汽车的运行特点

33汽车运行特点道路是为汽车行驶服务的，要满足汽车在道路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就必须从驾驶者、汽车、道路、和交通管理等方面来保证。在上述因素中，道路的线形设计与汽车行驶特性最为密切。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，这是道路线形设计的理论基础。道路线形设计要保证：1保证汽车行驶的稳定性，即保证安全行车，不翻车、不倒溜、不侧滑，这就需要合理设置纵横坡度、弯道，以及保证车轮与地面的附着力等。2尽可能提高车速。3保证道路行车畅通，即保证汽车不受阻或少受阻。这就需要有足够的视距和路面宽度、合理地设置平竖曲线，以及减少道路交叉等。4尽量满足行车舒适，即采用符合视觉舒适要求的曲线半径，注意线形与景观的协调、沿线的植树绿化等。本章主要介绍汽车的驱动力和行车阻力，汽车的动力特性，汽车的行驶稳定性、制动性和燃油经济性。在表2－1中列出了几种有代表性的国产汽车的主要技术性能。第一节汽车的驱动力及行驶阻力34一、汽车的驱动力汽车在道路上行驶时，必须有足够的驱力来克服各种行驶阻力。汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机，其传力过程如下：在发动机里热能转化为机械能→有效功率N→曲轴旋转（转速为n），产生扭矩M→经变速和传动，将M传给驱动轮，产生扭矩MK→驱动汽车行驶。1发动机曲轴扭矩M如将发动机的功率N、扭矩M与曲轴转速n之间的函数关系以曲线表示，则该曲线称为发动机特性曲线。如果发动机节流阀全开，即高压油泵在最大供油量位置，则此特性曲线称为发动机外特性曲线；如果节流阀部分开启，即部分供油，则称此特性曲线为发动机部分负荷特性曲线。在进行汽车驱动性能分析时，只需研究外特性曲线（参见图2－1），nmin为发动机的最小稳定工作转速。随着曲轴转速的增加，发动机发出的功率和扭矩都在增加。最大扭矩MMAX时的曲轴转速为nM，若转速再增加时，扭矩M有所降低，但功率N继续增加，一直到最大功率NMAX，此时曲轴转速为nN。当转速继续增大时，功率N下降，直到允许的发动机最高转速为nMAX。对于不同类型的发动机，其输出的功率不同，故产生的扭矩也不同。它们之间的关系如下：9549MnN35式中：M―――发动机曲轴的扭矩（N.m）；N―――发动机的有效功率（KW）；n―――发动机曲轴的转速(r/min)。把扭矩M与转速n之间的函数关系M=M(n)称为扭矩曲线，而把功率N与转速n之间的函数关系N=N(n)称为功率曲线，并通过上式可以使它们相互转换。通常情况下，上述两条曲线已由厂家绘于发动机的技术说明书中，图2－2为东风EQ－104型汽车发动机的外特性曲线。有时未给定发动机特性曲线，只给出最大功率NMAX及其对应的曲轴转速nN，则可通过下面的经验公式近似地计算发动机的功率曲线N=N(n)，即：式中：Nmax―――发动机的最大功率（KW）；nN―――发动机的最大功率所对应的转速(r/min);α1、α2、α3―――与发动机类型有关的系数，对汽油发动机可近似地取α1＝α2＝α3＝1。然后，按前面的公式换算成扭矩曲线M=M(n)。如果同时给定最大功率NMAX及其对应的曲轴转速nN，以及最大扭矩MMAX及其对应的曲轴转速nM，则可用下式直接计算扭矩曲1)-(2(N.m)9549nNM2)-(2(KW)33221maxNNNnnnnnnNN36线M=M(n)，即：式中：Mmax―――最大扭矩(N.m);MN―――最大功率所对应的扭矩，即nN―――最大功率所对应的转速(r/min);nM―――最大扭矩所对应的转速(r/min);n―――转速(r/min)。2驱动轮扭矩MK汽车车轮分为驱动轮和从动轮。驱动轮上有发动机传来的扭矩MK，在MK的作用下驱使车轮滚动向前。而从动轮上无扭矩作用，它的滚动是驱动轮上的力经车架传至从动轮的轮轴上而产生运动。一般汽车均系前轮为从动轮，后轮为驱动轮。