第二章汽车行使理论课件.ppt

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1、2.1概述2.2汽车的驱动力及行驶阻力2.3汽车的动力特性及加、减速行程2.4汽车的行驶稳定性2.5汽车的制动性2.6汽车的燃油经济性,第2章 汽车行驶性能,2.1 概述,道路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的。汽车行驶的总的要求是安全、迅速、经济与舒适，它是通过人、车、路和环境等方面来保证的。因此，在道路线形设计时，需要研究汽车在道路上的行驶特性及其对道路设计的具体要求。一、汽车行驶性能的主要内容 1、动力性能：是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向力决定、所能达到的平均行驶速度 ,即指决定汽车加速、爬坡和获得最大速度的性能。汽车的动力性能越好 , 就会具有较高的车 速、较好的爬坡能

2、力和加速能力。动力性能决定道路的最大纵坡、坡长限制及长陡坡上陡坡与缓坡的组合。,2. 制动性 指汽车行驶中能在短距离内停车旦维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。汽车制动性的好坏 , 直接关系到行车安全。制动性能越好 , 汽车才能以较高的车速行驶 , 在下长坡时保障行车安全。制动性能与道路的行车视距直接相关。3. 行驶稳定性 指汽车在行驶过程中 , 受外部因素作用 , 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。汽车行驶稳定性直接关系到行车的安全 , 其决定道路圆曲线极限最小半径和纵、横向组合最大坡度的取值 , 也影响道路纵坡度的设置。,4. 操

3、纵稳定性 指汽车是否按照驾驶员的意图控制汽车的性能 , 它包括汽车的转向特性、高速稳定性和操纵轻便性。汽车的转向特性影响着汽车在弯道上的行驶轨迹。5. 燃油经济性 是指汽车以最少的燃油消耗量完成单位运输工作的能力 , 它是汽车的主要使用性能之一。汽车燃油经济性越好 , 单位行程的燃油消耗量越小。6. 行驶平顺性 指汽车在不平道路上行驶时 , 汽车免受冲击和震动的能力。汽车行驶平顺性 , 对汽车平均技术车速、驾驶员和乘客的舒适性、运货的完整性等有很大影响。7. 通过性 是指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力。汽车通过性能越好 , 汽车使用的范围就越广。,二、汽车行驶对路线的要求 1. 保证汽车在

4、道路上行驶的稳定性； 合理的选用圆曲线的半径和设置纵横坡度，提高车轮与路面间的附着力。 2. 尽可能地提高车速； 严格控制曲线半径、最大纵坡及坡长，合理地设置缓和坡段，尽可能地采取大半径曲线及平缓的纵坡。 3. 保证道路上的行车连续； 保证有足够的视距和安全净空，合理地设置平、竖曲线，尽可能的减少平面交叉。 4. 尽量满足行车舒适。 正确地组合平面线形和纵面线形，注意线形与景观的协调；对平、竖曲线的最小半径要加以限制。 道路线形设计与汽车行驶时各主要使用性能是密切相关的 , 因此汽车行驶性能是道路线形设计的基础。,2.2 汽车的驱动力及行驶阻力 一 汽车的驱动力 1、发动机曲轴扭矩 N = M

5、 （W） =M/1000 （kW） =2n/60 （rad/s）得 （kW） （Nm ） M发动机曲轴的扭矩(Nm)； N发动机的有效功率（kW）； n发动机曲轴的转速 (r/min)。,2、驱动轮扭矩 M k Mk=M式中：Mk汽车驱动轮扭矩（Nm）； M发动机曲轴扭矩（Nm）； 总变速比，= i0i k （i 0为传动器速比, i k为变速箱速比） T传动系统的机械效率，一般载重汽车为0.800.85，小客车为0.850.95。此时，驱动轮上的转速n k为 （r/min）相应的车速V为 （km/h） 式中：V汽车行驶速度（km/h）； n发动机曲轴转速（r/min）； r车轮工作半径（m）

6、，即变形半径，它与内胎气压、外胎构造、路面的刚性与平整度以及荷载等有关，一般为未变形半径r0的0.930.96倍。从以上可以看出，通过变速箱和主传动器的二次降速，其主要目的在于增大扭矩。,3. 汽车的驱动力从上式也可看出，如要获得较大的牵引力T，必须要有较大的总变速比。但增大，则车速V就降低，因此，对同一发动机不可能同时获得大的牵引力和高的车速。为此，对汽车设置了几个排档，每一排档都具有固定的总变速比，以及该档的最大车速和最小车速。当使用低档时，用较大的值，获得较大的牵引力，但车速较小。当使用高档时，用较小的值，获得较小的牵引力和较高的车速。牵引力T与功率N之间的关系是发动机的有效功率越大，汽

