道路勘測設(shè)計及汽車行駛理論

會計學(xué)1道路勘測設(shè)計及汽車行駛理論汽車行駛理論是一門在分析汽車行駛基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究汽車行駛原理、使用性能和行駛性能的學(xué)科。通過上述研究，進一步分析影響汽車使用和行駛性能的各種因素，就可最大限度地從汽車構(gòu)造、公路設(shè)計以及其它行車條件等方面發(fā)揮汽車的使用效益。汽車行駛總的要求是安全、迅速、經(jīng)濟與舒適。要滿足汽車在公路上行駛安全、迅速、經(jīng)濟、舒適、低公害的要求，就必須從駕駛者、汽車、公路和交通管理等方面來保證。就公路線形設(shè)計方面講，主要從以下幾方面來保證。第1頁/共63頁①保證汽車在路上行駛的穩(wěn)定性，即保證安全行車，不發(fā)生翻車、倒溜或側(cè)滑。因此需要在研究汽車行駛過程中的力系的平衡條件、分布情況和行車穩(wěn)定性等的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置縱、橫坡度和彎公以及提高車輪與路面間附著力。②盡可能提高車速。評價運輸效率的指標(biāo)是汽車運輸生產(chǎn)率和運輸成本，平均技術(shù)速度是主要影響因素之一。為了提高車速，就需要充分發(fā)揮汽車行駛的動力性能，因此在公路設(shè)計時必須嚴(yán)格控制曲線半徑、最大縱坡及坡長，合理設(shè)置超高和緩和曲線，并盡可能地采取大半徑曲線及平緩的縱坡。第2頁/共63頁③保證公路上的行車暢通。為保證公路上行車不受阻礙或受盡量小阻礙，公路線形設(shè)計需要保證平面上有足夠的視距，縱斷面上應(yīng)正確設(shè)計豎曲線，橫斷面上應(yīng)有足夠的通行寬度。此外，還應(yīng)盡可能地減少平面交叉以及采取增加交通安全和防止公害等措施。④盡量滿足行車舒適。線形設(shè)計時，需要正確地組合平面線形和縱面線形，以增進駕駛者和乘客在視覺上和心理上的舒適感，采用符合視覺舒順要求的曲線半徑，注意線形與景觀的協(xié)調(diào)、沿線的植樹綠化等。如上所述，公路的線形設(shè)計與汽車行駛時各主要性能是密切相關(guān)的，因此汽車行駛理論是公路線形設(shè)計的理論基礎(chǔ)，是制定公路線形幾何標(biāo)準(zhǔn)（如平曲線半徑、縱坡坡度等）的理論依據(jù)。掌握應(yīng)用汽車行駛理論對于指導(dǎo)公路線形設(shè)計、研究和制定公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有著重要意義。第3頁/共63頁2.汽車的行駛性能1）

動力性能：指汽車所具有的牽引力所決定的汽車加速、爬坡和最大速度的性能。汽車的動力性能越好，就會有較高的車速、較好的爬坡能力和加速能力。通過性（又稱越野性）：指汽車在各種道路和無路地帶行駛的能力。汽車通過性能越好，汽車使用的范圍就越廣。2）

