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第2章 汽车行驶理论 2.1 概述 2.2 汽车的牵引力及牵引力平衡 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性 2.4 汽车的制动性能
第2章 汽车行驶理论 2.1 概述 2.2 汽车的牵引力及牵引力平衡 2.3 汽车在道路上行驶的稳定性 2.4 汽车的制动性能 2.5汽车在道路上的行驶轨迹 复习思考题
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2.1 概述 公路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的，因此，在公路线形设计时，就必须弄清汽车行驶对公路的要求是什么，而要弄清这一问题，又需要了解汽车在公路上是怎样行驶的，这就是汽车行驶理论所需要研究的问题。 1、研究汽车行驶理论的意义 公路是一种线形的交通运输工程结构物，主要供汽车行驶，因此，必须了解汽车的性能及其行驶对公路的要求。
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汽车行驶理论是一门在分析汽车行驶基本规律的基础上，研究汽车行驶原理、使用性能和行驶性能的学科。通过上述研究，进一步分析影响汽车使用和行驶性能的各种因素，就可最大限度地从汽车构造、公路设计以及其它行车条件等方面发挥汽车的使用效益。 汽车行驶总的要求是安全、迅速、经济与舒适。要满足汽车在公路上行驶安全、迅速、经济、舒适、低公害的要求，就必须从驾驶者、汽车、公路和交通管理等方面来保证。就公路线形设计方面讲，主要从以下几方面来保证。
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①保证汽车在路上行驶的稳定性，即保证安全行车，不发生翻车、倒溜或侧滑。因此需要在研究汽车行驶过程中的力系的平衡条件、分布情况和行车稳定性等的基础上，合理设置纵、横坡度和弯公以及提高车轮与路面间附着力。
②尽可能提高车速。评价运输效率的指标是汽车运输生产率和运输成本，平均技术速度是主要影响因素之一。为了提高车速，就需要充分发挥汽车行驶的动力性能，因此在公路设计时必须严格控制曲线半径、最大纵坡及坡长，合理设置超高和缓和曲线，并尽可能地采取大半径曲线及平缓的纵坡。
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③保证公路上的行车畅通。为保证公路上行车不受阻碍或受尽量小阻碍，公路线形设计需要保证平面上有足够的视距，纵断面上应正确设计竖曲线，横断面上应有足够的通行宽度。此外，还应尽可能地减少平面交叉以及采取增加交通安全和防止公害等措施。 ④尽量满足行车舒适。线形设计时，需要正确地组合平面线形和纵面线形，以增进驾驶者和乘客在视觉上和心理上的舒适感，采用符合视觉舒顺要求的曲线半径，注意线形与景观的协调、沿线的植树绿化等。 如上所述，公路的线形设计与汽车行驶时各主要性能是密切相关的，因此汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础，是制定公路线形几何标准（如平曲线半径、纵坡坡度等）的理论依据。掌握应用汽车行驶理论对于指导公路线形设计、研究和制定公路技术标准有着重要意义。
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2.汽车的行驶性能 1） 动力性能： 指汽车所具有的牵引力所决定的汽车加速、爬坡和最大速度的性能。汽车的动力性能越好，就会有较高的车速、较好的爬坡能力和加速能力。通过性（又称越野性）：指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力。汽车通过性能越好，汽车使用的范围就越广。 2） 制动性：指汽车强制停车和降低车速的能力。汽车制动性能的好坏，直接关系到行车安全，制动性能好，汽车才能以较高的车速行驶。 3） 行驶稳定性：指汽车遵循驾驶者指定方向行驶的能力。汽车行驶稳定性直接关系到行车的安全。
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4） 行驶平顺性：指汽车在不平道路上行驶时，汽车免受冲击和震动的能力。汽车行驶平顺性，对汽车平均技术车速、乘车舒适性、运货完整性等有很大影响。
5） 操纵稳定性：指汽车是否按驾驶员的意图控制汽车的性能。它包括汽车的转向特性、高速稳定性和操纵轻便性。
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2.2 汽车的牵引力与牵引力平衡 1.汽车行驶中的受力分析