7、车的牵引力越大。,二 汽车的行驶阻力 1、空气阻力 式中：K空气阻力系数，与汽车的流线形有关。参考表2-3。 A汽车迎风面积，或称正（m2），KA也称为汽车流线型因数； V汽车与空气的相对速度（km/h），可近似地取汽车的行驶速度。2、道路阻力 （1）滚动阻力 R f =G f (N) 若坡道倾角为时，其值可用下式计算： R f=G f cos (N) 由于坡道倾角一般较小，认为cos1，则 R f=G f (N) 式中：R f滚动阻力 (N)； G 汽车的总重力 (N)； f滚动阻力系数，见课本表2-4。,(2)坡度阻力 汽车在坡道上行驶时，汽车重量在平行于路面方向有分力，上坡时分力与汽车前

8、进方向相反，阻碍汽车行驶，而下坡时分力与前进方向相同，推动汽车行驶。坡度阻力可用下式计算RI=G sin （N）因坡道倾角一般较小，认为sintg= i，则 Ri= G i （N）式中：RI坡度阻力 （N）； G车辆总重力 （N）； 道路纵坡倾角； i道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。 则道路阻力为： RR=G( f + i ) （N） 式中( f + i )统称道路阻力系数。,3、惯性阻力 汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性和惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示。汽车的质量分为平移质量和旋转质量（如飞轮、齿轮、传动轴和车轮等）两部分。变速时平移质量产生惯性力(RI1=ma=Ga/g

9、)，旋转质量产生惯性力矩(RI2=Idw/dt)。由于惯性力矩计算比较复杂，为方便计算，一般给平移质量惯性力乘以大于1的系数，来代替旋转质量惯性力矩的影响。即 （N） 式中：RI惯性阻力 （N）； G车辆总重力 （N）； g重力加速度 （m/s2）； 惯性力系数（或旋转质量换算系数）。因此，汽车的总行驶阻力为R=RW+RR+RI。,三 汽车的运动方程式和行驶条件1.汽车的运动方程式牵引平衡方程式（也称汽车的运动方程式）为 T=R=RW+RR+RI 负荷率 U=80%90%2. 汽车的行驶条件驱动条件（必要条件）：TR 充分条件 ： TGk 式中：附着系数，按课本表2-5选用； Gk作用在驱动轮

10、的荷载。根据以上汽车行驶条件，在实际工作中对路面提出了一定要求，从宏观上讲要求路面平整而坚实，尽量减小滚动阻力；从微观上讲又要求路面粗糙而不滑，以增大附着力。,2.3 汽车的动力特性及加、减速行程一 汽车的动力因数 T-RW=RR+RI 令上式左端为D，即 D称为动力因数，即为单位车重具备的牵引潜力。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。 其中 式中：海拔系数， G满载时汽车的总重力（N）； G实际装载时汽车的总重力（N）。,例1：已知某条道路的滚动阻力系数为0.015，如果东风EQ-140型载重车装载90%时，挂IV档以30km/h的速度等速行驶，

11、试求H=1500m海拔高度上所能克服的最大坡度。,解：H=1500m时，=（1-2.2610-51500）5.3=0.83 G / G = 1/90% =1.11则=0.831.11=0.92由已知条件查图2-4可知D=6%由题意知：a=0，f=0.015将已知条件均代入公式：解出：i=0.04，即汽车在以上条件下能克服的最大坡度为4%。,二 汽车的行驶状态,式中称为道路阻力系数。当D时，减速行驶,V1：平衡速度，即D1=1时等速行驶的的速度。当汽车的行驶速度VV1时减速行驶，直到V1为此；当VV1时加速行驶，直到V1为止。（左图）V k：临界速度，即与每一排档都存在各自的最大动力因数D ma

12、x对应的速度。也称为最小稳定速度。 稳定行驶和不稳定行驶的情况。 临界速度是汽车稳定行驶的极限速度（最低速度）。一般情况下汽车都采用大于某一排挡的临界速度作为行驶速度，以便克服额外阻力而连续行驶。汽车的最高速度是指节流阀全开、满载（不带挂车），在表面平整坚实水平路段上作稳定行驶时的速度。每一挡都有对应的最高速度。 (km/h)式中 nmax汽车发动机的最大转速（r/min）.汽车的最高速度与最小稳定速度之间的差值越大，表示汽车对道路阻力的适应性越强。,三 汽车的爬坡能力定义：指汽车克服坡度的能力，用最大爬坡度评定，最大爬坡度指汽车在坚硬路面上用最低挡作等速行驶所克服的坡度。 i=D-f 由于最

