第2章_汽车行驶理论

第2章汽车行驶理论2.1概述2.2汽车的牵引力及牵引力平衡2.3汽车在道路上行驶的稳定性2.4汽车的制动性能2.5汽车在道路上的行驶轨迹复习思考题2.1概述公路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的，因此，在公路线形设计时，就必须弄清汽车行驶对公路的要求是什么，而要弄清这一问题，又需要了解汽车在公路上是怎样行驶的，这就是汽车行驶理论所需要研究的问题。1、研究汽车行驶理论的意义公路是一种线形的交通运输工程结构物，主要供汽车行驶，因此，必须了解汽车的性能及其行驶对公路的要求。汽车行驶理论是一门在分析汽车行驶基本规律的基础上，研究汽车行驶原理、使用性能和行驶性能的学科。通过上述研究，进一步分析影响汽车使用和行驶性能的各种因素，就可最大限度地从汽车构造、公路设计以及其它行车条件等方面发挥汽车的使用效益。汽车行驶总的要求是安全、迅速、经济与舒适。要满足汽车在公路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就必须从驾驶者、汽车、公路和交通管理等方面来保证。就公路线形设计方面讲，主要从以下几方面来保证。①保证汽车在路上行驶的稳定性，即保证安全行车，不发生翻车、倒溜或侧滑。因此需要在研究汽车行驶过程中的力系的平衡条件、分布情况和行车稳定性等的基础上，合理设置纵、横坡度和弯公以及提高车轮与路面间附着力。②尽可能提高车速。评价运输效率的指标是汽车运输生产率和运输成本，平均技术速度是主要影响因素之一。为了提高车速，就需要充分发挥汽车行驶的动力性能，因此在公路设计时必须严格控制曲线半径、最大纵坡及坡长，合理设置超高和缓和曲线，并尽可能地采取大半径曲线及平缓的纵坡。③保证公路上的行车畅通。为保证公路上行车不受阻碍或受尽量小阻碍，公路线形设计需要保证平面上有足够的视距，纵断面上应正确设计竖曲线，横断面上应有足够的通行宽度。此外，还应尽可能地减少平面交叉以及采取增加交通安全和防止公害等措施。④尽量满足行车舒适。线形设计时，需要正确地组合平面线形和纵面线形，以增进驾驶者和乘客在视觉上和心理上的舒适感，采用符合视觉舒顺要求的曲线半径，注意线形与景观的协调、沿线的植树绿化等。如上所述，公路的线形设计与汽车行驶时各主要性能是密切相关的，因此汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础，是制定公路线形几何标准（如平曲线半径、纵坡坡度等）的理论依据。掌握应用汽车行驶理论对于指导公路线形设计、研究和制定公路技术标准有着重要意义。2.汽车的行驶性能1）动力性能：指汽车所具有的牵引力所决定的汽车加速、爬坡和最大速度的性能。汽车的动力性能越好，就会有较高的车速、较好的爬坡能力和加速能力。通过性（又称越野性）：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。2）制动性：指汽车强制停车和降低车速的能力。汽车制动性能的好坏，直接关系到行车安全，制动性能好，汽车才能以较高的车速行驶。3）行驶稳定性：指汽车遵循驾驶者指定方向行驶的能力。汽车行驶稳定性直接关系到行车的安全。4）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、乘车舒适性、运货完整性等有很大影响。5）操纵稳定性：指汽车是否按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。2.2汽车的牵引力与牵引力平衡1.汽车行驶中的受力分析汽车在道路路面上行驶时，汽车牵引力将克服行驶阻力，并受到弯道超高、加减速、制动、路面凹凸不平等因素的影响。汽车运动时所受的力可分为：（1）路面摩擦力，由汽车轮胎与路面接触而产生。司机可通过加速、制动而改变作用力，以控制汽车的运行。（2）因路面凹凸不平而产生的力，包括垂直方向及前后、左右的力，它恶化了汽车的耐久性和平顺性，影响了行驶的稳定性。