道路勘测设计-汽车行驶特性

第二章汽车行驶理论内容提要1)汽车的动力特性2)汽车行驶的稳定性3)汽车的制动性1.汽车的动力特性牵引力来源——燃料在发动机内燃烧，将热能转变为机械能，产生有效功率Ne，使发动机的曲轴上具有扭矩Me，Me通过传动系统传到驱动轮，产生牵引力，推动汽车以一定的速度行驶。1）汽车发动机的外特性曲线发动机特性Ne=Me·ω/1000ω=2πne/60Ne=Me·ne/9549式中Ne——发动机有效功率，kW；Me——发动机曲轴扭矩，N·m；ne——发动机曲轴转速，r/min；ω——发动机曲轴转动角速度，rad/s。（1）汽车的牵引力图2-1某汽油发动机外特性曲线示意图nemin(KW)Ne(Nm)Mene(r/min)nMnNnemaxMeNe汽油发动机外特性曲线（油门一定）1.汽车的动力特性油门全开时，对应的汽车发动机特性曲线称为外特性曲线。发动机外特性曲线估算公式：1）汽车发动机的外特性曲线Ne=Nemax〔32)()(NeNeNennnnnn〕Me=Memax－22max)()(eMMNPennnnMMMP——最大功率时相应的扭矩。1.汽车的动力特性2）牵引力与曲轴扭矩的关系发动机扭距的传递若变速箱的速比ik，机械效率为ηk若变速箱的速比i0，机械效率为η0车轮上的扭距：Mk=Me·i0·ik·η0·ηk=Me·i0·ik·ηm牵引力Pt与Me的关系（1）汽车的牵引力图2-2驱动轮受力分析FGlGl行驶方向PGMkPtFGPrkPkPt=kkrM=kmkeriiM01.汽车的动力特性3）车速与曲轴扭矩的关系得到Pt与V的关系曲线（1）汽车的牵引力V=1000602kknr=kekiinr0377.0kekiinn0图2-3汽车的牵引特性图PtVPt2Pt3Pt4Pt1汽车的牵引特性图Pt与V成反比，所以起车时V小，Pt大；上坡时V小，Pt大。不同的档位，ik不同。1.汽车的动力特性汽车运动时需要不断克服运动中所遇到的各种阻力。滚动阻力Pt——来自路面；空气阻力Pw——来自汽车周围的空气；坡度阻力Pi——汽车上坡行驶时，所需克服的汽车重力在平行于路面方向的分力；惯性阻力Pj——汽车加速行驶时，所需克服惯性的阻力。1）滚动阻力车轮是弹塑性体同样的变形，加力时，力大；卸力时，力小。（2）汽车的行驶阻力GkAlBE0DCGk0EBCDA(a)(b)弹塑性体的受力特性变形外力1.汽车的动力特性滚动阻力矩行驶时，为克服滚动阻力所需的推力对汽车而言是一种行驶阻力，称为滚动阻力。——滚动阻力系数，单位车重所需的推力，与路面性质、粗糙度和轮胎有关。对整个汽车：在斜坡上：1）滚动阻力a(a)bzrka(b)bxGkT1zMfGk行驶方向axT1aGMkffGraGrMPkkkkfffPkraf/fGPafcosfGPafα——道路纵向的坡度角。1.汽车的动力特性汽车在坡道上行驶时，汽车的重力在平行路面上的分力，称为坡度阻力。“+”表示汽车上坡行驶，阻碍汽车行驶；“－”表示汽车下坡行驶，与汽车行驶方向相同，形成坡度阻力。坡度α小，一般不超过10°，可用tanα代替sinα，所以有：2）坡度阻力hPiaLhgαsbGa图2-8汽车的坡度阻力sinaiGptanshiiGGPaaitan1.汽车的动力特性压差阻力：55～60%；干扰阻力：12～18%；冷却系阻力：10～15%；摩擦阻力：8～10%；诱导阻力：5～8%；3）空气阻力nHWvFCPPW—空气阻力；C—流线型系数；ρ—空气密度；F—汽车迎风面面积；vH—汽车与空气的相对速度；n—随车速变化的指数，当vH1m/s，n＝1；1vH330m/s，n＝2；vH330m/s，n＝3。