汽車行駛特性

第2章汽車行駛理論

掌握:汽車的動力性和汽車行駛的穩(wěn)定性

道路是為汽車行駛服務(wù)的，要滿足汽車在道路上行駛安全、迅速、經(jīng)濟、舒適、低公害的要求，就必須從駕駛者、汽車、道路、交通管理等方面來保證。在上述因素中，道路的線形設(shè)計與汽車行駛特性最為密切。因此，在道路線形設(shè)計時，需要研究汽車在道路上的行駛特性及其對道路設(shè)計的具體要求。

第一節(jié)概述道路線形設(shè)計要保證：

1保證汽車行駛的穩(wěn)定性，即保證安全行車，不翻車、不倒溜、不側(cè)滑，這就需要合理設(shè)置縱橫坡度、彎道，以及保證車輪與地面的附著力等。

2

盡可能提高車速。車速是評價運輸效率的主要影響因素，因此為提高車速，路線應(yīng)具有良好的線形(如曲線半徑、最大縱坡等)，充分發(fā)揮汽車行駛的動力性能。第一節(jié)概述

3

保證道路行車暢通，即保證汽車不受阻或少受阻。這就需要有足夠的視距和路面寬度、合理地設(shè)置平豎曲線，以及減少道路交叉等。

4盡量滿足行車舒適，即采用符合視覺舒適要求的曲線半徑，注意線形與景觀的協(xié)調(diào)、沿線的植樹綠化等。

上述問題將涉及汽車行駛理論的內(nèi)容。汽車行駛理論是研究汽車行駛原理、行駛性能（動力性能、越野性、制動性、行駛穩(wěn)定性、平順性和操縱穩(wěn)定性等）和使用性能的科學(xué)。本章主要簡要介紹汽車的驅(qū)動力和行車阻力，汽車的動力特性，汽車的行駛穩(wěn)定性、制動性等基本理論。深入的研究可學(xué)習(xí)有關(guān)《汽車應(yīng)用工程》、《汽車理論》等課程。汽車由發(fā)動機、底盤、車身和電氣設(shè)備等組成

第二節(jié)汽車的驅(qū)動力及行駛阻力

（P35~39）

汽車在道路上行駛時，必須具備兩個條件：其一是有足夠的驅(qū)動力來克服各種行駛阻力，這是必要條件；其二是驅(qū)動力小于或等于輪胎與路面間的最大摩擦力(附著力)，這是保證汽車正常行駛不致使車輪空轉(zhuǎn)打滑的條件，也就是充分條件。P39一、汽車的驅(qū)動力

1、發(fā)動機曲軸扭矩M

汽車行駛的驅(qū)動力來自它的內(nèi)燃發(fā)動機，其傳力過程如下：在發(fā)動機里熱能轉(zhuǎn)化為機械能→有效功率N→曲軸旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為n），產(chǎn)生扭矩M→經(jīng)變速和傳動，將M傳給驅(qū)動輪，產(chǎn)生扭矩MK→驅(qū)動汽車行駛。

對于不同類型的發(fā)動機，其輸出的功率不同，故產(chǎn)生的扭矩也不同。它們之間的關(guān)系如下：

式中：M―――發(fā)動機曲軸的扭矩（N.m）；N―――發(fā)動機的有效功率（KW）；n―――發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。

2.驅(qū)動輪扭矩MK

發(fā)動機曲軸上的扭矩M經(jīng)過變速箱（速比ik）和主傳動器（速比i0）兩次變速，設(shè)這兩次變速的總變速比為γ=i0·ik，傳動系統(tǒng)的機械效率為ηm(ηm=ηk.η0)，則傳到驅(qū)動輪上的扭矩Mk為

此時，驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)速nK=n/γ,相應(yīng)的車速V為:

式中：V―――汽車行駛速度(km/h);

n―――發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速(r/min);

rk―――車輪工作半徑(m)，即變形半徑，它與內(nèi)胎氣壓、外胎構(gòu)造、路面剛性與平整性、以及荷載有關(guān)，一般取rk=(0.93~0.96)r0；

r0―――未變形半徑。

3汽車的驅(qū)動力汽車驅(qū)動輪受力分析Mk

把驅(qū)動輪上的扭矩MK

用一對力偶Ta和T代替，Ta作用在輪緣上與路面水平反力F相抗衡，T作用在輪軸上推動汽車前進，稱為驅(qū)動力（或牽引力），與汽車行駛阻力R相抗衡。驅(qū)動力可按下式計算:上式為驅(qū)動力T與扭矩M之間的函數(shù)關(guān)系式。同樣可推導(dǎo)出驅(qū)動力T與功率N之間的關(guān)系式為：二、汽車的行駛阻力

汽車在行駛過程中需要不斷克服各種阻力，這些阻力有的來自空氣的阻力，有的來自道路摩擦力，有的來自汽車上坡行駛時產(chǎn)生的阻力，有的來自汽車變速行駛時克服慣性的阻力，這些阻力可以分為空氣阻力、道路阻力（坡度阻力和滾動阻力）和慣性阻力，下面分述之。1.空氣阻力

