道路勘測設計及汽車行駛理論

會計學1道路勘測設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)律的基礎上，研究汽車行駛原理、使用性能和行駛性能的學科。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造、公路設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)定性等的基礎上，合理設置縱、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是汽車運輸生產(chǎn)率和運輸成本，平均技術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，因此在公路設計時必須嚴格控制曲線半徑、最大縱坡及坡長，合理設置超高和緩和曲線，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，公路線形設計需要保證平面上有足夠的視距，縱斷面上應正確設計豎曲線，橫斷面上應有足夠的通行寬度。此外，還應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，公路的線形設計與汽車行駛時各主要性能是密切相關的，因此汽車行駛理論是公路線形設計的理論基礎，是制定公路線形幾何標準（如平曲線半徑、縱坡坡度等）的理論依據(jù)。掌握應用汽車行駛理論對于指導公路線形設計、研究和制定公路技術標準有著重要意義。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）由于路面結構而產(chǎn)生的力，包括路拱（超高）側向力、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構參數(shù)（如、L1、L2、hg、等）有關，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

+

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向反作用力（2－7）同理可得作用在汽車后軸車輪的側向反作用力為（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轉速轉速是指發(fā)動機曲軸單位時間內(nèi)的旋轉次數(shù)，用每分鐘轉數(shù)（r/min）為單位。轉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轉動角速度指單位時間內(nèi)發(fā)動機曲軸轉動的角度，單位是弧度/秒（rad/s）。（2）發(fā)動機有效功率Ne和曲軸扭矩Me的關系發(fā)動機內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，通過活塞、曲軸轉化為機械能，產(chǎn)生有效功率，驅使曲軸以每分鐘的轉速旋轉，產(chǎn)生扭矩，再經(jīng)過一系列的變速、傳動，在驅動輪上產(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)動機曲軸的轉速之間的函數(shù)關系以曲線表示，則此曲線稱為發(fā)動機轉速特性曲線，或發(fā)動機特性曲線。如果此曲線是當節(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)定工作轉速，隨著轉速的提高，發(fā)動機所發(fā)出的扭矩和功率都在增加。當曲軸轉速為時，發(fā)動機扭矩達到最大值，如進一步提高曲軸轉速則發(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，機械損失等原因將逐漸降低。此時發(fā)動機的磨損甚為劇烈，故一般發(fā)動機設計均使其最大轉速不大于最大功率時轉速的10~25%。第16頁/共63頁（3）驅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系曲線。汽車的牽引特性對研究汽車的牽引性能至關重要，如汽車的牽引力與行駛速度的關系，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——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將是負值，也就成了汽車的驅動力。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原行駛狀態(tài)和方向，不至于失去控制而發(fā)生側滑、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)定性對于合理設計汽車結構尺寸、正確設計公路、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．汽車本身的結構參數(shù)。如汽車的整體布置、幾何參數(shù)、質量參數(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、反應快慢、技術熟練程度、動作靈敏程度等因素對于駕駛員能否做出準確判斷、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致縱向傾覆。當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，常受側向力的作用及影響，如重力、慣性力等的側向分力。汽車在側向力的作用下，當車輪的側向反作用力達到附著力時，汽車將沿著側向力的作用方向滑移；側向力同時將引起左右車輪法向反作用力的改變，當一側車輪上的法向反作用力變?yōu)榱銜r，汽車將發(fā)生側向翻車。因而，汽車行駛時，在側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，直接關系到汽車行駛的安全，只有當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，無論直行還是轉彎，留下的軌跡都是相當順滑悅目的，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成，為新建道路的設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