制動性：指汽車強制停車和降低車速的能力。汽車制動性能的好壞，直接關(guān)系到行車安全，制動性能好，汽車才能以較高的車速行駛。3）

行駛穩(wěn)定性：指汽車遵循駕駛者指定方向行駛的能力。汽車行駛穩(wěn)定性直接關(guān)系到行車的安全。第4頁/共63頁4）

行駛平順性：指汽車在不平道路上行駛時，汽車免受沖擊和震動的能力。汽車行駛平順性，對汽車平均技術(shù)車速、乘車舒適性、運貨完整性等有很大影響。5）

操縱穩(wěn)定性：指汽車是否按駕駛員的意圖控制汽車的性能。它包括汽車的轉(zhuǎn)向特性、高速穩(wěn)定性和操縱輕便性。第5頁/共63頁2.2汽車的牽引力與牽引力平衡1.汽車行駛中的受力分析汽車在道路路面上行駛時，汽車牽引力將克服行駛阻力，并受到彎道超高、加減速、制動、路面凹凸不平等因素的影響。汽車運動時所受的力可分為：（1）路面摩擦力，由汽車輪胎與路面接觸而產(chǎn)生。司機可通過加速、制動而改變作用力，以控制汽車的運行。（2）因路面凹凸不平而產(chǎn)生的力，包括垂直方向及前后、左右的力，它惡化了汽車的耐久性和平順性，影響了行駛的穩(wěn)定性。（3）由于路面結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的力，包括路拱（超高）側(cè)向力、由于路面形狀而產(chǎn)生的力、彎道引起的力。汽車行駛中受力情況與汽車的運動狀態(tài)有密切的關(guān)系。汽車的運動狀態(tài)可分為直線行駛和曲線行駛，下面分別對兩種狀態(tài)下汽車行駛中受力情況進行簡單分析。第6頁/共63頁（1）汽車在直線上行駛圖2-1所示為后軸啟動的雙軸汽車，在直線坡道上作上坡加速行駛的受力情況。汽車加速上坡行駛時之慣性力及重力平行于路面的分力（即坡度阻力）作用在汽車的重心上，作用方向與汽車行駛方向相反?？諝庾枇梢暈樽饔迷谄囌骘L(fēng)壓中心的集中力。此外，在汽車上尚有汽車重力垂直于路面之分力。作用在汽車上的力除上述的外，還有路面對汽車的反作用力；汽車車輪上的法向反作用力Z1及Z2，它與接觸面垂直，并通過車輪中心；滾動阻力矩Mf1及Mf2，其作用方向與車輪回轉(zhuǎn)方向相反，由前所述知滾動阻力矩值為汽車車輪上的切向反作用力X1及X2作用在車輪與路面的接觸面上，并與車輪接觸面的切線方向一致，從動輪的切向反作用力X1的作用方向與汽車行駛方向相反，而驅(qū)動輪的切線反作用力的作用方向則與汽車行駛方向相同，慣性力矩MJ1及MJ2的作用方向與車輪的回轉(zhuǎn)方向相反。如果將汽車的諸作用力分別對前輪接地點及后輪及地點取矩，并考慮到第7頁/共63頁第8頁/共63頁

則（2—1）（2—2）由以上式（2-1），（2-2）可知，當(dāng)汽車行駛時，作用在汽車前后輪上的法向反作用力不僅與汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)（如、L1、L2、hg、等）有關(guān)，而且隨汽車運動情況而變化。汽車在上坡行駛時，反作用力Z1減小，而Z2增大；下坡行駛時，則相反?？諝庾枇κ狗醋饔昧1減小，而Z2增大，其差別隨風(fēng)壓中心高度的增高而加大。作用在汽車前輪（從動輪）的切向反作用力X1為（2—3）而作用在汽車后輪（驅(qū)動輪）的切向反作用力X2為（2—4）第9頁/共63頁第10頁/共63頁（2）汽車在曲線上行駛

圖2-2所示為汽車在有橫坡的道路上作曲線行駛的受力情況。圖中汽車的重力和慣性力作用在汽車的重心Cg上，由于橫坡的存在，此時作用在汽車上的側(cè)向力除力外，尚有汽車重力平行于路面的分力。如對汽車左邊車輪與公路接觸面中點的連線取矩，則可得

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解上式可得汽車右輪上所受的法向反作用力（2—5）同理可得汽車左輪上所受的法向反力（2—6）第11頁/共63頁第12頁/共63頁

