道路规划与几何设计

道路规划与几何设计同济大学交通运输学院第二章汽车行驶理论本章主要内容（共3次）：一、车辆类型、尺寸、重量和构造（1）二、汽车的驱动力（1）及行驶阻力（2）三、汽车的动力特性及加、减速性能（2）四、汽车的安全稳定性及制动性能（3）五、车辆运行费（3）道路运输的载运工具主要为利用燃油（汽油、柴油）、电或其它能源作动力，通过轮胎在各种道路上行驶的车辆，如汽车（客车和货车等）、无轨电车、各种装卸载运车辆、摩托车等。道路运输工程设施的规划和设计，要考虑并满足这些设施的使用对象——载运工具的运行特性要求。例如，工程设施的几何设计要能容纳车辆在体积尺寸和通行能力方面的使用要求，而工程设施的结构设计则要能经受住车辆质量的重复作用等。因此，道路工程的规划和设计人员，虽然不需要了解和掌握运载工具的设计、制造和使用知识，但必须了解它们的运行特性，以便规划和设计出能满足其使用要求的各项工程设施。本章首先介绍车辆（主要是汽车）的类型、尺寸和质量方面的知识，而后进一步介绍同工程设施规划和设计有关的一些运行特性，如行驶阻力、功率、加速和减速性能以及车辆运行费。一、车辆类型、尺寸、重量和构造1车辆类型汽车可分为客车和货车两大类。客车包括小客车（轿车）、面包车、公共汽车（小型、中型和铰接式）等。货车可进一步分为卡车（轻型、中型和重型）和组合式货车（各种拖挂式货车）两类。（1）小客车小客车为二轴-四轮车辆，可坐2～6人，主要作为个人交通工具。按重量和尺寸大小，可分为小型、中型和重型三种。其重量变动于6.8～18kN范围内；车身长度在3.5~5.6m之间，前后轴的中心距变动于2.3~3.1m之间，车身后缘到后轴的长度（后悬距离）为0.6~1.5m之间；车身宽度为1.6~2.0m，高度为1.15~1.65m之间。（2）面包车面包车通常由小客车或轻型卡车的底盘改装而成，可乘坐6～15人。（3）公共汽车小型公共汽车通常有15～25个座位，供短途运输用，其车身长约为5.5～7.6m，宽为2.0～2.5m。中型公共汽车可为二轴或三轴，车身长9～12m，宽2.4～2.6m，约有45个座位。把半挂车固定地联结在二轴中型公共汽车上，便组成铰接式公共汽车。其长度约为16～18m，宽度为2.6m，包括站立乘客在内约可容纳100人以上。（4）卡车卡车系指载货区和动力设备装在共同的车架上不能分开的货车（图2-1(a)）。卡车包括二轴四轮（轻型卡车）、二轴六轮、三轴（双后轴）和四轴（三后轴）卡车四种。轻型卡车的总重量—般小于45kN，二轴六轮卡车的总重量大都在45～180kN范围内，而三轴和四轴卡车的总重量可高达260～300kN。（5）组合式货车组合式货车由牵引车或卡车同一个或多个挂车组合而成，可总称为拖挂车。牵引车和挂车通过铰接方式联结时，彼此可相对转动，因而也可称为铰接车。组合式货车的总重量一般可达到400～500kN，通常用于长途运输。挂车有两种：后端有一个轴或多个轴但前端无轴的半挂式，其前端放在牵引车的后端上，并把一部分重量传给前面牵引车；前后各有一个轴或多个轴的全挂式，由卡车或带半挂车的牵引车拖带，但不把重量转给前面。2车辆尺寸及设计车辆前面已讲过。3车辆的重量车辆的重量通过车轴和车轮传递给道路和桥梁结构物。汽车前轴的轴型都为单轴，后轴的轴型可采用单轴、双联轴或三联轴。前轴两侧的车轮都由单轮胎组成，而后轴两侧的轮胎可由单轮胎或双轮胎组成。车辆重量大小，主要影响到对道路和桥梁的结构承载能力的要求。重量特性主要由车辆总重和轴重以及轴型和轮型表征。车辆总重或轴重越大，对道路和桥梁结构承载能力的要求越高，同时，在使用过程中对道路和桥梁的损坏越严重，因而，所建工程的造价（投资）和工程的运营（维护）费用便越高。为了兼顾道路建设和运营部门及道路使用者双方的利益和便利，对道路上行驶车辆的总重和轴重的最高值进行定量限制。各国对道路上行驶车辆的最大轴重和总重有不同的限定。