1、1,主 講：陳 爽 電 話:8752698 QQ: 31554383,道路勘測設(shè)計,2,1學(xué)習(xí)目的： 道路設(shè)計是以滿足汽車行駛的要求為前提的。 汽車運動基本規(guī)律及對公路的要求，指導(dǎo)公路設(shè)計；保證公路的使用品質(zhì)、服務(wù)等級。汽車行駛理論是公路線形設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 2研究內(nèi)容： 研究汽車的驅(qū)動力和行駛阻力； 分析汽車運動的基本規(guī)律； 研究汽車主要動力性能 分析影響汽車主要使用性能的因素。,第二章 汽車行駛性能,3,第一節(jié) 概述,道路運輸?shù)妮d運工具主要為利用燃油（汽油、柴油）、電或其它能源作動力，通過輪胎在各種道路上行駛的車輛，如汽車（客車和貨車等）、無軌電車、各種裝卸載運車輛、摩托車等。道路運輸工程

2、設(shè)施的規(guī)劃和設(shè)計，要考慮并滿足這些設(shè)施的使用對象載運工具的運行特性要求。例如，工程設(shè)施的幾何設(shè)計要能容納車輛在體積尺寸和通行能力方面的使用要求，而工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計則要能經(jīng)受住車輛質(zhì)量的重復(fù)作用等。因此，道路工程的規(guī)劃和設(shè)計人員，雖然不需要了解和掌握運載工具的設(shè)計、制造和使用知識，但必須了解它們的運行特性，以便規(guī)劃和設(shè)計出能滿足其使用要求的各項工程設(shè)施。本章首先介紹車輛（主要是汽車）的類型、尺寸和質(zhì)量方面的知識，而后進一步介紹同工程設(shè)施規(guī)劃和設(shè)計有關(guān)的一些運行特性，如行駛阻力、功率、加速和減速性能以及車輛運行費。,4,一 、車輛類型、尺寸、重量和構(gòu)造,1 車輛類型,汽車可分為客車和貨車兩大類。

3、客車包括小客車（轎車）、面包車、公共汽車（小型、中型和鉸接式）等。貨車可進一步分為卡車（輕型、中型和重型）和組合式貨車（各種拖掛式貨車）兩類。,5,（1） 小客車 小客車為二軸-四輪車輛，可坐26人，主要作為個人交通工具。按重量和尺寸大小，可分為小型、中型和重型三種。其重量變動于6.818kN 范圍內(nèi)；車身長度在3.55.6m之間，前后軸的中心距變動于2.33.1m之間，車身后緣到后軸的長度（后懸距離）為0.61.5m之間；車身寬度為1.62.0m，高度為1.151.65m之間。 （2） 面包車 面包車通常由小客車或輕型卡車的底盤改裝而成，可乘坐615人。 （3） 公共汽車 小型公共汽車通常有

4、1525個座位，供短途運輸用，其車身長約為5.57.6m，寬為2.02.5m。中型公共汽車可為二軸或三軸，車身長912m，寬2.42.6m，約有45個座位。把半掛車固定地聯(lián)結(jié)在二軸中型公共汽車上，便組成鉸接式公共汽車。其長度約為1618m，寬度為2.6m，包括站立乘客在內(nèi)約可容納100人以上。,6,（4）卡車 卡車系指載貨區(qū)和動力設(shè)備裝在共同的車架上不能分開的貨車（圖2-1(a)）。卡車包括二軸四輪（輕型卡車）、二軸六輪、三軸（雙后軸）和四軸（三后軸）卡車四種。輕型卡車的總重量般小于45kN，二軸六輪卡車的總重量大都在45180kN范圍內(nèi)，而三軸和四軸卡車的總重量可高達260300kN。 （5

5、） 組合式貨車 組合式貨車由牽引車或卡車同一個或多個掛車組合而成，可總稱為拖掛車。牽引車和掛車通過鉸接方式聯(lián)結(jié)時，彼此可相對轉(zhuǎn)動，因而也可稱為鉸接車。組合式貨車的總重量一般可達到400500 kN，通常用于長途運輸。掛車有兩種：后端有一個軸或多個軸但前端無軸的半掛式，其前端放在牽引車的后端上，并把一部分重量傳給前面牽引車；前后各有一個軸或多個軸的全掛式，由卡車或帶半掛車的牽引車拖帶，但不把重量轉(zhuǎn)給前面。,7,各類汽車的外廓尺寸由總長度、寬度和高度組成，它們影響到對道路的車道寬度、凈空和轉(zhuǎn)彎半徑等方面的要求。影響道路幾何設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的其它尺寸參數(shù)還有：車身前緣到前軸的長度（前懸距離）、車身后緣