AirResistance

汽車在行駛過程中所受的空氣阻力主要包括：

（1）迎面空氣質(zhì)點的壓力；

（2）車后真空吸力；

（3）空氣質(zhì)點與車身表面的摩擦力。

由空氣動力學(xué)的研究與試驗結(jié)果可知，空氣阻力RW可以用下式計算：

式中：k―空氣阻力系數(shù)，

F―汽車迎風(fēng)面積，即正投影面積（m2）；

V―汽車與空氣的相對速度(m/s)，可近似地取汽車行駛速度。車型迎風(fēng)面積A空氣阻力系數(shù)K小客車1.4~1.90.32~0.50載重汽車3.0~7.00.60~1.00大客車4.0~7.00.50~0.802.道路阻力

RoadResistance

由道路給行駛的汽車產(chǎn)生的行駛阻力，主要包括滾動阻力和坡度阻力。

（1）滾動阻力

RollingResistance

車輪在路面上滾動所產(chǎn)生的阻力，稱為滾動阻力。一般情況下，滾動阻力與汽車的總重力成正比，若坡道傾角為α?xí)r，其值可按下式計算：

由于坡道傾角一般較小，認為,則

式中：Rf―――滾動阻力(N)；

G―――車輛總重力(N)；

f―――滾動阻力系數(shù)，見表2－3。

路面類型水泥及瀝青表面平整黑碎石路面干燥平整潮濕不平

混凝土路面色碎石路面的土路整的土路

f值0.01~0.020.02~0.0250.03~0.050.04~0.050.07~0.15

各類路面滾動阻力系數(shù)f值表2-3(P37)（2）坡度阻力

GradeResistance

汽車在坡道傾角為α的道路上行駛時，車重G在平行路面方向的分力為，上坡時它與汽車前進方向相反，阻礙汽車的行駛；而下坡時與前進方向相同，助推汽車行駛。坡度阻力可用下式計算：

因坡道傾角一般較小，認為，則

式中：Ri―――坡度阻力(N)；

G―――車輛總重力(N)；

i―――道路縱坡度，上坡為正，下坡為負。

道路阻力為滾動阻力與坡度阻力之和，可按下式計算

式中：RR―――道路阻力(N)；

f+i―――統(tǒng)稱道路阻力系數(shù)。

3、慣性阻力

InertiaResistance

汽車變速行駛時，需要克服其質(zhì)量變速運動時產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩，統(tǒng)稱為慣性阻力。

汽車的質(zhì)量分為平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量（如飛輪、齒輪、傳動軸和車輪等）兩部分。在汽車變速運動時，平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生慣性力矩。平移質(zhì)量的慣性力

旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩

式中：I―――旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量；

―――旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動時的角加速度。為簡化計算，一般給平移質(zhì)量慣性力乘以大于1的系數(shù)δ，來近似代替旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩的影響，即：

式中：RI―――慣性阻力(N)；

G―――車輛總重力(N)；

g―――重力加速度(m/s2)；

a―――汽車的加速度（正值）或減速度（負值）(m/s2)；

δ―――慣性力系數(shù).這樣，汽車的總行駛阻力R為

在上述幾種阻力中，空氣阻力和滾動阻力永為正值，亦即在汽車行駛的任何情況下都存在；坡度阻力當(dāng)上坡時為正值，平坡為零，下坡為負值；而慣性阻力則是：加速為正值，等速為零，減速為負值。三、汽車的行駛條件

TheRunningCondition1.必要條件

汽車在道路上行駛時，必須有足夠的驅(qū)動力來克服各種行駛阻力。要使汽車行駛，必須具有足夠的驅(qū)動力來克服各種行駛阻力。即：

上式是汽車行駛的必要條件，即驅(qū)動條件。2.充分條件

汽車能否正常行駛，還要受輪胎與路面之間附著條件的制約。即汽車正常行駛的充分條件是驅(qū)動力小于或等于輪胎與路面之間的附著力(P33)，即：

式中：GK―――驅(qū)動輪荷載，一般情況下，小汽車為總重的50~65%;載重汽車為總重的65~80%；

φ―――附著系數(shù)，查表2－4(P39)。第三節(jié)汽車的行駛穩(wěn)定性

（P44~47）

汽車的行駛穩(wěn)定性是指汽車在行駛過程中，在外界不利因素的影響下，尚能保持正常行駛狀態(tài)和方向，不致失去控制而產(chǎn)生滑移或傾覆等的能力。包括橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性。

影響汽車行駛穩(wěn)定性的主要因素有：汽車本身結(jié)構(gòu)、駕駛員、外部因素。縱向穩(wěn)定性：表現(xiàn)：傾覆

滑移（倒溜）橫向穩(wěn)定性：表現(xiàn)：傾覆滑移（側(cè)滑）一、汽車行駛的縱向穩(wěn)定性

1.縱向傾覆臨界狀態(tài)：汽車前輪法向反作用力Z1為零。

Gl2cosα0

-Ghgsinα0=0當(dāng)縱坡度i≥i0時，汽車可能產(chǎn)生縱向傾覆2.縱向滑移

對于后輪驅(qū)動的汽車，根據(jù)附著條件，驅(qū)動力不產(chǎn)生滑移的臨界狀態(tài)是:

