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1、 道路规划与几何设计 同济大学交通运输学院 第二章第二章汽车行驶理论本章主要内容（共本章主要内容（共3次）：次）：一、车辆类型、尺寸、重量和构造（一、车辆类型、尺寸、重量和构造（1 1）二、汽车的驱动力（二、汽车的驱动力（1）及行驶阻力（）及行驶阻力（2）三、汽车的动力特性及加、减速性能（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（四、汽车的安全稳定性及制动性能（3）五、车辆运行费（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
2、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。一一、车辆类型、尺寸、重量和构造、车辆类型、尺寸、重量和构造1 车辆类型车辆
3、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 小客车为二轴-四轮车辆，可坐26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6.818kN 范围内；车身长度在3.55.6m之间，前后轴的中心距变动于2.33.1m之间，车身后缘到后轴的长度（后悬距离）为0.61.5m之间；车身宽度为1.62.0m，高度为1.151.65m之间。（2）面包车面包车 面包车通常由小客车或轻型卡车的底盘改装而成，可乘坐615人。（3
4、）公共汽车公共汽车 小型公共汽车通常有1525个座位，供短途运输用，其车身长约为5.57.6m，宽为2.02.5m。中型公共汽车可为二轴或三轴，车身长912m，宽2.42.6m，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1618m，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 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45180kN范围内，而三轴和四轴卡车
5、的总重量可高达260300kN。（5）组合式货车组合式货车 组合式货车由牵引车或卡车同一个或多个挂车组合而成，可总称为拖拖挂挂车车。牵引车和挂车通过铰接方式联结时，彼此可相对转动，因而也可称为铰铰接接车车。组合式货车的总重量一般可达到400500 kN，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
6、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80130kN；双联轴最大允许轴重变动
7、于140210kN；三联轴最大允许轴重变动于180270 kN。卡车的最大允许总重变动于240400kN；半挂式和全挂式货车的最大允许总重变动于360500kN。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 汽车的构造汽车的构造 ht
8、tp:/www.http:/cn/web/web/jiaoxuejiaoxue/传动系、行驶系、转向系、制动系传动系、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传动系1-1-离合器离合器 2-2-变速器变速器 3-3-万向节万向节 4-4-驱动桥驱动桥 5-5-差速器差速器 6-6-半轴半轴 7-7-主减速器主减速器 8-8-传动轴传动轴图为传统的发动机纵向安装在汽车前部，后桥驱动的图为传统的发动机纵向安装在汽车前部，后桥驱动的4242汽车布汽车布置示意图。发动机发出的动力经离合器、变速器、万向传动装置置示
9、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。给驱动车轮。1-1-发动机发动机 2-2-离合器离合器 3-3-变速器变速器 4-4-变速器输入轴变速器输入轴 5-5-变速器输变速器输出轴出轴 6-6-差速器差速器 7-7-车速表驱动齿轮车速表驱动齿轮 8-8-主减速器从动齿轮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。一起，省掉了它们之间的万向传动装置。传
10、动系：传动系：发动机发动机外特性曲线燃料热能活塞、曲轴机械能作功传动系：传动系：离合器：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：传动系：变速箱：变速箱：作用：减速增扭 1-1-输入轴输入轴 2-2-轴承轴承 3-3-接合齿圈接合齿圈 4-4-同步环同步环 5-5-输出轴输出轴 6-6-中间轴中间轴 7-7-接合套接合套 8-8-中间轴常啮合齿轮中间轴常啮合齿轮 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
11、、各轴上齿轮、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。操纵机构等几部分组成。传动系：传动系：万向传动：作用：柔和接触、传动万向传动：作用：柔和接触、传动1-1-万向节万向节 2-2-传动轴传动轴 3-3-前传动轴前传动轴 4-4-中间支承中间支承传动系：传动系：主传动器、减速器：作用：主传动器、减速器：作用：减速、增扭，减速、增扭，动力转动力转9090方向。方向。1-1-轴承；轴承；2-2-左外壳；左外壳；3-3-垫片；垫片；4-4-半轴齿轮；半轴齿轮；5-5-垫圈；垫圈；6-6-行星齿轮；行星齿轮；7-7-从动齿轮；从动齿轮；8-8-右外壳；右外壳；9-9-