2.2 汽车的牵引力与牵引力平衡 1.汽车行驶中的受力分析 汽车在道路路面上行驶时，汽车牵引力将克服行驶阻力，并受到弯道超高、加减速、制动、路面凹凸不平等因素的影响。汽车运动时所受的力可分为：（1）路面摩擦力，由汽车轮胎与路面接触而产生。司机可通过加速、制动而改变作用力，以控制汽车的运行。（2）因路面凹凸不平而产生的力，包括垂直方向及前后、左右的力，它恶化了汽车的耐久性和平顺性，影响了行驶的稳定性。（3）由于路面结构而产生的力，包括路拱（超高）侧向力、由于路面形状而产生的力、弯道引起的力。汽车行驶中受力情况与汽车的运动状态有密切的关系。汽车的运动状态可分为直线行驶和曲线行驶，下面分别对两种状态下汽车行驶中受力情况进行简单分析。
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（1）汽车在直线上行驶 图2-1所示为后轴启动的双轴汽车，在直线坡道上作上坡加速行驶的受力情况。汽车加速上坡行驶时之惯性力 及重力平行于路面的分力 （即坡度阻力）作用在汽车的重心 上，作用方向与汽车行驶方向相反。 空气阻力 可视为作用在汽车正面风压中心的集中力。此外，在汽车上尚有汽车重力垂直于路面之分力 。作用在汽车上的力除上述的外，还有路面对汽车的反作用力；汽车车轮上的法向反作用力 Z1及Z2，它与接触面垂直，并通过车轮中心；滚动阻力矩 Mf1及Mf2，其作用方向与车轮回转方向相反，由前所述知滚动阻力矩值为 汽车车轮上的切向反作用力X1 及X2 作用在车轮与路面的接触面上，并与车轮接触面的切线方向一致，从动轮的切向反作用力X1 的作用方向与汽车行驶方向相反，而驱动轮的 切线反作用力的作用方向则与汽车行驶方向相同，惯性力矩MJ1 及MJ2 的作用方向与车轮的回转方向相反。 如果将汽车的诸作用力分别对前轮接地点及后轮及地点取矩，并考虑到
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则 （2—1） （2—2） 由以上式（2-1），（2-2）可知，当汽车行驶时，作用在汽车前后轮上的法向反作用力不仅与汽车结构参数（如、 L1、L2、hg、等）有关，而且随汽车运动情况而变化。汽车在上坡行驶时，反作用力Z1 减小，而Z2 增大；下坡行驶时，则相反。空气阻力使反作用力Z1 减小，而Z2 增大，其差别随风压中心高度的增高而加大。 作用在汽车前轮（从动轮）的切向反作用力X1 为 （2—3） 而作用在汽车后轮（驱动轮）的切向反作用力X2 为 （2—4）
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（2）汽车在曲线上行驶 图2-2所示为汽车在有横坡的道路上作曲线行驶的受力情况。图中汽车的重力 和惯性力 作用在汽车的重心 Cg上，由于横坡的存在，此时作用在汽车上的侧向力除力 外，尚有汽车重力平行于路面的分力 。 如对汽车左边车轮与公路接触面中点的连线取矩，则可得 + 解上式可得汽车右轮上所受的法向反作用力 （2—5） 同理可得汽车左轮上所受的法向反力 （2—6）
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图2-3所示为汽车在有横坡的公路上作曲线行驶时的受力情况（俯视图），图中除侧向力及惯性矩MJZ外，其它作用力及反作用力均未绘出。
如对汽车后轴中心取矩，则按平衡条件可得 解上式可得作用在汽车前轴车轮的侧向反作用力 （2－7） 同理可得作用在汽车后轴车轮的侧向反作用力为 （2—8） 式中：MJZ——汽车在曲线上行驶时之惯性力矩。
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2.牵引力的产生及传递 汽车的行驶需要克服各种行驶阻力，因而必须具备足够的动力—牵引力，汽车行驶时牵引力来自内燃发动机。燃料在发动机内燃烧，将热能转变为机械能，因此牵引力取决于发动机的性能。 1．（1）表征汽车发动机特性的基本指标 ①有效功率 有效功率指汽车在单位时间内所具有的做功的能力，单位为千瓦（KW）。不同的汽车，发动机性能不同，所发出的有效功率也不同。如在发动机转速为3000时，不同汽车发动机所发出的最大功率分别为：解放CA—141，Nmax=99KW/3000r（135马力）；黄河JN—150，Nmax=117.6kw/1800r；红旗小轿车CA-772，Nmax=161.8KW/4000r。 ②转速 转速是指发动机曲轴单位时间内的旋转次数，用每分钟转数（r/min）为单位。转速的大小影响汽车行驶的快慢。 ③扭矩 扭矩是指汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩，用牛顿米（N.m ）为单位。汽车发动机扭矩的大小，决定了汽车产生牵引力的大小。
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（2）发动机有效功率Ne和曲轴扭矩Me的关系
