汽车的运动方程式）为 T=R=Rw+RR+RI 代入表达式，汽车的运动方程式为：,三、汽车的运动方程式与行驶条件,39,2汽车的行驶条件,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，要使汽车行驶，必须具有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。即 汽车行驶的必要条件（即驱动条件） ： TR,40,驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即 TGk 式中：附着

19、系数，主要取决于路面的粗糙程度和潮湿泥泞程度，轧胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，计算时可按表2-5选用； Gk驱动轮荷载，一般情况下，小汽车为总重的0.50.65倍，载重车为总重的0.650.80倍。,汽车行驶的充分条件：,41,驱动轮荷载； 附着力系数,即：同时满足,条件一：驱动力大于等于总阻力,条件二：驱动力小于等于附着力,42,第三节 汽车的动力特性及加、减速行程,动力特性：能反映汽车动力性能的指标。 汽车的动力性能：指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等的性能。汽车的动力性愈好，速度就愈高，所能克服的行驶阻力也愈大。 一、汽车的动力因数 汽车的运动方程式：T = Rw+RR+RI 改变

20、形式， T - Rw= RR+RI 上式等号左端T-Rw称为汽车的后备驱动力，T、RW之值均与汽车的构造和行驶速度有关。 代入表达式，,43,令上式左端为D，即,为使不同类型汽车的动力性进行比较，且有相同的评价尺度，将上式两端分别除以车辆总重G，得,D称为动力因数，它表征某型汽车在海平面高程上，满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。,44,当道路所在地不在海平面上，汽车也不是满载，由于海拔增高，气压降低，使发动机输出功率、汽车的驱动力及空气阻力都随之降低，所以，应对动力因数D进行修正。方法是给D乘以一个修正系数，,海拔荷载修正系数:,45,或=（1-2.2610-5H）5.3 其

21、中，H为海拔高度（m）； G满载时汽车的总重力（N）； G实际装载时汽车的总重力（N）。,式中：海拔系数，见图2-5,称为动力因数D的海拔荷载修正系数，其值为,46,式中：海拔系数，见图2-5,47,48,当汽车的动力因数为D，道路阻力为，汽车的行驶状态有以下三种情况： 当D时： 加速行驶,二、汽车的行驶状态,由,得,当=D时: a0 等速行驶,当D时： 减速行驶,式中：道路阻力系数，,49,平衡速度：任意的D相应等速行驶的速度， 用VP表示。 临界速度：每一排档最大动力因数Dmax对应的速度，用Vk表示。,50,稳定行驶与不稳定行驶：P35 汽车的最高速度：是指节流阀全开、满载（不带挂车）、

22、在表面平整坚实水平路段上作稳定行驶时的速度。 某一排档的最高速度Vmax ：,汽车的最小稳定速度：是指满载（不带挂车）在路面平整坚实的水平路段上，稳定行驶时的最低速度（即临界速度Vk）。,51,某档动力特性图,52,最大爬坡度：指汽车在坚硬路面上用最低档作等速行驶时所能克服的最大坡度。 cos1，sintgi， DImax=fcos+sin 解此三角函数方程式，得最大坡角：,三、汽车的爬坡能力,汽车的爬坡能力：是指汽车在良好路面上等速行驶时克服了其它行驶阻力后所能爬上的纵坡度。,， a=0，则 i=D-f,53,计算加、减速行程 由ds=vdt，a=dv/dt，得,四、汽车的加、减速行程,设初

23、速V1，终速V2，则,54,汽车行驶对道路的基本要求：,安全：保证汽车的行驶稳定性，避免发生翻车、倒溜、侧滑等； 迅速：行驶速度平均技术速度。 经济：运输成本：低 运输生产率：高 评价汽车运输工作效率的指标有： 汽车运输生产率周转率 运输成本油料及轮胎消耗，保养周期 舒适 视觉上：线形美观，赏心悦目，自然环境与景观设计 生理上：平稳、不颠簸，离心力小 心理上：轻松，有安全感，心情愉快。,第四节汽车的行驶稳定性,55,汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因素作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生滑移、倾覆等现象的能力。 稳定性：纵向 横向 表现：倾覆滑移,56,纵向稳定性： 表现：倾覆 滑移（倒溜）,57,横向稳定