圖2-3所示為汽車在有橫坡的公路上作曲線行駛時的受力情況（俯視圖），圖中除側(cè)向力及慣性矩MJZ外，其它作用力及反作用力均未繪出。如對汽車后軸中心取矩，則按平衡條件可得解上式可得作用在汽車前軸車輪的側(cè)向反作用力（2－7）同理可得作用在汽車后軸車輪的側(cè)向反作用力為（2—8）式中：MJZ——汽車在曲線上行駛時之慣性力矩。第13頁/共63頁2.牽引力的產(chǎn)生及傳遞

汽車的行駛需要克服各種行駛阻力，因而必須具備足夠的動力—牽引力，汽車行駛時牽引力來自內(nèi)燃發(fā)動機。燃料在發(fā)動機內(nèi)燃燒，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，因此牽引力取決于發(fā)動機的性能。1．（1）表征汽車發(fā)動機特性的基本指標(biāo)①有效功率有效功率指汽車在單位時間內(nèi)所具有的做功的能力，單位為千瓦（KW）。不同的汽車，發(fā)動機性能不同，所發(fā)出的有效功率也不同。如在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3000時，不同汽車發(fā)動機所發(fā)出的最大功率分別為：解放CA—141，Nmax=99KW/3000r（135馬力）；黃河JN—150，Nmax=117.6kw/1800r；紅旗小轎車CA-772，Nmax=161.8KW/4000r。②轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是指發(fā)動機曲軸單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，用每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）為單位。轉(zhuǎn)速的大小影響汽車行駛的快慢。③扭矩扭矩是指汽車發(fā)動機產(chǎn)生于曲軸上的轉(zhuǎn)動力矩，用牛頓米（N.m）為單位。汽車發(fā)動機扭矩的大小，決定了汽車產(chǎn)生牽引力的大小。第14頁/共63頁④轉(zhuǎn)動角速度指單位時間內(nèi)發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動的角度，單位是弧度/秒（rad/s）。（2）發(fā)動機有效功率Ne和曲軸扭矩Me的關(guān)系發(fā)動機內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，通過活塞、曲軸轉(zhuǎn)化為機械能，產(chǎn)生有效功率，驅(qū)使曲軸以每分鐘的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩，再經(jīng)過一系列的變速、傳動，在驅(qū)動輪上產(chǎn)生扭矩推動汽車前進。由功率的基本功式：即或（2—9）

如將發(fā)動機所發(fā)出的功率、扭矩以及單位燃料消耗量與發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系以曲線表示，則此曲線稱為發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線，或發(fā)動機特性曲線。如果此曲線是當(dāng)節(jié)氣閥全開（或最大供油量）時所得，則稱為發(fā)動機外特性曲線。而在節(jié)氣閥部分開啟（或部分供油量）時所得的曲線，則稱為發(fā)動機的部分負(fù)荷特性曲線或發(fā)動機的節(jié)流特性曲線。第15頁/共63頁