13、低档爬坡能力大，坡道倾角也大，此时cos1, sintg=i，应该用下式计算DImax= fcos+sin解此三角函数方程式，得 i max=tgImax式中： Imax最低档所能克服的最大坡道倾角； f 滚动阻力系数； DIma 最低档的最大动力因数。,四 汽车的加、减速行程,1.加、减速行程计算公式 汽车的加速性指汽车在各种条件下迅速增加速度的能力。 由 ds=vdt 和 a=dv/dt (m/s2) 得： ds=vdv/a（a0）设初速为V1，终速为V2，V单位用km/h，得： 其中a也是与V有关的变量对上式积分，将数据绘成加减速行程图备用。,2.加、减速行程图,横坐标为距离行程S单位为

14、m;纵坐标为车速，单位为Km/h;曲线上数字代表道路阻力系数=（f+I)/(%),3.加、减速行程图的用法（1）已知（f+I)/，初速V1和终速V2，求加速最短行程Sa和减速最大行程Sd . Sa = S2 - S1 Sd = S2 - S1 (2)已知（f+I)/、 V1、 Sa 或Sd，求V2。此法用于绘制沿线最大车速图。,例2：已知=0.8，f=1%，若东风EQ-140型载重车以80km/h的 速度开始在3%的坡道上爬坡，当该坡道长为600m时， 求到达坡顶的车速。,解：由(f +I)/ =（0.01+0.03）/ 0.8=0.05 由已知得V1=80km/h，查加减速行程图2-8a减速

15、曲线 得 S1 =130m 而 S2 = Sd+ S1 =0.8600+130=610m 再查加减速行程图2-8a减速曲线得V2=61km/h。,2.4 汽车的行驶稳定性 一 汽车行驶的纵向稳定性,1. 纵向倾覆条件分析产生纵向倾覆的临界状态是汽车前轮法向反作用力Z1为零，此时，汽车可能绕O2点发生倾覆现象。对O2点取矩，并让Z1=0，得Gl2cos0-Ghgsin0=0 式中：0Z1为零时极限坡道倾角； i0Z1为零时道路的纵坡度。当坡道倾角0（即道路纵坡ii 0）时，汽车可能产生纵向倾覆。由式 (2 -30) 可知 , 纵向倾覆的稳定性主要与汽车重心至后轴的距离和重心高度 hg 有关 ,l

16、2 愈大 ,hg 愈低 , 纵向稳定性愈好。,2. 纵向倒溜条件分析对后轮驱动的汽车 , 根据附着条件 , 驱动轮不产生滑移的临界状态是 因为 则 式中 : -产生纵向滑移临界状态时的坡道倾角 ; -产生纵向滑移临界状态时的道路纵坡度 ;其他符号意义同前。当坡道倾角 ( 或道路纵坡度 )时 , 汽车可能产生纵向滑移。 的大小主要取决于驱动轮荷载Gk 与汽车总重力 G 的比值以及附着系数值 , 详见式 (2-15) 和表 2-5。,3. 纵向稳定性的保证分析式 (2-30) 和式 (2-31), 一般 接近于 1, 而 远远小于 1, 所以 也就是说 , 汽车在坡道上行驶时 , 在发生纵向倾覆之

17、前 , 首先发生纵向滑移。为保证汽车 行驶的纵向稳定性 , 道路设计应以满足不产生纵向滑移为条件 , 这样 , 也就避免了汽车的纵向倾覆现象出现。所以 , 汽车行驶时纵向稳定性的条件为 （3-32）只要设计的道路纵坡度 i 满足上式条件 , 当汽车满载时一般都能保证纵向行驶的稳定性。 但在运输中装载过高时 , 由于重心高度 的增大会破坏纵向稳定性条件 , 所以应对汽车装载高度有所限制。,二 汽车行驶的横向稳定性,F=ma G,1. 汽车在平曲线上行驶时受力分析 式中：F离心力 （N）； R平曲线半径 （m）； v汽车行驶速度 （m/s）。 将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直

18、于路面的竖向力Y 即 X= Fcos-Gsin Y= Fsin+Gcos 上式中竖向力Y是稳定因素，横向力X是汽车行驶的不稳定因素。由于路面横 向 倾角一般很小，则sintg=ih，cos1，则 v用km/h换算令 横向力系数（单位车重的横向力） 将车速v(m/s)化成V（km/h），则 式中：R平曲线半径 （m）； 横向力系数； V行车速度 （km/h）；ih横向超高坡度。,2.横向倾覆条件分析汽车不产生倾覆条件： 即 略去Fih将 代入上式，则平曲线半径3.横向滑移条件分析 汽车不产生横向滑移条件： 即将 代入上式， 则平曲线半径 为横向附着系数，一般横向滑移现象发生在横向倾覆之前，因此道