13/22KFVKFvPW常用汽车的速度代替空气与汽车的相对速度：对于挂车：13/2.012KFVnPW1.汽车的动力特性平移质量的惯性阻力：回转部件惯性力矩：回转部件惯性阻力：4）惯性阻力dtdvgGPaj1dtdJMeejedtdJMkkjkJe—发动机飞轮转动惯量；—和全部车轮的转动惯量。kJ仅在改变运行状态（加、减速）时才有。kkkkmkeejrdtdJriidtdJP02dtdiidtdkke0dtdvrdtdkk1dtdvrJriiJgGPPPkkkmkeajjj2220221则：其中：称：220221kmkeakkariiJGgrJGg为汽车回转质量换算系数。则：dtdvgGPaj1.汽车的动力特性汽车行驶的条件——牵引力不小于行驶阻力：（3）汽车的行驶条件jwiftPPPPPdtdvgGKFViGfGriiMaaakmke1320将各力计算公式代入，有：1）汽车行驶的必要条件（驱动条件）jwiftPPPPP2）汽车行驶的充分条件（附着条件）GPt汽车行驶的充要条件GPPPPPjwift1.汽车的动力特性（3）汽车的行驶条件3）道路摩擦系数φ相关因素：与路面的粗糙程度、潮湿泥泞程度、轮胎花纹和气压、车速、荷载重量等因素有关。增大φ值的方法：路面粗糙；干燥；轮胎内压小、变形大、接触面大；减小车速；改变轮胎花纹，增大φ；增大荷载。3）对道路的要求纵坡尽量平缓；路面平整、粗糙，作好排水。1.汽车的动力特性牵引平衡方程可写为：单位车重具有的牵引力：动力因数：道路阻力系数：（4）动力因数及动力特性图dtdvgGiGfGPPaaawtdtdvgifGPPawt令：awtGPPD称为动力因数。含义：某型汽车在海平面高度上，满载情况下，单位车重所具有的后备牵引力（单位车重所具有的牵引潜力）。当汽车作等速行驶时，，则，0dtdvifD仅与道路状况和坡度有关，称为道路阻力系数。1.汽车的动力特性动力特性图——动力因数D与车速V之间的关系曲线。（4）动力因数及动力特性图图2-10988EL/988EL－1型车动力特性图1.汽车的动力特性海拔荷载系数λ——对不同海拔、荷载下的动力因数进行修正：ξ——海拔系数；Ga——满载时汽车重力，N；GT——实际装载时汽车重力，N。动力因数计算公式改写为：受附着系数限制的动力因数：（4）动力因数及动力特性图TaGGdtdvgdtdvgfDdtdvgD1或awGPGDD与φ、V有关，当φ取一定值时，D与V有关。1.汽车的动力特性1）道路条件一定时的最高车速——在良好的路面条件下，稳定行驶的汽车所能达到的最大行驶速度。此时，2）临界速度——某一排挡时，最大动力因数Dmax对应的速度称为该档的临界速度Vk。汽车行驶速度大于Vk，称为稳定状态；汽车行驶速度小于Vk，则需换档行驶，称为不稳定状态。（5）车速特性VkV2D1DmaxDDd21caVVmaxVcV1ifdtdvgifD1.汽车的动力特性3）最高车速Vmax——最高档位对应的最高车速；——定义：油门全开，汽车满载（不带挂车）在路面平整坚实的平直路段上，以直接档稳定行驶时所能达到的最大速度。（几种国产汽车的最高车速）4）最小稳定速度Vmin——汽车满载（不带挂车）在路面平整坚实的平直路段上，以最低档（Ⅰ档）行驶时的临界速度，而且以该速度行驶时，传动系不发生颤动或敲击声，在突然踏下加速踏板时发动不熄火。（5）车速特性汽车稳定行驶的速度在Vmin与Vmax之间1.