當(dāng)研究汽車牽性能時，在發(fā)動機特性圖上可省去單位燃料消耗量。如圖2-4所示為某一汽油發(fā)動機的外特性曲線。圖中為發(fā)動機的最小穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動機所發(fā)出的扭矩和功率都在增加。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為時，發(fā)動機扭矩達到最大值，如進一步提高曲軸轉(zhuǎn)速則發(fā)動機扭矩將下降，但發(fā)動機功率仍將繼續(xù)增加，直至其最大值。如再繼續(xù)提高曲軸轉(zhuǎn)速，則發(fā)動機所發(fā)出的功率由于汽缸充氣惡化，機械損失等原因?qū)⒅饾u降低。此時發(fā)動機的磨損甚為劇烈，故一般發(fā)動機設(shè)計均使其最大轉(zhuǎn)速不大于最大功率時轉(zhuǎn)速的10~25%。第16頁/共63頁（3）驅(qū)動輪扭矩及牽引力汽車的動力傳遞為：動力扭矩（發(fā)動機）離合器變速箱傳動軸（萬向節(jié)頭軸）主傳動器及車軸驅(qū)動輪，即發(fā)動機曲軸扭矩通過離合器、變速箱，隨所用排擋的變速比和機械效率，傳至萬向節(jié)頭軸上的扭矩為，此時。萬向節(jié)頭軸上的扭矩再傳至主傳動器，并隨主傳動器的減速比率及機械效率，經(jīng)車軸傳到驅(qū)動輪上的扭矩為，此時，取有。汽車行駛時，共受以下幾個力（如圖2-5）：作用于汽車驅(qū)動輪上的扭矩，汽車重力G及與之相平衡的反力，行駛阻力T，路面水平反力F。驅(qū)動輪上的扭矩可用一對力偶和P代替，P作用在輪緣上與路面水平反力F平衡，作用在輪軸上推動汽車前進，與汽車的行駛阻力抗衡。所以又=所以有牽引力第17頁/共63頁如果要求汽車具有較大的牽引力，則必須采用較大的變速比ik.i0，但ik.i0隨著的增大，車速V會降低，因此汽車設(shè)有幾個排檔，各檔具有固定的變速比或最大速度值。采用低速檔，能獲得較大的牽引力和較低車速，采用高速檔，能獲得較高的車速和較小的牽引力。第18頁/共63頁圖2-6是由發(fā)動機特性曲線轉(zhuǎn)換得到的汽車牽引特性曲線。圖中Pt1、Pt2、Pt3和Pt4分別表示一、二、三、檔及直接檔時汽車牽引力與汽車行駛速度的關(guān)系曲線。汽車的牽引特性對研究汽車的牽引性能至關(guān)重要，如汽車的牽引力與行駛速度的關(guān)系，不同檔位汽車牽引力的變化，汽車的最大行駛速度、最大加速度、最大爬坡度等都必須借助牽引特性加以分析研究。

第19頁/共63頁3.汽車的行駛阻力汽車運動時需要不斷克服運動中所遇到的各種阻力。這些阻力或來自汽車賴以行駛的路面，或來自汽車周圍的介質(zhì)——空氣，通常前者稱之為滾動阻力（Pf），而后者稱為空氣阻力（Pw）。此外，汽車上坡行駛時，所需克服的汽車重力在平行于路面方向的分力稱為坡度阻力（Pi）；汽車加速行駛時，所需克服慣性的阻力，稱為慣性阻力（Pj）。上述這些阻力中，滾動阻力和空氣阻力存在于任何條件下，因而在汽車運動時，為克服這些阻力經(jīng)常需要消耗發(fā)動機一定的功率。坡度阻力和慣性阻力則存在于某種行駛條件下。例如汽車在水平路上作等速行駛時，坡度阻力和慣性阻力均不存在；若在縱坡路上作變速行駛，就有坡度阻力和慣性阻力。用于克服上坡時的坡度阻力和加速時的慣性阻力所消耗的功率，在下坡和滑行時尚能部分利用，此時阻力Pi和Pj將是負(fù)值，也就成了汽車的驅(qū)動力。第20頁/共63頁第21頁/共63頁第22頁/共63頁第23頁/共63頁(3)坡度阻力第24頁/共63頁(4)慣性阻力第25頁/共63頁第26頁/共63頁第27頁/共63頁第28頁/共63頁第29頁/共63頁第30頁/共63頁2.3汽車在道路上行駛的穩(wěn)定性

