1、第二章 汽车行驶特性,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。,第一节 概述,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。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且维持行驶方
2、向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。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。汽车行驶稳定性决定道路圆曲线极限最小半径和合成坡度的取值，也影响道路纵坡度的设置。 4.操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，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
3、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.保证汽车在道路上行驶的稳定性。即避免发生翻车、倒溜、侧滑等，在道路线形设计时，需要合理地选用圆曲线的半径和设置纵、横坡度，并提高车轮与路面问的附着力。 2.尽可能地提高车速。车速提高，运输生产力高，运输成本低。在公路设计时必须严格控制曲线半径、最大纵坡及其坡长，合理地设置缓和坡段，并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。 为保证道路上行车的均匀连续，
4、公路线形设计需要保证有足够的视距和安全净空，合理地设置平、竖曲线，并尽可能地减少平面交叉等。 4.尽量满足行车舒适。在视觉上：线形美观，赏心悦目，线形与景观相协调。在生理上：平稳、不颠簸。在心理上：轻松，有安全感，心情愉快。,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。,汽车传动系统：,发动机输出的功率P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
5、特性曲线,P-n曲线、M-n曲线、耗油量ge-n曲线,发动机转速特性曲线：,东风EQ-140发 动机外特性曲线,式中： Pmax发动机的最大功率(kW)；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)；,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
6、转速关系：,3汽车的驱动力,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。,二、汽车的行驶阻力,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汽车与空气的相对速度（ms），可近似地取汽车的行驶速度。,将车速v（ms）化为V（kmh）并化简，得,1空气阻力,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。,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。
7、（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。,（1）滚动阻力,滚动阻力与汽车的总重力成正比，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
8、关的常数，见教材表2-4。,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 （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,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,汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用
9、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,惯性阻力计算：,式中：惯性力系数（或旋转质量换算系数）。l12ik2 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。汽车的总行驶阻力R为： R=Rw十RR十RI,1汽车的运动方程式 汽车在道路上行驶时，必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
10、车的运动方程式为：,三、汽车的运动方程式与行驶条件,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,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，计算时可按教材表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0.65
11、0.80倍。,汽车行驶的充分条件：,第三节 汽车的动力特性及加、减速行程,动力特性：是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，,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
12、单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。,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:,称为动力因数D的海拔荷载修正系数，其值为,式中：海拔系数，见图2-5,或=（1-2.2610-5H）5.3其中，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,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,
13、当D时： 减速行驶,式中：道路阻力系数，,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。,汽车的行驶状态,汽车的最高、最小速度,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。 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）。,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
14、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,1计算加、减速行程由ds=vdt，a=dv/dt，得,四、汽车的加、减速行程,设初速V1，终速V2，则,东风EQ-140加、减速行程图,2. 加、减速行程图,加、减速行程图用法,第四节 汽车的行驶稳定性,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：滑移倾覆,纵向稳定性： 表现：倾覆滑移（倒溜）,横向稳定性： 表现：倾覆滑移（侧滑）,一、汽车行驶的纵向稳定性,临界状
15、态：汽车前轮法向反作用力Z1为零 。Z1L - Gl2cos0 + Ghgsin0=0 结论：当坡道倾角0 (或道路纵坡ii0)时，汽车可能发生纵向倾覆.,1纵向倾覆 ：,2纵向滑移（驱动轮滑转）,临界状态：下滑力等于驱动轮与路面的附着力GsinGk 因为sin tg= i，则纵向滑移临界状态条件：,纵向滑移的极限状态倒溜发生条件：GsinGi = tg = 结论：当坡道倾角或道路纵坡度ii时，汽车可能产生纵向滑移。,3纵向稳定性的保证,一般 接近于1，而 远远小于1，,所以， i i0即汽车在坡道上行驶时，在发生纵向倾覆之前，首先发生纵向滑移现象。道路设计只要满足不产生纵向滑移，就可避免汽车
16、的纵向倾覆现象出现。 汽车行驶时纵向稳定性的条件为,二、汽车行驶的横向稳定性,汽车在平曲线上行驶时会产生离心力，其作用点在汽车的重心，方向水平背离圆心。,受力分析：横向力X失稳竖向力Y稳定,1汽车在平曲线上行驶时力的平衡,离心力,将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直于路面的竖向力Y，,由于路面横向倾角一般很小，则sintg=ih，cos1，其中ih称为横向超高坡度，,将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直于路面的竖向力Y，,采用横向力系数来衡量稳定性程度，其意义为单位车重的横向力，即,横向倾覆：汽车在平曲线上行驶时，由于横向力的作用，使汽车绕外侧车轮触地点产生
17、向外横向倾覆。汽车内侧车轮支反力N1为0。倾覆力矩等于或大于稳定力矩。,2.横向倾覆条件分析,倾覆力矩：Xhg,横向倾覆平衡条件分析：,稳定力矩：,倾覆力矩：Xhg,横向倾覆平衡条件分析：,稳定力矩：,稳定、平衡条件：,汽车在平曲线上行驶时，不产生横向倾覆的最小平曲线半径R min：,3.横向滑移条件分析,横向滑移：汽车在平曲线上行驶时，因横向力的存在，可能使汽车沿横向力的方向产生横向滑移。横向力大于轮胎和路面之间的横向附着力。,极限平衡条件：,横向滑移稳定条件：,4横向稳定性的保证,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b2hg，而
18、h0.5,即,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现象。在道路设计中只要保证不产生横向滑移现象发生，即可保证横向稳定性。 保证横向稳定性的条件：,三、汽车行驶的纵横组合向稳定性,汽车行驶在小半径平曲线上时，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。,汽车行驶在纵坡为i(tg)和超高横坡为ih（tg）的下坡路段上，作用在前轴上荷载W1为,离心力F分配在前轴上的荷载W2为,在平直路段上，作用于前轴的荷载W为,前轴总荷载W为 :,在有平曲线的坡道上，前轴荷载增量与
19、W的比值为,对载重汽车，一般hg/l21，则,直坡道上ih0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。在曲线上如果也以直线上相同大小的最大纵坡imax作为控制，则有下式成立,纵坡折减：,最大纵坡在平曲线上的折减计算方法：,第五节 汽车的制动性,汽车的制动性是指汽车行驶中强制降低车速以至停车且能维持行驶方向和在下坡时能保持一定速度行驶的能力。 一、汽车制动性的评价指标 评价汽车制动性的指标：制动效能（制动距离）制动效能的恒定性制动时汽车的方向稳定性 二、制动距离 制动距离是汽车从制动生效到汽车完全停住，这段时间内所走的距离。,汽车制动时，制动力P取
20、决于轮胎与路面之间的附着力。在附着系数较小的路面上，若制动力大于附着力，车轮将在路面上滑移，易使制动方向失去控制。所以P值的极限值为P = G 汽车在部分滑动部分滚动的情况下附着力最大。 制动平衡方程式为 ：-P = RW + RR + RIP + RR + RI = 0 （忽略空气阻力）,1.制动平衡方程式,2.制动距离,制动距离：,汽车完成运输工作所消耗的燃油量称为燃油消耗量，燃油经济性的评价指标通常用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。 已知发动机的功率P和转速n后，可在发动机台架试验获得的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。,第六节 汽车的燃油经济性,汽车以等速V在道路上行驶时，每百公里所做的功w为 ：,则百公里消耗量Q为：,