单轴最大允许轴重变动于80~130kN；双联轴最大允许轴重变动于140~210kN；三联轴最大允许轴重变动于180~270kN。卡车的最大允许总重变动于240~400kN；半挂式和全挂式货车的最大允许总重变动于360~500kN。我国公路部门规定的单轴最大允许轴重为60kN（每侧单轮胎）或100kN（每侧双轮胎），双联轴最大允许轴重为100kN（每侧单轮胎）或180kN（每侧双轮胎），三联轴最大允许轴重为120kN（每侧单轮胎）或220kN（每侧双轮胎）；卡车和单拖挂货车的最大允许总重为400kN，双拖挂或三拖挂货车的最大允许总重为460kN。我国公路标准规定路面设计标准轴载为双轮组单轴100KN。具体内容应在路基路面课程中讲述。4汽车的构造传动系、行驶系、转向系、制动系发动机、离合器、变速箱、万向传动轴、差速器、车辆、驱动轮、制动器等。机械式传动系一般组成及布置示意图传动系1-离合器2-变速器3-万向节4-驱动桥5-差速器6-半轴7-主减速器8-传动轴图为传统的发动机纵向安装在汽车前部，后桥驱动的4×2汽车布置示意图。发动机发出的动力经离合器、变速器、万向传动装置传到驱动桥。在驱动桥处，动力经过主减速器、差速器和半轴传给驱动车轮。1-发动机2-离合器3-变速器4-变速器输入轴5-变速器输出轴6-差速器7-车速表驱动齿轮8-主减速器从动齿轮发动机前置、纵置，前桥驱动，使得变速器和主减速器连在一起，省掉了它们之间的万向传动装置。传动系：发动机外特性曲线燃料→热能→活塞、曲轴→机械能→作功传动系：离合器：作用：（1）保证起步时工作平稳。（2）行进中换挡。（3）传动系不至于过载。1-飞轮2-从动盘3-压盘4-膜片弹簧传动系：变速箱：作用：减速增扭1-输入轴2-轴承3-接合齿圈4-同步环5-输出轴6-中间轴7-接合套8-中间轴常啮合齿轮此变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。传动系：万向传动：作用：柔和接触、传动1-万向节2-传动轴3-前传动轴4-中间支承传动系：主传动器、减速器：作用：①减速、增扭，②动力转90°方向。1-轴承；2-左外壳；3-垫片；4-半轴齿轮；5-垫圈；6-行星齿轮；7-从动齿轮；8-右外壳；9-十字轴；10-螺栓二、汽车的驱动力及行驶阻力1、汽车的驱动力燃料→热能→活塞→机械能→[产生有效功率N]→曲轴→[产生每分钟n的转速旋转]→[产生发动机曲轴扭矩M]→离合器→变速器→传动轴→主传动器→差速器等→驱动轮→[产生驱动轮扭矩MK]功率(N)，发动机功率,单位千瓦(Kw)/马力（hp）,1hp=0.7457kW.扭矩(M),表征汽车牵引力的大小,单位牛顿.米/千克.米,1千克.米=9.8牛顿.米燃油消耗(ge),发动机每小时产生每千瓦功率消耗的燃油量，单位（克/千瓦/小时）转速(n)，单位转/分钟有一个简单的公式可以表明功率、牵引力和速度的关系：功率（N)＝(牵引力)扭矩(M)×速度(V)上述四种关系曲线，构成了发动机转速特性曲线（发动机转速特性曲线），油门全开时称发动机外特性曲线，否则称发动机部分负荷特性曲线。（1）发动机外特性曲线功率曲线扭矩曲线最小转速最大转速MnNnminnmaxnmaxNmaxM汽油发动机外特性（2）驱动轮扭矩（3）汽车的牵引力（T）功率（N)＝(牵引力)扭矩(M)×速度(V)Mk用力偶T和Ta表示，Ta平衡路面反作用力F，T平衡汽车阻力R有关计算的汇总：nNnNnWnSFnSFCFrFM95491000602)(2221)(2)()(单位换算总长周长力臂(1)M和N的关系（公式2-1）(2)r和V的关系（公式2-5）nrnrnrVk377.010006021000602Vnr377.0(3)T和V的关系（公式2-6,2-7）VnMrMrMTTTk377.0TTTVNvnnNVnMT36009549377.0377.01T2T3T4TT驱动力V车速，汽车驱动力图2、汽车的行驶阻力汽车在道路上行驶时须克服各种阻力，如滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、弯道阻力和惯性阻力等。