道路勘测设计-汽车行驶特性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,N,e,，,使发动机的曲轴上具有扭矩,M,e,，,M,e,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,N,e,=,M,e,/1000,=2,n,e,/60,N,e,=,M,e,n,e,/9549,式中,N,e,发动机有效功率，,kW,；,M,e,发动机曲轴扭矩，,N,m,；,n,e,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,M,P,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,i,k,，,机械效率为,k,若变速箱的速比,i,0,，,机械效率为,0,车轮上的扭距：,M,k,=,M,e,i,0,i,k,0,k,=,M,e,i,0,i,k,m,牵引力,P,t,与,M,e,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,P,t,与,V,的关系曲线,（1）汽车的牵引力,汽车的牵引特性图,P,t,与,V,成,反比，所以起车时,V,小，,P,t,大；上坡时,V,小，,P,t,大。不同的档位，,i,k,不同。,1.汽车的动力特性,汽车运动时需要不断克服运动中所遇到的各种阻力。,滚动阻力,P,t,来自路面；,空气阻力,P,w,来自汽车周围的空气,；,坡度阻力,P,i,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,P,j,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,弹,塑性体的受力特性,加力过程,减力过程,变形,外力,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,P,W,空气阻力,；,C,流线型系数；,空气密度；,F,汽车迎风面面积,；,v,H,汽车与空气的相对速度,；,n,随车速变化的指数，当,v,H,1 m/s,，,n,1,；,1,v,H,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：,回转部件惯性力矩：,回转部件惯性阻力：,4）惯性阻力,J,e,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；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：,海拔系数；,G,a,满载时汽车重力，,N；,G,T,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，以速度,V,1,驶入坡段，并以速度,V,2,驶出坡段，则可能克服的坡度,i,1,和相应的坡长,S,1,，,可求。,设，相应于,V,1,、,V,2,的动力因数值分别为,D,1,、,D,2,，,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,i,1,值大时，则,S,1,值小；反之，,i,1,值小时，则,S,1,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，,V,1,取某一档位时的最大速度；,V,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,P,W,；,回转惯性力矩,M,j1,及,M,j2,；,车轮上的法向反作用力,Z,1,及,Z,2,；,滚动阻力矩,M,f1,及,M,f2,。,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，,M,j1,、,M,j2,、,M,f1,、,M,f2,、,P,w,、,P,j1,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,Z,1,0,，,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,Z,2,0,，,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,Z,2,计算公式代入，得,需要保证,2.汽车行驶的稳定性,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,G,a,、,离心力,C,，空气阻力在横向上的分力较小，略去不计；路面对车轮的法向反作用力,N,1,、,N,r,，,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，,i,0,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,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：,N,r,0,由于 ，并考虑与,G,a,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,来自制动器内的摩擦阻力矩来形成路面对车轮的切向摩擦阻力,，,会阻止车轮前进，在急刹车时,P,值最大，此最大值取决于轮胎与路面间的附着力。,其最大值,G,a,分配到制动轮上的汽车重力，现代汽车全部车轮均为制动轮，一般制动时采用后轮制动，紧急制动时采用前后轮均制动。,路面与轮胎之间的附着系数。,由,制动平衡方程,制动减速度,（1）制动平衡方程,3.汽车的制动性,（2）制动距离,由,制动距离,V,1,制动初速度，,km/h,；,V,2,制动终速度，,km/h,。,车辆停止时，,V,2,0,，,则,