第2章 汽車行駛理論

1、第2章 汽車行駛理論 2.1 概述 2.2 汽車的牽引力及牽引力平衡 2.3 汽車在道路上行駛的穩(wěn)定性 2.4 汽車的制動(dòng)性能 2.5 汽車在道路上的行駛軌跡 復(fù)習(xí)思考題 2.1 概述 公路設(shè)計(jì)是以滿足汽車行駛的要求為前提的，因此，在公路線形設(shè)計(jì)時(shí)，就 必須弄清汽車行駛對(duì)公路的要求是什么，而要弄清這一問題，又需要了解汽 車在公路上是怎樣行駛的，這就是汽車行駛理論所需要研究的問題。 1、研究汽車行駛理論的意義、研究汽車行駛理論的意義 公路是一種線形的交通運(yùn)輸工程結(jié)構(gòu)物，主要供汽車行駛，因此，必須了解 汽車的性能及其行駛對(duì)公路的要求。 汽車行駛理論是一門在分析汽車行駛基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究汽車行駛

2、原 理、使用性能和行駛性能的學(xué)科。通過上述研究，進(jìn)一步分析影響汽車使用 和行駛性能的各種因素，就可最大限度地從汽車構(gòu)造、公路設(shè)計(jì)以及其它行 車條件等方面發(fā)揮汽車的使用效益。 汽車行駛總的要求是安全、迅速、經(jīng)濟(jì)與舒適。要滿足汽車在公路上行駛安 全、迅速、經(jīng)濟(jì)、舒適、低公害的要求，就必須從駕駛者、汽車、公路和交 通管理等方面來保證。就公路線形設(shè)計(jì)方面講，主要從以下幾方面來保證。 保證汽車在路上行駛的穩(wěn)定性，即保證安全行車，不發(fā)生翻車、倒溜或 側(cè)滑。因此需要在研究汽車行駛過程中的力系的平衡條件、分布情況和行 車穩(wěn)定性等的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置縱、橫坡度和彎公以及提高車輪與路面間 附著力。 盡可能提高車速。

3、評(píng)價(jià)運(yùn)輸效率的指標(biāo)是汽車運(yùn)輸生產(chǎn)率和運(yùn)輸成本， 平均技術(shù)速度是主要影響因素之一。為了提高車速，就需要充分發(fā)揮汽車 行駛的動(dòng)力性能，因此在公路設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格控制曲線半徑、最大縱坡及 坡長，合理設(shè)置超高和緩和曲線，并盡可能地采取大半徑曲線及平緩的縱 坡。 保證公路上的行車暢通。為保證公路上行車不受阻礙或受盡量小阻礙， 公路線形設(shè)計(jì)需要保證平面上有足夠的視距，縱斷面上應(yīng)正確設(shè)計(jì)豎曲線， 橫斷面上應(yīng)有足夠的通行寬度。此外，還應(yīng)盡可能地減少平面交叉以及采 取增加交通安全和防止公害等措施。 盡量滿足行車舒適。線形設(shè)計(jì)時(shí)，需要正確地組合平面線形和縱面線形， 以增進(jìn)駕駛者和乘客在視覺上和心理上的舒適感，采用符

4、合視覺舒順要求 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。 如上所述，公路的線形設(shè)計(jì)與汽車行駛時(shí)各主要性能是密切相關(guān)的， 因此汽車行駛理論是公路線形設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是公路線形設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，是制定公路線形幾何是制定公路線形幾何 標(biāo)準(zhǔn)（如平曲線半徑、縱坡坡度等）的理論依據(jù)。掌握應(yīng)用汽車行駛標(biāo)準(zhǔn)（如平曲線半徑、縱坡坡度等）的理論依據(jù)。掌握應(yīng)用汽車行駛 理論對(duì)于指導(dǎo)公路線形設(shè)計(jì)、研究和制定公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有著重要意義。理論對(duì)于指導(dǎo)公路線形設(shè)計(jì)、研究和制定公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有著重要意義。 2.汽車的行駛性能 1） 動(dòng)力性能： 指汽車所具有的牽引力所決定的汽車加速、爬坡和 最大速度的性能。汽車的動(dòng)力性能越