这些阻力一方面与道路的特性有关，如路面平整程度、坡度、弯道曲率半径等，另一方面则随车辆的运行特性而变，如车辆总重、行驶速度、速度变化速率、车身迎风面积和外廓线形等。（1）空气阻力(Rw)汽车行驶时的空气阻力包括车辆迎风面处的空气直接作用、空气越过车辆表面（包括车底）的摩阻力以及车后的局部真空。15.212122KAVuAKRw（3）坡度阻力(Ri)汽车在坡道上行驶时，车辆受到其重量平行于坡面的分力的作用。iGGRisin（2）滚动阻力(Rf)汽车在道路上行驶时的滚动阻力来源于轮胎表面于路面之间的摩阻滑移，轮胎橡胶在接触表面处的弯曲变形，车轮滚过路表面突出的石子或不平整的破碎路面，车辆从道路的低洼处爬出，推动车轮通过砂、雪或泥地，在轮、轴和组合器轴承处以及变速齿轮中的内部摩阻等。fGfGRfcos以上均与道路状况有关，且与总重力成正比，表示为道路阻力：ifGRR（5）惯性阻力(RI)汽车行驶速度变化（加速或减速）时，车辆受到运动惯性阻力的作用。此惯性阻力是车辆重量及加速或减速速率的函数。式中，Rm为车辆总行驶阻力，kg。在车辆下坡或减速行驶时，式中的坡度阻力或惯性阻力为负值。由上述各项阻力的关系式可以看出，除空气阻力外，其它各项阻力均与车辆的总质量成正比；而除了坡度阻力和惯性阻力外，其它各项阻力还与车辆的行驶速度或速度平方成正比。因此，车辆总质量和行驶速度是影响行驶阻力大小的两项最主要的因素。IRwRRRR综合上述各项阻力，车辆在路上的总行驶阻力为：agGRI11221ki＋＋＝T=R,匀速；TR,加速；TR,减速,考虑到部分开启，使用负荷率U修正，并带入有：3、汽车的平衡方程式和行驶条件IRwRRRRT（1）平衡方程式agGifGKAVrMUT)(25.212驱动轮荷载；附着力系数（2）行驶条件RT条件一：驱动力大于等于总阻力KGF条件二：驱动力小于等于附着力FTG三、汽车动力性能及加、减速行驶汽车的动力性能系指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等的性能，动力性能越好，速度就越高，所能克服的阻力就大。这里为纵断面设计提供依据。1、汽车的动力特性图GKAVrGMUDgaifGRTDRRRTTwIRw25.21)(22、汽车的行驶状态汽车的动力因数D，它表示某型汽车在海平面上，满载情况下，没单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。KVVmaxVmaxD稳定行驶状态不稳定行驶状态某档动力特性图maxmax377.0nrV3、汽车的爬坡能力4、汽车的加减速行程222Im2ImIm11arcsinffDfDaaxaxax四、汽车的行驶稳定性和制动性能1、汽车的纵向稳定性条件：匀速、惯性阻力为0，低速，忽略空气阻力和滚动阻力倾覆：滑移：ghltgaii200kGaGsinGGtgaiik稳定性保证：发生纵向倾覆前，先发生滑移。原因是：GGtgaiik1,12GGhlkg附着系数纵坡2、汽车的横向稳定性（曲线上）原因：离心力的原因，部分靠超高产生的重力分量抵消，其余靠横向摩擦力抵消。gRGvF2倾覆：滑移：横向力系数：XYhhiRVigRvGX12722超高的概念（横向坡度）1cos,sinaitgaahhgihbVR21272hhiVR1272稳定性保证：发生横向倾覆前，先发生滑移。原因：)7.0~6.0(h5.0,12hghb横向力系数附着系数横向附着系数3、汽车的纵横组合稳定性上坡速度降低，耗费增加