（3）由于路面结构而产生的力，包括路拱（超高）侧向力、由于路面形状而产生的力、弯道引起的力。汽车行驶中受力情况与汽车的运动状态有密切的关系。汽车的运动状态可分为直线行驶和曲线行驶，下面分别对两种状态下汽车行驶中受力情况进行简单分析。（1）汽车在直线上行驶图2-1所示为后轴启动的双轴汽车，在直线坡道上作上坡加速行驶的受力情况。汽车加速上坡行驶时之惯性力及重力平行于路面的分力（即坡度阻力）作用在汽车的重心上，作用方向与汽车行驶方向相反。空气阻力可视为作用在汽车正面风压中心的集中力。此外，在汽车上尚有汽车重力垂直于路面之分力。作用在汽车上的力除上述的外，还有路面对汽车的反作用力；汽车车轮上的法向反作用力Z1及Z2，它与接触面垂直，并通过车轮中心；滚动阻力矩Mf1及Mf2，其作用方向与车轮回转方向相反，由前所述知滚动阻力矩值为sinaGdtdvgGagCwPcosaGkfrfZM11kfrfZM22汽车车轮上的切向反作用力X1及X2作用在车轮与路面的接触面上，并与车轮接触面的切线方向一致，从动轮的切向反作用力X1的作用方向与汽车行驶方向相反，而驱动轮的切线反作用力的作用方向则与汽车行驶方向相同，惯性力矩MJ1及MJ2的作用方向与车轮的回转方向相反。如果将汽车的诸作用力分别对前轮接地点及后轮及地点取矩，并考虑到GasinGacosGaZ2Pj1Z1Mf1X1PwMj1Mf2iX2Mj2图2-1汽车直线上坡行驶的受力示意图cos21aGZZfGfGPakfcoskfkakffrPrfGrfZZMMcos)(2121则（2—1）LhPMMhPhGfrLGZwwjjgjgaka21121sin)(cosLhPMMhPhGfrLGZwwjjgjgaka21112sin)(cos（2—2）由以上式（2-1），（2-2）可知，当汽车行驶时，作用在汽车前后轮上的法向反作用力不仅与汽车结构参数（如、L1、L2、hg、等）有关，而且随汽车运动情况而变化。汽车在上坡行驶时，反作用力Z1减小，而Z2增大；下坡行驶时，则相反。空气阻力使反作用力Z1减小，而Z2增大，其差别随风压中心高度的增高而加大。作用在汽车前轮（从动轮）的切向反作用力X1为kjrMfZX/111（2—3）而作用在汽车后轮（驱动轮）的切向反作用力X2为fZrMMXkje222（2—4）BGacosGasinZ1PgysinY1Y1PjycosCgZ1hs图2-2汽车在横坡道上曲线行驶的受力图（2）汽车在曲线上行驶图2-2所示为汽车在有横坡的道路上作曲线行驶的受力情况。图中汽车的重力和惯性力作用在汽车的重心Cg上，由于横坡的存在，此时作用在汽车上的侧向力除力外，尚有汽车重力平行于路面的分力。如对汽车左边车轮与公路接触面中点的连线取矩，则可得+aGjyPjypcosaGsincos2BGa0cossin2sinBZhPBPhGrgjyjyga解上式可得汽车右轮上所受的法向反作用力BhPBPhGBGZgjyjygaarcossin2sincos2（2—5）同理可得汽车左轮上所受的法向反力BhPBPhGBGZgjyjygaarcossin2sincos2（2—6）LfGasinPjycosLbCsYfMjz图2-3汽车曲线行驶的侧向力和反作用力图2-3所示为汽车在有横坡的公路上作曲线行驶时的受力情况（俯视图），图中除侧向力及惯性矩MJZ外，其它作用力及反作用力均未绘出。如对汽车后轴中心取矩，则按平衡条件可得0cossinjzbjybafMLPLGLY解上式可得作用在汽车前轴车轮的侧向反作用力LMLGLPYjzbabjyfsincos（2—7）同理可得作用在汽车后轴车轮的侧向反作用力为LMLGLPYjzfafjybsincos（2—8）式中：MJZ——汽车在曲线上行驶时之惯性力矩。2.牵引力的产生及传递汽车的行驶需要克服各种行驶阻力，因而必须具备足够的动力—牵引力，汽车行驶时牵引力来自内燃发动机。燃料在发动机内燃烧，将热能转变为机械能，因此牵引力取决于发动机的性能。