只有某些特殊用途的汽车前后轮均为驱动轮。汽车发动机曲轴传至驱动轮上的扭矩按下式计算，即：式中：MK―――驱动轮扭矩(N.m);M―――发动机曲轴扭矩(N.m);γ―――总变速比，γ＝i0ik；i0―――传动器变速比，见表2－1；iK―――变速箱变速比，见表2－1；3)-(2(N.m)22maxmaxnnnnMMMMMMNN4)-(2TKMM(N.m)9549maxNNnNM37ηT―――传动系统的机械效率，一般载重汽车取0.80~0.85,小客车取0.85~0.95。此时，驱动轮上的转速nK=n/γ,相应的车速V为式中：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)，即变形直径，它与内胎气压、外胎构造、路面刚性与平整性、以及荷载有关，一般取r=(0.93~0.96)r0；r0―――未变形直径，见表2－2。3汽车的驱动力如图2－3所示，汽车行驶时，共有以下几个力：作用于驱动力上的扭矩MK，在驱动轮上的汽车重力G以及与之相平衡的反力G/,行驶正面阻力和路面水平反力。把驱动轮上的扭矩MK用一对力偶Ta和T代替，Ta作用在轮缘上与路面水平反力F相抗衡，T作用在轮轴上推动汽车前进，称为驱动力（或牵引力），与汽车行驶阻力R相抗衡。驱动力可按下式计算，即由上式可以看出，如要获得较大的驱动力T，必须要有较大的总变速比γ。担γ增大，车速V就降低。因此，对同一汽车发动机而言，要同时得到较大的驱动力和较高的车速是不可能的，二者不可能6)-(2377.0TTkMVnrMrMT5)-(2377.01000602nrnrV38兼得。为此，对汽车设置了几个排挡，每一排挡都具有固定不变的总变速比，以及该排挡下的最大车速和最小车速。当使用低排挡时，变速比γ值较大，驱动力T也大，但车速V较小；而使用高排挡时，变速比γ值较小，驱动力T也较小，但车速较大。上式为驱动力T与扭矩M之间的函数关系式。同样，根据式（2－1）可推导出驱动力T与功率N之间的关系式为：二、汽车的行驶阻力汽车在行驶过程中需要不断克服各种阻力，这些阻力有的来自空气的阻力，有的来自道路摩擦力，有的来自汽车上坡行驶时产生的阻力，有的来自汽车变速行驶时克服惯性的阻力，这些阻力可以分为空气阻力、道路阻力和惯性阻力，下面分述之。1空气阻力汽车在行驶过程中所受的空气阻力主要包括：（1）迎面空气质点的压力；（2）车后真空吸力；（3）空气质点与车身表面的摩擦力。现代汽车行驶速度高，空气阻力对汽车行驶的动力性和燃油经济性影响较大，当行驶速度在100km/h以上时，有时一半功率用来克服空气阻力。由空气动力学的研究与试验结果可知，空气阻力RW可以用下式7)-(23600TVNT39计算：221vKARW式中：K―――空气阻力系数，参见表2－3；ρ―――空气密度，一般ρ＝1.2258(N.s2/m4);A―――汽车迎风面积，即正投影面积（m2）；V―――汽车与空气的相对速度(m/s)，可近似地取汽车行驶速度。将车速V(m/s)化为V(km/h)，并化简得：15.21/2KAVRW(2-8)对于汽车挂车的空气阻力，一般可按每节挂车的空气阻力为其牵引车空气阻力的20％计算。2道路阻力由道路给行驶的汽车产生的行驶阻力，主要包括滚动阻力和坡度阻力。（1）滚动阻力车轮在路面上滚动所产生的阻力，称为滚动阻力。它是由路面和轮胎变形引起的，与路面种类、状态、车速、轮胎结构及充气压力等有关。一般情况下，滚动阻力与汽车的总重力成正比，若坡道倾角为α时，其值可按下式计算：cosGfRf由于坡道倾角一般较小，认为0.1cos,则(N)GfRf40式中：Rf―――滚动阻力(N)；G―――车辆总重力(N)；f―――滚动阻力系数，见表2－4。（2）坡度阻力汽车在坡道倾角为α的道路上行驶时，车重G在平行路面方向的分叐力为sinG，上坡时它与汽车前进方向相反，阻碍汽车的行驶；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：sinGRi因坡道倾角一般较小，认为itgsin，则GiRi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。