第 2 章 汽车行驶理论

1. 第2章 汽车行驶理论 • 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。

2. 3．汽车行驶对道路的基本要求： 安全、迅速、经济、舒适 • 安全：保证汽车的行驶稳定性，避免发生翻车、倒溜、侧滑等； • 迅速：行驶速度——平均技术速度。 • 经济：运输成本：低 • 运输生产率：高 • 评价汽车运输工作效率的指标有： • 汽车运输生产率——周转率 • 运输成本——油料及轮胎消耗，保养周期 • 舒适：视觉上：线形美观，赏心悦目，自然环境与景观设计 • 生理上：平稳、不颠簸，离心力小 • 心理上：轻松，有安全感，心情愉快。

3. Mk r T=Mk/r • 2.1.1 汽车的牵引力 • 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，将曲轴的扭矩传给驱动轮，产生Mk的扭矩驱动汽车驱动轮旋转，轮胎对路面产生向后的水平推力，则路面对车辆产生向前的推力，驱使汽车行驶。 2.1汽车的动力、行驶阻力及汽车的行驶条件

4. 1．汽车发动机外特性曲线 发动机输出的功率Ne与产生的扭矩Me的关系： • 发动机转速特性曲线： N-n曲线 M-n曲线 耗油量ge-n曲线

5. 东风EQ-140发 动机外特性曲线

6. 2．牵引力与曲轴扭矩的关系 • 汽车传动系统：

7. 2．牵引力与曲轴扭矩的关系 • （1）发动机扭矩的传递： • 传到传动轴上的扭矩为： Mn=Me·ik·ηk • 经主传动器的半轴而传到汽车驱动轮上的扭矩值为 • Mk=Mn·i0·η0。=Me·i0·η0·ik·ηk • 令ηm=η0·ηk，ηm称为传动系的机械效率 • Mk = Me ·i0·ik·ηm • （2）牵引力Ft与曲轴扭矩Me的关系： rk——车轮工作半径，即计入轮胎弹性变形后的车轮半径（m）。它与内胎气压，外胎构造、路面的刚性与平衡性以及车轮上的荷载有关。其值一般为0.93r0～0.96r0，r0为未变形前轮胎的自由半径。

8. 车速V与发电机转速关系： • 驱动轮上的转速为： • 车速V与发电机转速关系： • 驱动力Ft与行车速度之间的关系式：

9. 2.1.2 汽车的行驶阻力 • 汽车行驶阻力包括：滚动阻力Rf • 坡度阻力Ri • 空气阻力Rw • 惯性阻力Rj 1.滚动阻力Rf 汽车的轮胎具有弹性，所以当车轮滚动时，轮胎会连续反复地发生变形。 • 法向反作用力Z的作用点较车轮法线前移了一个距离a，因而产生一个滚动阻力距Mf，其值为 Mf = Gk·a • 由平衡条件得： Mf=T1·rk（水平推力T1） • T1 = Mf /rk = Gk·a/rk • 令f=a/rk，则 T1=Gk·f或 f=T1/Ga

10. 1.滚动阻力Rf • f 称为滚动阻力系数。由上述可知，滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时，所需推与车轮负荷之比，即单位车重所需的推力。 • 对整个车辆，为克服滚动阻力矩所必须的推力为 • T=∑T1=Ga ·f • 滚动阻力Rf为： Rf=Ga·f • 当汽车在坡度角α的公路上行驶时，其车轮负荷变为Ga·cosα，则其滚动阻力为 Rf = G a·cosα·f

11. 2. 坡度阻力Ri • 汽车在坡道上行驶时，汽车重力在平行路面方向上的分力，称为坡度阻力 。 • 坡度阻力计算公式： • Ri=±Gasinα • 因坡道倾角一般较小，认为sinα≈tgα＝i，则 • Ri = ±Gatanα = ±Gai（N） • 式中：Ri——坡度阻力 （N）； • Ga——车辆总重力（N）； • i ——道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。

12. 3. 空气阻力Rw • 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。 • 压力阻力：压差阻力、干扰阻力、冷却系阻力 • 空气阻力： 诱导阻力。 • 摩擦阻力 空气阻力RW计算公式 ： • 式中：C ——流线型系数； • ρ——空气密度，kg/m3，一般ρ= 1.2258N·s2/m4； • A——汽车迎风面面积，m2； • vH——汽车与空气相对速度，m/s； • n ——随车速变化的指数，当vH＜1m/s，n=1； • 1＜vH＜330m/s，n=2；vH＞330m/s， n=3。

13. 3. 空气阻力Rw • 简化公式： RW =KAv2 =KAV2/13 • 式中：K——空气阻力系数，kg/m3；K=Cρ。其值可由道路试验，风洞试验等方法测得； • V——车速，km/h • 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。 • 则对n节挂车的汽车列车，其空气阻力为 • RW=（1+0.2n）KAV2/13 • 汽车的迎风面积，即汽车在纵轴的垂直面上的投影面积，可用投影法测得，也可用下列公式计算 • 载重汽车和公共汽车A=BH • 小客车A=0.78B1H

14. 乘积KF称为汽车流线性因数

15. 4．惯性阻力Rj • 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Rj表示。 • 汽车的质量：平移质量 • 旋转质量 • 汽车平移质量的惯性阻力Rj1为： • 旋转质量的惯性力矩 Rj2 • 汽车上各回转部件（如飞轮、离合器、变速器、齿轮、传动轴、主传动器、车轮等）的转动惯量，以发动机飞轮及汽车车轮的数值为最大，通常忽略其它部件的影响而不计。 • 飞轮的惯性力矩Mje为： Mje=Je·dωe/dt • 车轮的惯性力矩Mjk为： Mjk=∑Jk·dωk/dt • 回转部件的惯性阻力Rj2为：