汽車行駛穩(wěn)定性是指汽車在行駛過程中，受外部因素作用下，尚能保持或很快恢復(fù)原行駛狀態(tài)和方向，不至于失去控制而發(fā)生側(cè)滑、傾覆等現(xiàn)象的能力。汽車行駛的穩(wěn)定性從不同方向來看，有縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性兩種。從喪失穩(wěn)定的方式來看，有滑動穩(wěn)定性和傾覆穩(wěn)定性兩種。分析和確保汽車行駛的穩(wěn)定性對于合理設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)尺寸、正確設(shè)計公路、保證行車安全、提高運輸生產(chǎn)率、減輕駕駛員的疲勞強度，有著十分重要的意義。影響汽車行駛穩(wěn)定性主要有以下三方面的因素：1．汽車本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如汽車的整體布置、幾何參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、輪胎特性、前后懸架的形式等，對汽車行駛的穩(wěn)定性都有著決定性的影響。2．駕駛員的因素。如駕駛員開車時的思想集中狀況、反應(yīng)快慢、技術(shù)熟練程度、動作靈敏程度等因素對于駕駛員能否做出準(zhǔn)確判斷、及時采取措施使汽車趨于穩(wěn)定、確保行車穩(wěn)定有著直接關(guān)系。3．作用于汽車的外部因素。主要是汽車和路面間的相互作用因素（如公路的縱向、橫向坡度，路面附著情況等）以及汽車作不等速行駛和曲線行駛時慣性力的作用。第31頁/共63頁1.汽車行駛的縱向穩(wěn)定性

汽車在行駛過程中，隨著運動狀態(tài)的改變，作用在前后車輪上的法向反作用力亦有相應(yīng)的變化。若汽車在某一運動狀態(tài)下，前輪的法向反作用力為零時，則汽車將發(fā)生前軸車輪離地而導(dǎo)致縱向傾覆。當(dāng)后輪的法向反作用力為零時，根據(jù)附著條件，其牽引力將不復(fù)存在，汽車喪失行駛能力。此兩種情況均為汽車的縱向失穩(wěn)，導(dǎo)致汽車縱向傾覆或倒溜第32頁/共63頁第33頁/共63頁第34頁/共63頁第35頁/共63頁第36頁/共63頁第37頁/共63頁2.汽車行駛的橫向穩(wěn)定性

汽車行駛時，常受側(cè)向力的作用及影響，如重力、慣性力等的側(cè)向分力。汽車在側(cè)向力的作用下，當(dāng)車輪的側(cè)向反作用力達到附著力時，汽車將沿著側(cè)向力的作用方向滑移；側(cè)向力同時將引起左右車輪法向反作用力的改變，當(dāng)一側(cè)車輪上的法向反作用力變?yōu)榱銜r，汽車將發(fā)生側(cè)向翻車。因而，汽車行駛時，在側(cè)向力作用下有可能產(chǎn)生橫向滑移或橫向傾覆。為保證行車的安全穩(wěn)定，必須分析研究行駛的橫向穩(wěn)定性。第38頁/共63頁第39頁/共63頁第40頁/共63頁第41頁/共63頁第42頁/共63頁第43頁/共63頁第44頁/共63頁第45頁/共63頁2.4汽車的制動性能

汽車的制動性是指汽車在行駛中強制降低車速以至停車，或在下坡時保持一定速度行駛的能力。汽車制動性能的好壞，直接關(guān)系到汽車行駛的安全，只有當(dāng)汽車具有良好的制動性能時，才能保證行車安全，提高汽車的行駛速度，充分發(fā)揮汽車的其它使用性能，以提高其平均行駛速度，從而獲得較高的運輸生產(chǎn)率。

第46頁/共63頁第47頁/共63頁第48頁/共63頁第49頁/共63頁第50頁/共63頁第51頁/共63頁2.5汽車在道路上的行駛軌跡

一輛正常行駛的汽車，無論直行還是轉(zhuǎn)彎，留下的軌跡都是相當(dāng)順滑悅目的，形成一條曲折有致的優(yōu)美線形。對行駛軌跡的進一步研究和分析，可幫助我們深入了解路線要素的幾何構(gòu)成，為新建道路的設(shè)計和舊路的改善提供良好的參考。最理想的路線平面是行車道的邊緣能與汽車的前外輪和后內(nèi)輪跡線完全符合或相平行，研究表明，行駛中的汽車重心的軌跡在幾何上有以下特征：（1）這個軌跡不僅是連續(xù)的，而且是圓滑的；（2）這個軌跡的曲率是連續(xù)的，即軌跡上任意一點不出現(xiàn)兩個曲率值；（3）這個軌跡的曲率變