19、路设计中平曲线最小半径满足不产生横向滑移条件。,4. 横向稳定性的保证由式 (2-34) 和式 (2-36) 可知 , 汽车在平曲线上行驶时的横向稳定性主要取决于横向力系数值的大小。现代汽车在设计制造时重心较低 , 一般 ， 即 , 而 0.5, 所以 也就是汽车在平曲线上行驶时 , 在发生横向倾覆之前先产生横向滑移 , 为此 , 在道路设计中应保证汽车不产生横向滑移 , 同时也就保证了横向倾覆的稳定性。只要设计采用的值满足式。 （2-36) 的条件 , 一般在满载情况下能够保证横向行车的稳定性 , 但装载过高时可能发生 倾覆现象。,三、汽车行驶的纵横组合向稳定性,图2-21 汽车下坡平曲线上

20、受力图,汽车行驶在具有一定纵坡的小半径平曲线上时 , 较直线上增加了一项弯道阻力 , 对上坡的汽车耗费的功率增加 , 使行车速度降低 ; 对下坡的汽车有沿纵横组合的合成坡度方向倾斜、滑 移和装载偏重的可能 , 这对汽车的行驶是危险的。为此 , 对合成坡度的最大值应加以限制 , 以 利于行车的稳定性。如图 2-12, 汽车行驶在纵坡为 i( ) 和超高横坡为 的下坡路段上 , 作用在前轴上的荷载为 : 离心力F分配在前轴上的荷载为 : 因倾角和 很小 , 则前轴总荷载 为 : 在平直路段上 , 作用于前轴的荷载 为 : 在有平曲线的坡道上 , 前轴荷载增量与W的比值为 :,对载重汽车，一般 ，则

21、： 在直坡道 上 , 则 I=i 。即汽车沿直坡道下坡时 , 前轴荷载增量与在平直路段前轴荷载的比率等于该路段的纵坡度。在曲线上如果也以与直线上相同大小的最大纵坡 作为控制 , 则有下式成立 : 用 V(km/h) 表达上述公式并整理 , 得 : （2-38）此式即为汽车沿纵横组合方向的稳定条件 , 也是 最大纵坡在平曲线上的折减条件。,2.5 汽车的制动性能 汽车的制动性能是指汽车行驶中强制降低车速以至停车，或在下坡时能保持一定速度行驶的能力。1.制动平衡方程：P值的极限值： P=G 式中：G分配到制动轮上的汽车重力。 路面与轮胎之间的附着系数，见表2-5。制动平衡方程式为： P+RR+RI

22、=0 即 式中: a制动减速度 （m/s2） 道路阻力系数，=f+i 。,2. 制动距离 积分得,将v(m/s)化为V（km/h）,当制动到汽车停止时，V2=0，则,从上式可看出，决定汽车制动距离的主要因素是：附着系数、道路阻力系数、起始速度。,2.6汽车的燃油经济性,燃油消耗量：汽车完成运输工作所消耗的燃油量。 燃油经济性评价指标：一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。 影响因素：汽车本身的结构（如外形尺寸、质量、发动机类型、传动系等），汽车的使用条件（如行驶车速、档位、道路阻力等）。 一条道路的燃油消耗量是评价道路质量的重要经济指标之一。,已知发动机

23、的功率N和转速能n后，可在发动机负荷特性图上查出燃油消耗率ge。ge是指发动机每千瓦小时的燃油消耗量。汽车以等速V在道路上行驶时，每百公里所做的功W为 (kWh),或 (1/100km)式中：ge燃油消耗率（g/kwh） 燃油容量(N/l)，汽油为6.967.15N/l，柴油7.948.13N/l。,则百公里燃油消耗量Q为：,第一章复习思考题,一 名词解释可行性研究;设计车辆;设计速度;规划交通量;设计小时交通量;车种换算;通行能力;道路红线;道路建筑界限;道路用地二 简答题1.公路是如何分级的?城市道路是如何分类分级的?2.可行性研究包括哪些内容?3.公路工程基本建设项目采用的设计阶段有哪几种?并说明各种设计阶段的内容及适用条件 .4.城市道路网的结构形式有哪些?5.城市道路红线规划的工作内容有哪些?,第二章复习思考题,一 简答题1.汽车行使对路线的要求是什么?2.汽车的牵引力是如何产生的？ 3.汽车的行使阻力有哪几种?4.汽车行使的充分必要条件是什么?5.什么叫动力因数?写出它的物理意义和表达式.6. 是什么? 是什么?7.汽车行驶的纵向稳定包括哪两个方面?横向稳定包括哪两个方面?8.横向力系数的物理意义和表达式是什么?9.汽车制动距离的表达式是什么?并说明影响制动距离的因素.,