④转动角速度 指单位时间内发动机曲轴转动的角度，单位是弧度/秒（rad/s）。 （2）发动机有效功率Ne和曲轴扭矩Me的关系 发动机内燃料燃烧产生的热能，通过活塞、曲轴转化为机械能，产生有效功率 ，驱使曲轴以每分钟 的转速旋转，产生扭矩 ，再经过一系列的变速、传动，在驱动轮上产生扭矩 推动汽车前进。由功率的基本功式： 即 或 （2—9） 如将发动机所发出的功率、扭矩以及单位燃料消耗量与发动机曲轴的转速之间的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机转速特性曲线，或发动机特性曲线。如果此曲线是当节气阀全开（或最大供油量）时所得，则称为发动机外特性曲线。而在节气阀部分开启（或部分供油量）时所得的曲线，则称为发动机的部分负荷特性曲线或发动机的节流特性曲线。
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当研究汽车牵性能时，在发动机特性图上可省去单位燃料消耗量。如图2-4所示为某一汽油发动机的外特性曲线。图中 为发动机的最小稳定工作转速，随着转速的提高，发动机所发出的扭矩和功率都在增加。当曲轴转速为 时，发动机扭矩达到最大值 ，如进一步提高曲轴转速则发动机扭矩将下降，但发动机功率仍将继续增加，直至其最大值 。如再继续提高曲轴转速，则发动机所发出的功率由于汽缸充气恶化，机械损失等原因将逐渐降低。此时发动机的磨损甚为剧烈，故一般发动机设计均使其最大转速不大于最大功率时转速的10~25%。
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（3）驱动轮扭矩 及牵引力 汽车的动力传递为：动力扭矩（发动机）离合器变速箱传动轴（万向节头轴）主传动器及车轴驱动轮，即发动机曲轴扭矩 通过离合器、变速箱，随所用排挡的变速比 和机械效率 ，传至万向节头轴上的扭矩为 ，此时 。万向节头轴上的扭矩 再传至主传动器，并随主传动器的减速比率 及机械效率 ，经车轴传到驱动轮上的扭矩为 ，此时 ，取 有 。 汽车行驶时，共受以下几个力（如图2-5）：作用于汽车驱动轮上的扭矩 ，汽车重力G及与之相平衡的反力 ，行驶阻力T，路面水平反力F。驱动轮上的扭矩 可用一对力偶 和 P代替，P作用在轮缘上与路面水平反力F平衡，作用在轮轴上推动汽车前进，与汽车的行驶阻力抗衡。所以 又 = 所以有牵引力
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如果要求汽车具有较大的牵引力，则必须采用较大的变速比ik. i0，但ik
如果要求汽车具有较大的牵引力，则必须采用较大的变速比ik.i0，但ik.i0随着的增大，车速V会降低，因此汽车设有几个排档，各档具有固定的变速比或最大速度值。采用低速档，能获得较大的牵引力和较低车速，采用高速档，能获得较高的车速和较小的牵引力。
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图2-6是由发动机特性曲线转换得到的汽车牵引特性曲线。图中Pt1、Pt2、Pt3和Pt4分别表示一、二、三、档及直接档时汽车牵引力与汽车行驶速度的关系曲线。汽车的牵引特性对研究汽车的牵引性能至关重要，如汽车的牵引力与行驶速度的关系，不同档位汽车牵引力的变化，汽车的最大行驶速度、最大加速度、最大爬坡度等都必须借助牵引特性加以分析研究。
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3.汽车的行驶阻力 汽车运动时需要不断克服运动中所遇到的各种阻力。这些阻力或来自汽车赖以行驶的路面，或来自汽车周围的介质——空气，通常前者称之为滚动阻力（Pf），而后者称为空气阻力（Pw）。此外，汽车上坡行驶时，所需克服的汽车重力在平行于路面方向的分力称为坡度阻力（Pi）；汽车加速行驶时，所需克服惯性的阻力，称为惯性阻力（Pj）。 上述这些阻力中，滚动阻力和空气阻力存在于任何条件下，因而在汽车运动时，为克服这些阻力经常需要消耗发动机一定的功率。坡度阻力和惯性阻力则存在于某种行驶条件下。例如汽车在水平路上作等速行驶时，坡度阻力和惯性阻力均不存在；若在纵坡路上作变速行驶，就有坡度阻力和惯性阻力。用于克服上坡时的坡度阻力和加速时的惯性阻力所消耗的功率，在下坡和滑行时尚能部分利用，此时阻力Pi和Pj将是负值，也就成了汽车的驱动力。
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(3)坡度阻力
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(4)惯性阻力