12、十字轴；十字轴；10-10-螺栓螺栓 二、汽车的驱动力及行驶阻力二、汽车的驱动力及行驶阻力1、汽车的驱动力、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=0.7457 kW.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)
13、(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）发动机外特性曲线功率曲线功率曲线扭矩曲线扭矩曲线最小转速最小转速最大转速最大转速汽油发动机外特性汽油发动机外特性（2）驱动轮扭矩）驱动轮扭矩（3）汽车的牵引力（）汽车的牵引力（T）功率（N)(牵引力)扭矩(M)速度(V)Mk用力偶用力偶T和和Ta表示，表示，Ta平衡路面反作用力平衡路面反作用力F，T平衡汽车阻力平衡汽车阻力R有关计算的汇总：有关计算的汇总：(1)M和和N的关系（公式的关系（公式2-1）(2)r和和V的
14、关系（公式的关系（公式2-5）(3)T和和V的关系（公式的关系（公式2-6,2-7）汽车驱动力图汽车驱动力图2、汽车的行驶阻力、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 1）空气阻力）空气阻力(R Rw w)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。（3 3）坡度阻力）坡度阻力(R Ri i)汽车在坡道
15、上行驶时，车辆受到其重量平行于坡面的分力的作用。（2 2）滚动阻力）滚动阻力(R Rf f)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。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：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：（5 5）惯性阻力）惯性阻力(R RI I)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，
16、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。综合上述各项阻力，车辆在路上的总行驶阻力为：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、汽车的平衡方程式和行驶条件（1 1）平衡）平衡方程式方程式驱动轮荷载；附着力系数（2 2）行驶条件行驶条件条件一：驱动力大于等于总阻力条
17、件一：驱动力大于等于总阻力条件二：驱动力小于等于附着力条件二：驱动力小于等于附着力三三、汽车动力性能及加、减速行驶、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、汽车的动力特性图2、汽车的行驶状态、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。稳定行驶状态稳定行驶状态不稳定行驶状态不稳定行驶状态某档动力特性图某档动力特性图3、汽车的爬坡能力、汽车的爬坡能力4、汽车的加减速行程、汽车的加减速行程四、汽
18、车的行驶稳定性和制动性能四、汽车的行驶稳定性和制动性能1、汽车的纵向稳定性、汽车的纵向稳定性条件：匀速、惯性阻力为条件：匀速、惯性阻力为0，低速，忽略空气阻力和滚动阻力，低速，忽略空气阻力和滚动阻力倾覆：倾覆：滑移：滑移：稳定性保证：稳定性保证：发生纵向倾覆前，先发生滑移。原因是：附着系数附着系数纵坡纵坡2、汽车的横向稳定性（曲线上）、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。靠横向摩擦力抵消。倾覆：倾覆：滑移：滑移：横向力系数：横向力系数：超高的概念（横向坡度超高的概念（横向坡度）稳
19、定性保证：稳定性保证：发生横向倾覆前，先发生滑移。原因：横向力系数横向力系数附着系数附着系数横向附着系数横向附着系数3、汽车的纵横组合稳定性、汽车的纵横组合稳定性上坡速度降低，耗费增加，而下坡存在合成坡度，比较危险。4、制动性能、制动性能制动性能使用制动距离来评价：路面与轮胎之间的附着系数,道路阻力系数 f+i 要制动就施加制动力P：方向与前进方向相反，略去风阻力。制动到停止：制动距离：五五、汽车燃安油经济性、汽车燃安油经济性燃油消耗虽然同汽车发动机的效率密切相关，但很大程度上也受到道路和交通状况的影响。燃油消耗随行驶速度而变化，呈两端高中间低的规律，即低速和高速行驶时油耗大，中速行驶时油耗相对较低。随着路段纵坡的增大，由于需消耗部分功率以克服坡度阻力，燃油消耗迅速增加。而在弯道上行驶时，由于需克服弯道阻力，燃油消耗相应增大，转弯角度越大，油耗增加得越多，并且，行驶速度越高，油耗的增长率越大。此外，随着路面不平整程度的增加，由于滚动阻力的增加，燃油消耗增大。综合上述因素的影响，汽车的燃油消耗量可采用下述一般关系式表示：作业：作业：P34,2-1，2-3，2-4