汽车的动力特性1）最大爬坡坡度（6）汽车的爬坡性能dtdvgifD爬坡稳定行驶时0dtdvifD，则低档时，汽车爬坡能力大，坡度角α较大，，，上式还原为sincosmaxfD1cositansin解得，222maxmaxmax11arcsinffDfD则汽车的最大爬坡度为，maxmaxtaniV1j1S1i1V2j21.汽车的动力特性2）动力上坡如图，假定汽车用一个排档动力上坡，以速度V1驶入坡段，并以速度V2驶出坡段，则可能克服的坡度i1和相应的坡长S1，可求。设，相应于V1、V2的动力因数值分别为D1、D2，则相应的加速度为平均加速度，即两边同时乘以，积分得（6）汽车的爬坡性能在实际行驶时汽车通常在上坡之前加速，让汽车得到较高的车速，然后利用上坡时的减速惯性力来提高爬坡能力，这种用惯性力克服坡度的方法叫动力上坡。11Dgj22Dgj221jjjV221DDgdtdvdsvdt1.汽车的动力特性结论：当i1值大时，则S1值小；反之，i1值小时，则S1值大。坡长都用“水平距离”表示。2）动力上坡1212221112121121112121221212122021212542225422542222121SVVfDDiifDDVVSSifDDVVSDDgvvdsDDvdvgdsDDgvdvsvv——汽车变速行驶时所能克服的坡长，m——汽车变速行驶时所能克服的坡度式中，V1—取某一档位时的最大速度；V2—取某一档位时的临界速度。2.汽车行驶的稳定性汽车本身的结构参数重心位置、钢板弹簧的刚度、轮胎性能、前后悬架形式、制动性能等。驾驶者的操作过程注意力集中程度、技术熟练程度等。其它因素装载是否正确、道路坡度、路面状态、汽车行驶的惯性力等。影响汽车行驶稳定性的因素2.汽车行驶的稳定性1）纵向受力分析（1）纵向稳定PwhwMj1Mj2X1Z1GacosαGaX2αZ2Mf2Mj2PiCgPj1hgLL1L2受力：惯性阻力Pj1；坡度阻力Pi；汽车重力Ga；空气阻力PW；回转惯性力矩Mj1及Mj2；车轮上的法向反作用力Z1及Z2；滚动阻力矩Mf1及Mf2。就纵向稳定性，汽车上陡坡时最为不利。此时，常以低速度行驶，则坡度阻力主要，Mj1、Mj2、Mf1、Mf2、Pw、Pj1等可略去不计。将其余作用力分别对汽车前轮接地点及后轮接地点取矩，有21cosLGhPLZagi12cosLGhPLZagisinaiGP因LhGLGZgaasincos21LhGLGZgaasincos122.汽车行驶的稳定性2）纵向倾覆上坡时，临界条件Z1＝0，有（1）纵向稳定0sincos020gaahGLGghL20tan当公路坡度角α〉临界坡度角α0时，汽车失去控制并可能绕后轴倾覆。下坡时，临界条件Z2＝0，有ghL10tan一般汽车均有，因此，只要满足汽车上坡时不后倾，就可满足汽车下坡时不前翻。所以，只需保证：21LLghL20tan2.汽车行驶的稳定性3）纵向倒溜当道路坡角过大，路面对轮胎的切向反作用力小于坡度阻力时，汽车驱动论将发生滑转而倒溜。临界状态：（1）纵向稳定2sinZGra——汽车驱动轮不发生滑转时，公路纵向的极限坡度角。ragrGGLLhLL11tan将Z2计算公式代入，得需要保证r2.汽车行驶的稳定性4）纵向稳定性的保证（1）纵向稳定纵向倾覆比纵向倒溜更加危险。如果，汽车在上坡行驶时发生倒溜的现象先于倾覆出现，这样就避免了汽车的纵向倾覆。因此设计汽车时，应满足，即0r0rgghLhLL21ghL2LLL21一般的载重汽车满载时，，而φ值在不利状态下：泥泞时为0.2，冰滑时为0.1，代入上式，则泥泞时：冰滑时：这是今后要讨论的公路极限纵坡、超高横坡、合成坡度等指标值确定的理论依据之一。79.0