1．（1）表征汽车发动机特性的基本指标①有效功率有效功率指汽车在单位时间内所具有的做功的能力，单位为千瓦（KW）。不同的汽车，发动机性能不同，所发出的有效功率也不同。如在发动机转速为3000时，不同汽车发动机所发出的最大功率分别为：解放CA—141，Nmax=99KW/3000r（135马力）；黄河JN—150，Nmax=117.6kw/1800r；红旗小轿车CA-772，Nmax=161.8KW/4000r。（②转速转速是指发动机曲轴单位时间内的旋转次数，用每分钟转数（r/min）为单位。转速的大小影响汽车行驶的快慢。（③扭矩扭矩是指汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩，用牛顿米（N.m）为单位。汽车发动机扭矩的大小，决定了汽车产生牵引力的大小。④转动角速度指单位时间内发动机曲轴转动的角度，单位是弧度/秒（rad/s）。（2）发动机有效功率Ne和曲轴扭矩Me的关系发动机内燃料燃烧产生的热能，通过活塞、曲轴转化为机械能，产生有效功率，驱使曲轴以每分钟的转速旋转，产生扭矩，再经过一系列的变速、传动，在驱动轮上产生扭矩推动汽车前进。由功率的基本功式：eNeneMkM1000/eeMN60/2en9549/)601000/(2eeeeenMnMNeeenNM9549即或（2—9）如将发动机所发出的功率、扭矩以及单位燃料消耗量与发动机曲轴的转速之间的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机转速特性曲线，或发动机特性曲线。如果此曲线是当节气阀全开（或最大供油量）时所得，则称为发动机外特性曲线。而在节气阀部分开启（或部分供油量）时所得的曲线，则称为发动机的部分负荷特性曲线或发动机的节流特性曲线。nminnMnNMe(N.m)Ne(Kw)Mne(r/min)nmaxN图2-4某汽油发动机的外特征曲线示意图当研究汽车牵性能时，在发动机特性图上可省去单位燃料消耗量。如图2-4所示为某一汽油发动机的外特性曲线。图中为发动机的最小稳定工作转速，随着转速的提高，发动机所发出的扭矩和功率都在增加。当曲轴转速为时，发动机扭矩达到最大值，如进一步提高曲轴转速则发动机扭矩将下降，但发动机功率仍将继续增加，直至其最大值。如再继续提高曲轴转速，则发动机所发出的功率由于汽缸充气恶化，机械损失等原因将逐渐降低。此时发动机的磨损甚为剧烈，故一般发动机设计均使其最大转速不大于最大功率时转速的10~25%。minnMnmaxMmaxN（3）驱动轮扭矩及牵引力kMtP汽车的动力传递为：动力扭矩（发动机）离合器变速箱传动轴（万向节头轴）主传动器及车轴驱动轮，即发动机曲轴扭矩通过离合器、变速箱，随所用排挡的变速比和机械效率，传至万向节头轴上的扭矩为，此时。万向节头轴上的扭矩再传至主传动器，并随主传动器的减速比率及机械效率，经车轴传到驱动轮上的扭矩为，此时，取有。eMkiknMkkeniMMnM0i0kM0000kkenkiiMiMM0kMMkekiiMM0汽车行驶时，共受以下几个力（如图2-5）：作用于汽车驱动轮上的扭矩，汽车重力G及与之相平衡的反力，行驶阻力T，路面水平反力F。驱动轮上的扭矩可用一对力偶和P代替，P作用在轮缘上与路面水平反力F平衡，作用在轮轴上推动汽车前进，与汽车的行驶阻力抗衡。所以kM'GkMtPtPkMkekktriiMrMP010006020iinrVkek)/(377.00hkmiirnkke又=所以有牵引力)(3600377.0NVNMVnPMeMeet如果要求汽车具有较大的牵引力，则必须采用较大的变速比ik.i0，但ik.i0随着的增大，车速V会降低，因此汽车设有几个排档，各档具有固定的变速比或最大速度值。采用低速档，能获得较大的牵引力和较低车速，采用高速档，能获得较高的车速和较小的牵引力。图2-5驱动轮的受力分析GFGMkTVGPtFGPTVrkPt2P