因為所以

當(dāng)坡道傾角α≥α或道路縱坡度i≥i時，汽車可能產(chǎn)生縱向滑移。i的大小主要取決于驅(qū)動輪荷載Gd與汽車總重力G的比值，以及附著系數(shù)值，因此，要防止汽車滑移一方面要增加汽車重量，另一方面要增加車輪與路面的附著力。

3.縱向穩(wěn)定性保證

一般接近于1,而遠遠小于1，所以

也就是說，汽車在坡道上行駛時，在發(fā)生縱向傾覆前，先發(fā)生縱向滑移現(xiàn)象。為保證汽車行駛的縱向穩(wěn)定性，道路設(shè)計應(yīng)滿足不產(chǎn)生縱向滑移為條件，這樣，也就避免了汽車的縱向傾覆現(xiàn)象。所以，汽車行駛的縱向穩(wěn)定條件為

只要設(shè)計的道路縱坡度滿足上式條件，當(dāng)汽車滿載時,一般都能保證縱向行駛的穩(wěn)定性。但在運輸中裝載過高時，由于重心高度hg的增大，有可能破壞縱向穩(wěn)定性條件，所以，應(yīng)對汽車裝載高度有所限制。

這就是《標(biāo)準》中規(guī)定的imax=9%，及規(guī)定超高橫坡度ih，合成縱坡IH等指標(biāo)的理論依據(jù)。二、汽車行駛的橫向穩(wěn)定性

汽車在平曲線上行駛時會產(chǎn)生離心力，其作用點在汽車的重心，方向水平背離圓心。

受力分析：橫向力X——失穩(wěn)豎向力Y——穩(wěn)定1．汽車在平曲線上行駛時力的平衡離心力

在平曲線上行駛的汽車，離心力對其穩(wěn)定性的影響很大，它可使汽車向外側(cè)滑移或傾覆。為了減少離心力的作用，保證汽車在平曲線上穩(wěn)定行駛，必須使平曲線上路面做成外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低，呈單向橫坡形式，稱為橫向超高。

將離心力F與汽車重力G分解為平行于路面的橫向力X和垂直于路面的豎向力Y，即

由于路面橫向傾角α一般較小，則

其中稱為橫向超高坡度（簡稱超高率），

所以

橫向力X是汽車行駛的不穩(wěn)定因素，豎向力是穩(wěn)定因素。就橫向力而言，只從其值的大小是無法反映不同重量汽車的穩(wěn)定程度。例如，5KN的橫向力若作用在小汽車上，可能使其橫向傾覆或滑移，而作用在重型載重汽車上可能是安全的。于是采用橫向力系數(shù)來衡量穩(wěn)定性程度，其定義為單位車重的橫向力，即

將車速v(m/s)化為V(km/h)，則

式中：R―――平曲線半徑（m）；

μ―――橫向力系數(shù)；

V―――行車速度（km/h）；

ih―――橫向超高坡度。

上式表達了橫向力系數(shù)與車速、平曲線半徑及超高之間的關(guān)系?？芍簷M向力系數(shù)μ越大，汽車的橫向穩(wěn)定性就越差。v(m/s)化為V(km/h)問題：

在冰雪覆蓋的光滑路面上，一般司機會

（降低，提高）車速，以保持轉(zhuǎn)彎時u值情況盡量

（小，大），以策安全。2.橫向傾覆條件分析

LateralOverturn

ConditionAnalysis

汽車在平曲線上行駛時，由于橫向力的作用，可能汽車繞外側(cè)使車輪接觸點產(chǎn)生向外傾覆的危險。為使汽車不產(chǎn)生傾覆，必須使傾覆力矩小于或等于穩(wěn)定力矩。即

XYhgb一般情況下，F(xiàn)ih比G小得多，可忽略不計，則

式中：b―――汽車輪距（m）

hg―――汽車重心高度（m）。

將橫向力系數(shù)μ代入并整理，得

[例題]假設(shè)車輪距為1.7米，裝載重心高度hg=1.2米，曲線半徑R=200米，路拱橫坡io=±3％，求傾覆的臨界速度？V=136.9（Km/h）/131.3(km/h)利用上式可以確定：

（1）汽車在平曲線上行駛時，若已知汽車運行速度V，則可計算汽車不產(chǎn)生橫向傾覆的最小平曲線半徑R；

（2）若已知平曲線半徑R和橫向超高坡度ih，則可計算汽車不產(chǎn)生橫向傾覆的最大允許行駛速度。

3.橫向滑移條件分析

Lateral

SlideConditionAnalysis

汽車在平曲線上行駛時，因橫向力的存在，可能使汽車沿橫向力的方向產(chǎn)生橫向滑移。為使汽車不產(chǎn)生橫向滑移必須使橫向力小于或等于輪胎與路面之間的橫向附著力，即