道路勘测设计第2章1.pptx

1 1 1学习目的学习目的：道路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的。道路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的。汽汽车车运运动动基基本本规规律律及及对对公公路路的的要要求求，指指导导公公路路设设计计；保保证证公公路路的的使使用用品品质质、服服务务等等级级。汽汽车车行行驶驶理理论论是是公公路路线形设计的理论基础。线形设计的理论基础。2 2研究内容：研究内容：研究汽车的驱动力和行驶阻力；研究汽车的驱动力和行驶阻力；分析汽车运动的基本规律；分析汽车运动的基本规律；研究汽车主要动力性能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。分析影响汽车主要使用性能的因素。第二章第二章 汽车行驶性能汽车行驶性能2第一节第一节 概述概述 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。3一一、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。4（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）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。5（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。6 各类汽车的外廓尺寸由总长度、宽度和高度组成，它们影响到对道路的车道宽度、净空和转弯半径等方面的要求。影响道路几何设计和结构设计的其它尺寸参数还有：车身前缘到前轴的长度（前悬距离）、车身后缘到后轴的长度（后悬距离）、前后轴中心距（轴距）、双轴中心距、三轴中心距、轮中心距等。7轴距轴距后悬后悬前悬前悬82 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。9 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。我国公路标准规定具体内容在路基路面课程中讲述。103 汽车的构造汽车的构造 11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。12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。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、差速器和半轴传给驱动车轮。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。13传动系：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14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15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、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。16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17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；9-9-十字轴；十字轴；10-10-螺栓螺栓 18第二节 汽车的驱动力及行驶阻力 n一、汽车的驱动力n汽车的动力来源：汽车的动力来源：n汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。n在发动机里热能转化成机械能经过传动系变速和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，产生传动，将曲轴的扭矩传给驱动轮，产生Mk的扭矩的扭矩驱动汽车驱动轮旋转，轮胎对路面产生向后的水平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，驱使汽车行推力，则路面对车辆产生向前的推力，驱使汽车行驶。驶。19l汽车传动系统：汽车传动系统：燃料热能活塞机械能产生有效功率P 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 201、汽车的驱动力、汽车的驱动力功率(P)，发动机功率,单位千瓦(Kw)或马力（hp）,1hp=0.7457 kW.扭矩(M),表征汽车牵引力的大小,单位牛顿.米或千克.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（P)(牵引力)扭矩(M)速度(V)21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。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22发动机输出的功率发动机输出的功率N与产生的扭矩与产生的扭矩M的关系的关系：n(1)发动机曲轴扭矩发动机曲轴扭矩M 及发动机转速特性及发动机转速特性TrM23式中：式中：Pmax发动机的最大功率发动机的最大功率(kW)；nN发动机的最大功率所对应的转速（发动机的最大功率所对应的转速（rmin）n发动机转速特性经验公式：发动机转速特性经验公式：式中：式中：Mmax最大扭矩（最大扭矩（Nm）；）；n MN最大功率所对应的扭矩，最大功率所对应的扭矩，n nN最大功率所对应的转速（最大功率所对应的转速（r/min）；）；n nM最大扭矩所对应的转速最大扭矩所对应的转速(rmin)；24l发发动动机机曲曲轴轴上上的的扭扭矩矩M经经过过变变速速箱箱（速速比比ik）和和主主传传动动器（速比器（速比i0）两次变速）两次变速l两次变速的总变速比为：两次变速的总变速比为：=i0ik；l传动系统的机械效率为传动系统的机械效率为TD时：时：减速行驶减速行驶式中：式中：道路阻力系数，道路阻力系数，48l平衡速度平衡速度：任意的：任意的D相应等速行驶的速度，相应等速行驶的速度，用用VP表示。