6、到后軸的長度（后懸距離）、前后軸中心距（軸距）、雙軸中心距、三軸中心距、輪中心距等。,8,軸距,后懸,前懸,9,2 車輛的重量,車輛的重量通過車軸和車輪傳遞給道路和橋梁結(jié)構(gòu)物。汽車前軸的軸型都為單軸，后軸的軸型可采用單軸、雙聯(lián)軸或三聯(lián)軸。前軸兩側(cè)的車輪都由單輪胎組成，而后軸兩側(cè)的輪胎可由單輪胎或雙輪胎組成。 車輛重量大小，主要影響到對道路和橋梁的結(jié)構(gòu)承載能力的要求。重量特性主要由車輛總重和軸重以及軸型和輪型表征。車輛總重或軸重越大，對道路和橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的要求越高，同時，在使用過程中對道路和橋梁的損壞越嚴(yán)重，因而，所建工程的造價（投資）和工程的運營（維護）費用便越高。為了兼顧道路建設(shè)和運營部

7、門及道路使用者雙方的利益和便利，對道路上行駛車輛的總重和軸重的最高值進行定量限制。,10,各國對道路上行駛車輛的最大軸重和總重有不同的限定。單軸最大允許軸重變動于80130kN；雙聯(lián)軸最大允許軸重變動于140210kN；三聯(lián)軸最大允許軸重變動于180270 kN?？ㄜ嚨淖畲笤试S總重變動于240400kN；半掛式和全掛式貨車的最大允許總重變動于360500kN。我國公路部門規(guī)定的單軸最大允許軸重為60kN（每側(cè)單輪胎）或100kN（每側(cè)雙輪胎），雙聯(lián)軸最大允許軸重為100kN （每側(cè)單輪胎）或180kN（每側(cè)雙輪胎），三聯(lián)軸最大允許軸重為120kN（每側(cè)單輪胎）或220kN（每側(cè)雙輪胎）；卡車和

8、單拖掛貨車的最大允許總重為400kN，雙拖掛或三拖掛貨車的最大允許總重為460kN。 我國公路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定具體內(nèi)容在路基路面課程中講述。,11,3 汽車的構(gòu)造,12,傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系、制動系,發(fā)動機、離合器、變速箱、萬向傳動軸、差速器、車輛、驅(qū)動輪、制動器等。,13,機械式傳動系一般組成及布置示意圖,傳動系,1-離合器 2-變速器 3-萬向節(jié) 4-驅(qū)動橋,發(fā)動機發(fā)出的動力經(jīng)離合器、變速器、萬向傳動裝置傳到驅(qū)動橋。在驅(qū)動橋處，動力經(jīng)過主減速器、差速器和半軸傳給驅(qū)動車輪。,14,傳動系：發(fā)動機,外特性曲線 燃料熱能活塞、曲軸機械能作功,15,傳動系：離合器：作用： （1）保證起步時工作平穩(wěn)。 （

9、2）行進中換擋。 （3）傳動系不至于過載。,16,傳動系：變速箱：作用：減速增扭,1-輸入軸 2-軸承 3-接合齒圈 4-同步環(huán) 5-輸出軸 6-中間軸 7-接合套 8-中間軸常嚙合齒輪 此變速器有五個前進檔和一個倒檔，由殼體、第一軸（輸入軸）、中間軸、第二軸（輸出軸）、倒檔軸、各軸上齒輪、操縱機構(gòu)等幾部分組成。,17,傳動系：萬向傳動：作用：柔和接觸、傳動,1-萬向節(jié) 2-傳動軸 3-前傳動軸 4-中間支承,18,傳動系：主傳動器、減速器：作用： 減速、增扭， 動力轉(zhuǎn)90方向。,1-軸承；2-左外殼；3-墊片；4-半軸齒輪；5-墊圈；6-行星齒輪； 7-從動齒輪；8-右外殼；9-十字軸；10