16. 惯性阻力计算： • Rj2与Rj1之和即汽车的惯性阻力Rj（N）。为简化计算引入一个系数δ，得 • 式中δ称为汽车回转质量换算系数。δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关，其值可用下式计算： • 式中δ1与δ2为分别考虑汽车车轮和发动机飞轮的惯性影响而引用的两个系数。对一般汽车而言其数值变化不大；δ1在0.03～0.05之间；δ2对于小客车在0.05～0.07之间，对于载重汽车在0.04～0.05之间。

17. 2.1.3 汽车的行驶条件 • 1．汽车行驶的必要条件 • 为使汽车运动，汽车的牵引力必须与汽车运动时所遇到各项阻力之和平衡，即 • Ft= Rf±Ri+RW±Rj （牵引平衡方程） • 代入表达式，汽车的运动方程式为： • 汽车行驶的必要条件：（亦称驱动条件）： • Ft= R = Rf±Ri+RW±Rj • 若 Ft< R，汽车不能作稳定行驶。

18. 2. 汽车行驶的充分条件： • 汽车的牵引力与路面对车轮的水平反力大小、方向均相同，而路面对车轮的水平反力受轮胎与路面间附着条件的制约。 • 驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即 • Ft ≤G·φ （亦称附着条件） • 式中：G——驱动轮荷重（N），对于全轮驱动的汽车，为汽车总重；对于后轮驱动的汽车，一般取小汽车；G=0.5 Ga～0.65Ga，载重汽车：G=0.65 Ga～0.8 Ga； • φ——轮胎与路面间的摩擦系数。 • 即汽车行驶的充分条件（附着条件）： Ft ≤G·φ • 汽车行驶的充分必要条件，亦称为汽车运动的驱动与附着条件，即 • Ft = Rf ±Ri+Rw ±Rj≤G φ

19. 3. 道路摩擦系数 • 摩擦系数φ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。各类路面φ的平均值如表2.1.6

20. 2.2 汽车的动力特性 • 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。 • 2.2.1 动力因数和动力特性图 • 1. 动力因素： • 汽车的运动方程式：Ft = Rf ±Ri+RW ±Rj • 改变形式， Ft -RW = Rf ±Ri±Rj • Ft-FW称为汽车的后备牵引力。 • Ft、RW之值均与汽车的构造和行驶速度有关。 • 代入表达式

21. 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Ga，得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Ga，得 • 令上式左端为D，即 • D称为动力因数。其含义是：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（又叫单位车重所具有的牵引潜力）。 • 当汽车作等速行驶时，dv/dt = 0 • 则 D = f ± i = ψ • 式中：ψ——道路阻力系数，ψ=f± i，仅与道路状况和坡度有关。

22. 2. 动力特性图: 动力因数D与车速V间的关系曲线，称为动力特性图

23. 图2.2.2 海拔系数图 • 3. 海拔荷载修正系数λ: • 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， • λ称为动力因数D的海拔荷载修正系数，其值为 式中： Ga—— 满载时汽车重力，N； GT——实际装载时汽车重力，N； ξ——海拔系数。

24. 由 （假设λ=1）， • 当ψ＜D时： 加速行驶 • 当ψ=D时: a＝0 等速行驶 • 当ψ>D时： 减速行驶 2.2.2 车速特性 • 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：

25. 图2.2.3 某排挡的动力特性图 1. 道路条件一定时的最高车速 • 最高车速就是指在良好的路面条件情况下，稳定行驶的汽车所能够达到的最大行驶速度。 • dv/dt=0，则D=ψ直线与D=f（V）曲线的交点所对应的速度Vc，即为在道路阻力为ψ时，汽车可能的最大行驶速度。 • 2. 临界速度

26. 图2.2.3 某排挡的动力特性图 1. 道路条件一定时的最高车速 • 最高车速就是指在良好的路面条件情况下，稳定行驶的汽车所能够达到的最大行驶速度。 • dv/dt=0，则D=ψ直线与D=f（V）曲线的交点所对应的速度Vc，即为在道路阻力为ψ时，汽车可能的最大行驶速度。 • 2. 临界速度 • 对某一排挡的动力特性曲线，动力因数D均有一定的使用范围，且存在一个最大值Dmax，其所对应的速度Vk称为该档的临界速度。

27. 3. 汽车的最高速度 • 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，以直接档作稳定行驶时的速度。 • 最高速度Vmax： • 4. 汽车的最小稳定速度 • 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）。

28. 2.2.3 汽车的爬坡能力 • 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。 ， dv/dt=0，则 i = λD - f • 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， • Dmax=fcosα+sinα （略去海拔荷载系数λ） • 解此三角函数方程式，得最大坡角： 则汽车的最大爬坡度为：imax=tanαmax

29. 2. 汽车的动力上坡 • 假定汽车用一个排挡动力上坡，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， • 由速度Vt和V2在动力特性图上，可求得相应的动力因数值D1和D2，则由公式可得相应的加速度

30. 2. 汽车的动力上坡 • 假定汽车用一个排挡动力上坡，以速度驶入坡段，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， • 由速度Vt和V2在动力特性图上，可求得相应的动力因数值D1和D2，则由公式可得相应的加速度 • 因vdt = ds，dt = ds / v,代入上式得：

31. 汽车变速行驶时所能克服的坡长： 汽车变速行驶时所能克服的坡度 ：