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2.3汽车在道路上行驶的稳定性 汽车行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，受外部因素作用下，尚能保持或很快恢复原行驶状态和方向，不至于失去控制而发生侧滑、倾覆等现象的能力。 汽车行驶的稳定性从不同方向来看，有纵向稳定性和横向稳定性两种。从丧失稳定的方式来看，有滑动稳定性和倾覆稳定性两种。分析和确保汽车行驶的稳定性对于合理设计汽车结构尺寸、正确设计公路、保证行车安全、提高运输生产率、减轻驾驶员的疲劳强度，有着十分重要的意义。 影响汽车行驶稳定性主要有以下三方面的因素： 1．汽车本身的结构参数。如汽车的整体布置、几何参数、质量参数、轮胎特性、前后悬架的形式等，对汽车行驶的稳定性都有着决定性的影响。 2．驾驶员的因素。如驾驶员开车时的思想集中状况、反应快慢、技术熟练程度、动作灵敏程度等因素对于驾驶员能否做出准确判断、及时采取措施使汽车趋于稳定、确保行车稳定有着直接关系。 3．作用于汽车的外部因素。主要是汽车和路面间的相互作用因素（如公路的纵向、横向坡度，路面附着情况等）以及汽车作不等速行驶和曲线行驶时惯性力的作用。
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1.汽车行驶的纵向稳定性 汽车在行驶过程中，随着运动状态的改变，作用在前后车轮上的法向反作用力亦有相应的变化。若汽车在某一运动状态下，前轮的法向反作用力为零时，则汽车将发生前轴车轮离地而导致纵向倾覆。当后轮的法向反作用力为零时，根据附着条件，其牵引力将不复存在，汽车丧失行驶能力。此两种情况均为汽车的纵向失稳，导致汽车纵向倾覆或倒溜
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2.汽车行驶的横向稳定性 汽车行驶时，常受侧向力的作用及影响，如重力、惯性力等的侧向分力。汽车在侧向力的作用下，当车轮的侧向反作用力达到附着力时，汽车将沿着侧向力的作用方向滑移；侧向力同时将引起左右车轮法向反作用力的改变，当一侧车轮上的法向反作用力变为零时，汽车将发生侧向翻车。因而，汽车行驶时，在侧向力作用下有可能产生横向滑移或横向倾覆。为保证行车的安全稳定，必须分析研究行驶的横向稳定性。
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2.4汽车的制动性能 汽车的制动性是指汽车在行驶中强制降低车速以至停车，或在下坡时保持一定速度行驶的能力。
汽车制动性能的好坏，直接关系到汽车行驶的安全，只有当汽车具有良好的制动性能时，才能保证行车安全，提高汽车的行驶速度，充分发挥汽车的其它使用性能，以提高其平均行驶速度，从而获得较高的运输生产率。
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2.5汽车在道路上的行驶轨迹 一辆正常行驶的汽车，无论直行还是转弯，留下的轨迹都是相当顺滑悦目的，形成一条曲折有致的优美线形。对行驶轨迹的进一步研究和分析，可帮助我们深入了解路线要素的几何构成，为新建道路的设计和旧路的改善提供良好的参考。 最理想的路线平面是行车道的边缘能与汽车的前外轮和后内轮迹线完全符合或相平行，研究表明，行驶中的汽车重心的轨迹在几何上有以下特征： （1）这个轨迹不仅是连续的，而且是圆滑的； （2）这个轨迹的曲率是连续的，即轨迹上任意一点不出现两个曲率值； （3）这个轨迹的曲率变化是连续的，即轨迹上任意一点不出现两个曲率变化率值。 汽车在弯道上行驶时，由于受横向力的影响，为保证行车的安全，必须尽可能使道路线形设计满足汽车行驶轨迹的几何要求，相应地进行与直线不同的线形设计。这其中包括行驶轨迹上需设置缓和曲线，并在该路段上进行超高、加宽等设计。因此，研究汽车在弯道上实际的行驶轨迹将为进一步改善路线线形设计提供科学的依据。
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为保持速度的连续性，从高速的直线段进入降速的圆曲线，其中间的缓和曲线的速度必须是变化的，因此，依变速设计的缓和曲线才能给出符合行驶轨迹的合适路线。按式（2-49）即可根据缓和曲线确定的起速、终速、减速（m/s2）和P(m/s3)等值，求出缓和曲线坐标的位置、曲率及速度变化（具体过程非常复杂，可参阅有关资料）。
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复习思考题 1.汽车的行驶性能有哪些？ 2.为什么汽车的行驶速度提高，作用在汽车上的牵引力反而越小？
3.汽车在弯道上行驶会出现横向失稳？行驶在弯道内侧要比在外侧显得稳定？ 4.假设车轮距为1.7米，装载重心高度hg=1.8 米，曲线半径R=50米，路拱横坡io=±3％，求倾覆的临界速度？ 5.在冰雪覆盖的光滑路面上，以保持转弯时µ不超过0.07，求在半径为50米，超高率6％的弯道上，行车速度不超过多少Km/h? 6.汽车在行驶过程中，受到哪些阻力？影响阻力大小的因素有哪些？ 7.汽车行驶的两个条件是什么？ 8.试论述汽车的制动过程。 9.汽车由直线驶入圆曲线的轨迹方程是什麽？
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