10、-螺栓,19,第二節(jié) 汽車的驅(qū)動力及行駛阻力,一、汽車的驅(qū)動力 汽車的動力來源： 汽車行駛的驅(qū)動力來自它的內(nèi)燃發(fā)動機。 在發(fā)動機里熱能轉(zhuǎn)化成機械能經(jīng)過傳動系變速和傳動，將曲軸的扭矩傳給驅(qū)動輪，產(chǎn)生Mk的扭矩驅(qū)動汽車驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，輪胎對路面產(chǎn)生向后的水平推力，則路面對車輛產(chǎn)生向前的推力，驅(qū)使汽車行駛。,20,汽車傳動系統(tǒng)：,燃料熱能活塞機械能產(chǎn)生有效功率P 曲軸 產(chǎn)生每分鐘n的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生發(fā)動機曲軸扭矩M 離合器變速器傳動軸主傳動器差速器等驅(qū)動輪 產(chǎn)生驅(qū)動輪扭矩MK,21,1、汽車的驅(qū)動力,功率(P)，發(fā)動機功率,單位千瓦(Kw)或馬力（hp）, 1hp = 0.7457 kW. 扭矩(M),表

11、征汽車牽引力的大小,單位牛頓.米或千克.米, 1千克.米=9.8牛頓.米 燃油消耗(ge),發(fā)動機每小時產(chǎn)生每千瓦功率消耗的燃油 量，單位（克/千瓦/小時） 轉(zhuǎn)速(n)，單位 轉(zhuǎn)/分鐘,有一個簡單的公式可以表明功率、牽引力和速度的關(guān)系： 功率 （P)(牽引力)扭矩(M)速度(V),22,發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線（發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線），油門全開時稱發(fā)動機外特性曲線，否則稱發(fā)動機部分負荷特性曲線。,發(fā)動機外特性曲線,功率曲線,扭矩曲線,最小轉(zhuǎn)速,最大轉(zhuǎn)速,汽油發(fā)動機外特性,23,發(fā)動機輸出的功率N與產(chǎn)生的扭矩M的關(guān)系：,(1)發(fā)動機曲軸扭矩M 及發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性,24,式中：Pmax發(fā)動機的最大功率(kW

12、)； nN發(fā)動機的最大功率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（rmin）,發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性經(jīng)驗公式：,式中：Mmax最大扭矩（Nm）； MN最大功率所對應(yīng)的扭矩， nN最大功率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）； nM最大扭矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速(rmin)；,25,發(fā)動機曲軸上的扭矩M經(jīng)過變速箱（速比ik）和主傳動器（速比i0）兩次變速 兩次變速的總變速比為：=i0ik； 傳動系統(tǒng)的機械效率為T1.0； 傳到驅(qū)動輪上的扭矩Mk為： Mk=MT 驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)速nk為：,(2)驅(qū)動輪扭矩Mk,車速V與發(fā)電機轉(zhuǎn)速關(guān)系：,26,(3) 汽車的驅(qū)動力,27,有關(guān)計算的匯總：,(1)M和N的關(guān)系（公式2-1）,(2)r和V的關(guān)系（公式2-5）

13、,(3)T和V的關(guān)系（公式2-6,2-7）,28,2、汽車的行駛阻力,汽車在道路上行駛時須克服各種阻力，如滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、彎道阻力和慣性阻力等。這些阻力一方面與道路的特性有關(guān)，如路面平整程度、坡度、彎道曲率半徑等，另一方面則隨車輛的運行特性而變，如車輛總重、行駛速度、速度變化速率、車身迎風(fēng)面積和外廓線形等。,29,(1)空氣阻力 汽車在行駛中，由于迎面空氣質(zhì)點的壓力，車后的真空吸力及空氣質(zhì)點與車身表面的摩擦力阻礙汽車前進，總稱為空氣阻力。,式中：K空氣阻力系數(shù)，它與汽車的流線型有關(guān)； 空氣密度，一般=1.2258（Ns2m4）； A汽車迎風(fēng)面積（或稱正投影面積）（m2）； v汽車

14、與空氣的相對速度（ms），可近似地取汽車的行駛速度。,30,將車速v（ms）化為V（kmh）并化簡，得,對汽車列車的空氣阻力，一般可按每節(jié)掛車的空氣阻力為其牽引車的20%折算。,31,(2) 道路阻力,道路阻力是由彈性輪胎變形和道路的不同路面類型及縱坡度而產(chǎn)生的阻力，主要包括滾動阻力和坡度阻力。 （1）滾動阻力 彈性輪胎反復(fù)變形時，其材料內(nèi)部發(fā)生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上汽車行駛時汽車的不僅輪胎變形，而且路面也會變形，其接觸面之間產(chǎn)生摩擦要消耗部分功率（路面支反力前移，與車輪重力形成反向力矩）。另外，由于路面的不平整而造成輪胎震動和撞擊引起部分功率的消耗。,32,滾動阻力與汽車的總重力