道路阻力为滚动阻力与坡度阻力之和，可按下式计算：ifGRR(2-9)式中：RR―――道路阻力(N)；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力和惯性力矩，统称为惯性阻力。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。在汽车变速运动时，平移质量产生惯性力，旋转质41量产生惯性力矩。平移质量的惯性力agGmaRI1旋转质量的惯性力矩dtdIRI2式中：I―――旋转部分的转动惯量；dtd―――旋转部分转动时的角加速度。汽车旋转部分较多，且各部分的转动惯量和角加速度各不相同，计算相当复杂。为简化计算，一般给平移质量惯性力乘以大于1的系数δ，来近似代替旋转质量惯性力矩的影响，即：agGRI＝(N)(2-10)式中：RI―――惯性阻力(N)；G―――车辆总重力(N)；g―――重力加速度(m/s2)；a―――汽车的加速度（正值）或减速度（负值）(m/s2)；δ―――惯性力系数，其值可用下式计算2211ki(2-11)δ1―――汽车车轮惯性力影响系数，一般δ1＝0.03~0.05;δ2―――发动机飞轮惯性力的影响系数，一般小客车δ2＝0.05~0.07,载重汽车δ2=0.04~0.05;ik―――变速箱的速比，查表2－1。这样，汽车的总行驶阻力R为IRWRRRR42在上述几种阻力中，空气阻力和滚动阻力永为正值，亦即在汽车行驶的任何情况下都存在；坡度阻力当上坡时为正值，平坡为零，下坡为负值；而惯性阻力则是：加速为正值，等速为零，减速为负值。三、汽车的运动方程式与行驶条件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。当驱动力与汽车总行驶阻力相等的时候，称为驱动平衡。其驱动平衡方程式（即汽车运动方程式）为IRWRRRRT＝（2－12）驱动力可按式（2－6）计算，该式为节流阀全开的情况。如果节流阀部分开启，要对驱动力T进行修正。修正系数用U表示，称为负荷率。即rMUTT式中：U―――负荷率，取U＝80～90％。将有关公式代入式（2－12），则汽车的运动方程为agGifGKAVrMUT15.212(2-13)2汽车的行驶条件汽车在道路上行驶，当驱动力等于总行驶阻力时，汽车就等速行驶；当驱动力大于总行驶阻力时，汽车就加速行驶；当驱动力小于总行驶阻力时，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43RT（2－14）上式是汽车行驶的必要条件，即驱动条件。只有足够的驱动力还不能保证汽车的正常行驶。若驱动轮与路面之间的附着力不够大，车轮将在路面上打滑，不能行进。所以，汽车能否正常行驶，还要受轮胎与路面之间附着条件的制约。即汽车正常行驶的充分条件是驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即KGT（2－15）式中：GK―――驱动轮荷载，一般情况下，小汽车为总重的50~65%;载重汽车为总重的65~80%；φ―――附着系数，查表2－5。第二节汽车的动力特性及加、减速行程汽车的动力性能系指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等性能。汽车的动力性越好，速度就越高，所能克服的行驶阻力也就越大。本节主要介绍汽车的最高速度、最小稳定速度以及汽车的加、减速行程，为道路的纵断面设计提供依据。一、汽车的动力因数为便于分析，将式（2－12）作如下改变IRWRRRT＝－上式等号左端WRT－（即驱动力与空气阻力之差）称为汽车的后备驱动力，其值与汽车的构造和行驶速度有关；等号右端为道路阻力RR与惯性阻力RI之和，其值主要与动力状况和汽车的行驶方式有关，将右端行驶阻力表达式代入，得：44agGifGRTW＝－将上式两端同时除