表示。l临临界界速速度度：每每一一排排档档最最大大动动力力因因数数Dmax对对应应的的速速度度，用用Vk表示。表示。49l稳定行驶与不稳定行驶：稳定行驶与不稳定行驶：P35l汽汽车车的的最最高高速速度度：是是指指节节流流阀阀全全开开、满满载载（不不带带挂挂车车）、在在表表面面平平整整坚坚实实水水平平路路段段上上作作稳稳定定行行驶驶时的速度。时的速度。l某一排档的最高速度某一排档的最高速度Vmax：n汽汽车车的的最最小小稳稳定定速速度度：是是指指满满载载（不不带带挂挂车车）在在路路面面平平整整坚坚实实的的水水平平路路段段上上，稳稳定定行行驶驶时时的的最最低低速速度度（即临界速度（即临界速度Vk）。）。50某档动力特性图某档动力特性图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51l最最大大爬爬坡坡度度：指指汽汽车车在在坚坚硬硬路路面面上上用用最最低低档档作作等等速速行行驶驶时所能克服的最大坡度。时所能克服的最大坡度。l coscos1 1，sintgsintgi i，l DDImaxImax=fcos+sin=fcos+sinl解此三角函数方程式，得最大坡角：解此三角函数方程式，得最大坡角：三、汽车的爬坡能力三、汽车的爬坡能力n汽汽车车的的爬爬坡坡能能力力：是是指指汽汽车车在在良良好好路路面面上上等等速速行行驶驶时克服了其它行驶阻力后所能爬上的纵坡度。时克服了其它行驶阻力后所能爬上的纵坡度。，a=0，则，则 i=D-f52l 计算加、减速行程计算加、减速行程l 由由ds=vdt，a=dv/dt，得，得 四、汽车的加、减速行程四、汽车的加、减速行程n设初速设初速V V1 1，终速，终速V V2 2，则，则53汽车行驶对道路的基本要求：l 安安全全：保保证证汽汽车车的的行行驶驶稳稳定定性性，避避免免发发生生翻翻车车、倒倒溜溜、侧滑等；侧滑等；l 迅速：迅速：行驶速度行驶速度平均技术速度。平均技术速度。l 经济：经济：运输成本：低运输成本：低 l 运输生产率：高运输生产率：高 评价汽车运输工作效率的指标有：评价汽车运输工作效率的指标有：l 汽车运输生产率汽车运输生产率周转率周转率l 运输成本运输成本油料及轮胎消耗，保养周期油料及轮胎消耗，保养周期l 舒适舒适l 视视觉觉上上：线线形形美美观观，赏赏心心悦悦目目，自自然然环环境境与与景景观观设计设计l 生理上：平稳、不颠簸，离心力小生理上：平稳、不颠簸，离心力小 l 心理上：轻松，有安全感，心情愉快。心理上：轻松，有安全感，心情愉快。第四节汽车的行驶稳定性第四节汽车的行驶稳定性54n汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因素作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，部因素作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生滑移、倾覆等现象的能力。不致失去控制而产生滑移、倾覆等现象的能力。n 稳定性：纵向稳定性：纵向 n 横向横向n表现：倾覆滑移表现：倾覆滑移 55n纵向稳定性：纵向稳定性：表现：倾覆倾覆n 滑移（倒溜）滑移（倒溜）56n横向稳定性：横向稳定性：表现：倾覆倾覆n 滑移（侧滑）滑移（侧滑）57倾覆：倾覆：滑移：滑移：58一、汽车行驶的纵向稳定性一、汽车行驶的纵向稳定性一、汽车行驶的纵向稳定性一、汽车行驶的纵向稳定性n临界状态：汽车前轮法向反作用力临界状态：汽车前轮法向反作用力Z1为零为零。n Z1L-Gl2cos0+Ghgsin0=0 n Z1L=Gl2cos0-Ghgsin0=0 1纵向倾覆纵向倾覆：条件：匀速、条件：匀速、惯性阻力为惯性阻力为0，低速，忽略空低速，忽略空气阻力和滚动气阻力和滚动阻力阻力59l2 2纵向滑移（驱动轮滑转）纵向滑移（驱动轮滑转）n临界状态：下滑力等于驱动轮与路面的附着力临界状态：下滑力等于驱动轮与路面的附着力n GsinGsin G Gk kn因因为为sinsin tgtg=i i，则则纵纵向向滑滑移移临临界界状状态态条件：条件：n纵向滑移的极限状态纵向滑移的极限状态倒溜倒溜发生条件：发生条件：n GsinGsin G Gn i =tg =n结结论论：当当坡坡道道倾倾角角 或或道道路路纵纵坡坡度度ii 时时，汽汽车可能产生纵向滑移。车可能产生纵向滑移。603 3纵向稳定性的保证纵向稳定性的保证n 一一般般 接接近近于于1 1，而而 远远远远小小于于1 1，n 所以，所以，i i i i0 0n 即即汽汽车车在在坡坡道道上上行行驶驶时时，在在发发生生纵纵向向倾倾覆覆之之前前，首先发生纵向滑移现象。首先发生纵向滑移现象。n 道道路路设设计计只只要要满满足足不不产产生生纵纵向向滑滑移移，就就可可避避免免汽车的纵向倾覆现象出现。汽车的纵向倾覆现象出现。n汽车行驶时纵向稳定性的条件为汽车行驶时纵向稳定性的条件为61第五节第五节 汽车的制动性能汽车的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。62制动到停止：制动距离：63第六节第六节 汽车燃油经济性汽车燃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：