15、成正比，若坡道傾角為時，其值可用下式計算。 RfGfcos 由于坡道傾角一般較小，認為cos1，則 Rf=Gf （N） 式中：Rf滾動阻力（N）； G車輛總重力（N）； f滾動阻力系數(shù)，它與路面類型、輪胎結(jié)構(gòu)和行駛速度等有關(guān)，一般應(yīng)由試驗確定，在一定類型的輪胎和一定車速范圍內(nèi)，可視為只和路面狀況有關(guān)的常數(shù)，見表2-4。,33,汽車在坡道傾角為的道路上行駛時，車重G在平行于路面方向的分力為Gsin，上坡時它與汽車前進方向相反，阻礙汽車行駛；而下坡時與前進方向相同，助推汽車行駛。坡度阻力可用下式計算 Ri=Gsin 因坡道傾角一般較小，認為sintgi，則 Ri=Gi （N） 式中： Ri坡度阻力

16、 （N）； G車輛總重力（N）； i 道路縱坡度，上坡為正；下坡為負。,（2）坡度阻力,34,RR=G（f+i） 式中：f+i統(tǒng)稱道路阻力系數(shù)。,滾動阻力和坡度阻力均與道路狀況有關(guān)，且都與汽車的總重力成正比，將它們統(tǒng)稱為道路阻力，以RR表示,35,汽車變速行駛時，需要克服其質(zhì)量變通運動時產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩稱為慣性阻力，用RI表示。 汽車的質(zhì)量：平移質(zhì)量 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量,3慣性阻力,平移質(zhì)量的慣性力,旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩,汽車行駛速度變化（加速或減速）時，車輛受到運動慣性阻力的作用。此慣性阻力是車輛重量及加速或減速速率的函數(shù)。,36,慣性阻力計算：,式中：慣性力系數(shù)（或旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)）。 l12i

17、k2 式中：1表示汽車車輪慣性力的影響系數(shù)，一般1=0.030.05； 2表示發(fā)動機飛輪慣性力的影響系數(shù)，一般小客車2=0.050.07，載重汽車2=0.040.05； ik變速箱的速比。,37,式中，Rm為車輛總行駛阻力。在車輛下坡或減速行駛時，式中的坡度阻力或慣性阻力為負值。 由上述各項阻力的關(guān)系式可以看出，除空氣阻力外，其它各項阻力均與車輛的總質(zhì)量成正比；而除了坡度阻力和慣性阻力外，其它各項阻力還與車輛的行駛速度或速度平方成正比。因此，車輛總質(zhì)量和行駛速度是影響行駛阻力大小的兩項最主要的因素。,綜合上述各項阻力，車輛在路上的總行駛阻力為：,38,1汽車的運動方程式 汽車在道路上行駛時，必

18、須有足夠的驅(qū)動力來克服各種行駛阻力。當(dāng)驅(qū)動力與各種行駛阻力之代數(shù)和相等的時候，稱為驅(qū)動平衡。其驅(qū)動平衡方程式（也稱汽車的運動方程式）為 T=R=Rw+RR+RI 代入表達式，汽車的運動方程式為：,三、汽車的運動方程式與行駛條件,39,2汽車的行駛條件,汽車在道路上行駛，當(dāng)驅(qū)動力等于各種行駛阻力之和時，汽車就等速行駛；當(dāng)驅(qū)動力大于各種行駛阻力之和時，汽車就加速行駛；當(dāng)驅(qū)動力小于各種行駛阻力之和時，汽車就減速行駛，直至停車。所以，要使汽車行駛，必須具有足夠的驅(qū)動力來克服各種行駛阻力。即 汽車行駛的必要條件（即驅(qū)動條件） ： TR,40,驅(qū)動力小于或等于輪胎與路面之間的附著力，即 TGk 式中：附著

19、系數(shù)，主要取決于路面的粗糙程度和潮濕泥濘程度，軋?zhí)サ幕y和氣壓，以及車速和荷載等，計算時可按表2-5選用； Gk驅(qū)動輪荷載，一般情況下，小汽車為總重的0.50.65倍，載重車為總重的0.650.80倍。,汽車行駛的充分條件：,41,驅(qū)動輪荷載； 附著力系數(shù),即：同時滿足,條件一：驅(qū)動力大于等于總阻力,條件二：驅(qū)動力小于等于附著力,42,第三節(jié) 汽車的動力特性及加、減速行程,動力特性：能反映汽車動力性能的指標(biāo)。 汽車的動力性能：指汽車所具有的加速、上坡、最大速度等的性能。汽車的動力性愈好，速度就愈高，所能克服的行駛阻力也愈大。 一、汽車的動力因數(shù) 汽車的運動方程式：T = Rw+RR+RI 改變

