第2章汽车行驶理论s

第二章汽车行驶性能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、汽车的行驶性能的主要内容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，不失去控制而产生滑移、倾覆现行的能力。4、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。5、燃油经济性：指汽车以最少的燃油消耗量完成单位运输工作的能力，使汽车的主要适用性能之一。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、乘车舒适性、运货完整性等有很大影响。7、通过性：指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力。汽车性能越好，其适用范围就越广。二、汽车行驶对路线的要求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。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，将发动机曲轴的扭矩M传给驱动轮，产生驱动轮的扭矩Mk，扭矩Mk驱动汽车驱动轮旋转，轮胎对路面产生向后的水平推力TH，则路面对车辆产生向前的推力T（TH的反力），驱使汽车行驶。汽车传动系统：发动机输出的功率N与产生的扭矩M的关系：ω为角速度（rad/s），ω=2πn/60，则1．发动机曲轴扭矩MmNnNM9549kMnMπrn/MN954910000602TrMkW/MWMN1000将发动机的功率N、扭矩M以及燃油消耗率ge与发动机的转速n之间的函数关系以曲线表示，则该曲线称为发动机外特性曲线。发动机转速特性曲线：东风EQ-140发动机外特性曲线式中：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）发动机转速特性经验公式：)()()(33221maxkwnnnnnnNNNNN功率)()()(22maxmaxmNnnnnMMMMMMNN扭距式中：Mmax——最大扭矩（N·m）；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(r／min)；NmaxNnN9549M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：γ=i0·ik；传动系统的机械效率为ηT1.0；传到驱动轮上的扭矩Mk为：Mk=MγηT驱动轮上的转速nk为：2．驱动轮扭矩Mkγniinnkk0kmnrnrV377.01000602车速V与发电机转速关系：3．汽车的驱动力NηVNMηVn.rMγγrMTTTTk36003770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力F抗衡，T作用在轮轴上推动汽车前进，称为驱动力（或称牵引力）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2wvKA21R式中：K——空气阻力系数，它与汽车的流线型有关；ρ——空气密度，一般ρ=1.2258（N·s2／m4）；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（m／s），可近似地取汽车的行驶速度。将车速v（m／s）化为V（km／h）并化简，得1．空气阻力(N)15.21KAVR2w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。（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。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。这就是产生滚动阻力的原因。（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α时，其值可用下式计算。Rf＝Gfcosα由于坡道倾角α一般较小，认为cosα≈1，则Rf=G×f（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关的常数，见表2-4。汽车在坡道倾角为α的道路上行驶时，车重G在平行于路面方向的分力为Gsinα，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=Gsinα因坡道倾角一般较小，认为sinα≈tgα＝i，则Ri=G×i（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。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RR=G（f+i）式中：f+i——统称道路阻力系数。（2）坡度阻力汽车变速行驶时，需要克服其质量变通运动时产生的惯性力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，它们分别产生：3.惯性阻力平移质量的惯性力旋转质量的惯性力矩agGmaR1IdtdIR2I旋转质量组成部分较多，计算复杂，为方便，一般给平移质量惯性阻力乘以大于1的系数δ，来代替旋转质量惯性力矩的影响。总的惯性阻力为：)N(agGRI式中：δ——惯性力系数（或旋转质量换算系数）。δ＝l＋δ1＋δ2ik2δ1——表示汽车车轮惯性力的影响系数，一般δ1=0.03～0.05；δ2——表示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。汽车的总行驶阻力R为：R=Rw十RR十RI1．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代入负荷率修正系数U，汽车的运动方程式为：三、汽车的运动方程式与行驶条件agGδi)G(f.KAVrMγγUT152122．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T≥R[汽车行驶的必要条件（即驱动条件）]只有足够的驱动力不能保证汽车正常行驶，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。故汽车行驶的充分条件为：驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即T≤Gk第三节汽车的动力特性及加、减速行程动力特性：能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，agG)if(GRTW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ag)if(GRTWGRTDW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，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。D可表示为速度V的二次函数。G15.21KAVGrUMGRGTD2TW也可用曲线表示D与V的函数关系，称为动力特性图。动力因数和动力特性图是按海平面及汽车满载情况下的标准值计算绘制的。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λ。海拔荷载修正系数λ:ag)if(D'GGλ称为动力因数D的海拔荷载修正系数。式中：ξ——海拔系数，见图2-5或ξ=（1-2.26×10-5H）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：ξ——海拔系数，见图2-5当汽车的动力因数为D，道路阻力为ψ，汽车的行驶状态有以下三种情况：当ψ＜D时：加速行驶二、汽车的行驶状态ag)if(D)D(ga由得当ψ=D时:a＝0等速行驶当ψD时：减速行驶0)(Dga0)D(gaλifψ式中：ψ——道路阻力系数，平衡速度：任意的D＝ψ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：WQVPVDkm/hPQVk22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）。3770maxmaxkm/hγrn.V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。cosα＜1，sinα≠tgα＝i，λDImax=fcosα+sinα解此三角函数方程式，得最大坡角：三、汽车的爬坡能力222Im2ImIm11cosarcsinffDfDaxaxaxagδi)(fλD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=λD-f1．加、减速行程计算公式：由ds=vdt，a=d