20、形式， T - Rw= RR+RI 上式等號左端T-Rw稱為汽車的后備驅(qū)動力，T、RW之值均與汽車的構(gòu)造和行駛速度有關(guān)。 代入表達式，,43,令上式左端為D，即,為使不同類型汽車的動力性進行比較，且有相同的評價尺度，將上式兩端分別除以車輛總重G，得,D稱為動力因數(shù)，它表征某型汽車在海平面高程上，滿載情況下，每單位車重克服道路阻力和慣性阻力的性能。,44,當(dāng)?shù)缆匪诘夭辉诤Ｆ矫嫔?，汽車也不是滿載，由于海拔增高，氣壓降低，使發(fā)動機輸出功率、汽車的驅(qū)動力及空氣阻力都隨之降低，所以，應(yīng)對動力因數(shù)D進行修正。方法是給D乘以一個修正系數(shù)，,海拔荷載修正系數(shù):,45,或=（1-2.2610-5H）5.3 其

21、中，H為海拔高度（m）； G滿載時汽車的總重力（N）； G實際裝載時汽車的總重力（N）。,式中：海拔系數(shù)，見圖2-5,稱為動力因數(shù)D的海拔荷載修正系數(shù)，其值為,46,式中：海拔系數(shù)，見圖2-5,47,48,當(dāng)汽車的動力因數(shù)為D，道路阻力為，汽車的行駛狀態(tài)有以下三種情況： 當(dāng)D時： 加速行駛,二、汽車的行駛狀態(tài),由,得,當(dāng)=D時: a0 等速行駛,當(dāng)D時： 減速行駛,式中：道路阻力系數(shù)，,49,平衡速度：任意的D相應(yīng)等速行駛的速度， 用VP表示。 臨界速度：每一排檔最大動力因數(shù)Dmax對應(yīng)的速度，用Vk表示。,50,穩(wěn)定行駛與不穩(wěn)定行駛：P35 汽車的最高速度：是指節(jié)流閥全開、滿載（不帶掛車）、

22、在表面平整堅實水平路段上作穩(wěn)定行駛時的速度。 某一排檔的最高速度Vmax ：,汽車的最小穩(wěn)定速度：是指滿載（不帶掛車）在路面平整堅實的水平路段上，穩(wěn)定行駛時的最低速度（即臨界速度Vk）。,51,某檔動力特性圖,52,最大爬坡度：指汽車在堅硬路面上用最低檔作等速行駛時所能克服的最大坡度。 cos1，sintgi， DImax=fcos+sin 解此三角函數(shù)方程式，得最大坡角：,三、汽車的爬坡能力,汽車的爬坡能力：是指汽車在良好路面上等速行駛時克服了其它行駛阻力后所能爬上的縱坡度。,， a=0，則 i=D-f,53,計算加、減速行程 由ds=vdt，a=dv/dt，得,四、汽車的加、減速行程,設(shè)初

23、速V1，終速V2，則,54,汽車行駛對道路的基本要求：,安全：保證汽車的行駛穩(wěn)定性，避免發(fā)生翻車、倒溜、側(cè)滑等； 迅速：行駛速度平均技術(shù)速度。 經(jīng)濟：運輸成本：低 運輸生產(chǎn)率：高 評價汽車運輸工作效率的指標(biāo)有： 汽車運輸生產(chǎn)率周轉(zhuǎn)率 運輸成本油料及輪胎消耗，保養(yǎng)周期 舒適 視覺上：線形美觀，賞心悅目，自然環(huán)境與景觀設(shè)計 生理上：平穩(wěn)、不顛簸，離心力小 心理上：輕松，有安全感，心情愉快。,第四節(jié)汽車的行駛穩(wěn)定性,55,汽車的行駛穩(wěn)定性是指汽車在行駛過程中，在外部因素作用下，汽車尚能保持正常行駛狀態(tài)和方向，不致失去控制而產(chǎn)生滑移、傾覆等現(xiàn)象的能力。 穩(wěn)定性：縱向 橫向 表現(xiàn)：傾覆滑移,56,縱向穩(wěn)定性： 表現(xiàn)：傾覆 滑移（倒溜）,57,橫向穩(wěn)定