5、好，就會(huì)有較高的車速、較好的 爬坡能力和加速能力。 2）通過性（又稱越野性）：指汽車在各種道路和無路地帶行駛的能 力。汽車通過性能越好，汽車使用的范圍就越廣。 3） 制動(dòng)性：指汽車強(qiáng)制停車和降低車速的能力。汽車制動(dòng)性能的好 壞，直接關(guān)系到行車安全，制動(dòng)性能好，汽車才能以較高的車速行駛。 4） 行駛穩(wěn)定性：指汽車遵循駕駛者指定方向行駛的能力。汽車行駛 穩(wěn)定性直接關(guān)系到行車的安全。 5） 行行駛平順性：指汽車在不平道路上行駛時(shí)，汽車免受沖擊和震動(dòng) 的能力。汽車行駛平順性，對(duì)汽車平均技術(shù)車速、乘車舒適性、運(yùn)貨 完整性等有很大影響。 6） 操縱穩(wěn)定性：指汽車是否按駕駛員的意圖控制汽車的的性能。它包 括

6、汽車的轉(zhuǎn)向特性、高速穩(wěn)定性和操縱輕便性。 2.2 汽車的牽引力與牽引力平衡 1.汽車行駛中的受力分析汽車行駛中的受力分析 汽車在道路路面上行駛時(shí)，汽車牽引力將克服行駛阻力，并受到彎道 超高、加減速、制動(dòng)、路面凹凸不平等因素的影響。汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)所受 的力可分為：（1）路面摩擦力路面摩擦力，由汽車輪胎與路面接觸而產(chǎn)生。司 機(jī)可通過加速、制動(dòng)而改變作用力，以控制汽車的運(yùn)行。（2）因路因路 面凹凸不平而產(chǎn)生的力面凹凸不平而產(chǎn)生的力，包括垂直方向及前后、左右的力，它惡化了 汽車的耐久性和平順性，影響了行駛的穩(wěn)定性。（3）由于路面結(jié)構(gòu)由于路面結(jié)構(gòu) 而產(chǎn)生的力而產(chǎn)生的力，包括路拱（超高）側(cè)向力、由于路面形狀而

7、產(chǎn)生的力、 彎道引起的力。 汽車行駛中受力情況與汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有密切的關(guān)系。汽車的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)可分為直線行駛和曲線行駛，下面分別對(duì)兩種狀態(tài)下汽車行駛中受 力情況進(jìn)行簡單分析。 （1）汽車在直線上行駛 圖2-1所示為后軸啟動(dòng)的雙軸汽車，在直線坡道上作上坡加速行駛的受力情況。 汽車加速上坡行駛時(shí)之慣性力 及重力平行于路面的分力 （即坡度阻 力）作用在汽車的重心 上，作用方向與汽車行駛方向相反。 空氣阻力 可 視為作用在汽車正面風(fēng)壓中心的集中力。此外，在汽車上尚有汽車重力垂直于路 面之分力 。作用在汽車上的力除上述的外，還有路面對(duì)汽車的反作用力； 汽車車輪上的法向反作用力 Z1及Z2，它與接觸面垂直，

8、并通過車輪中心；滾動(dòng)阻 力矩 Mf1及Mf2，其作用方向與車輪回轉(zhuǎn)方向相反，由前所述知滾動(dòng)阻力矩值為 sin a G dt dv g Ga g C w P cos a G kf rfZM 11 kf rfZM 22 汽車車輪上的切向反作用力X1 及X2 作用在車輪與路面的接觸面上，并與車輪接 觸面的切線方向一致，從動(dòng)輪的切向反作用力X1 的作用方向與汽車行駛方向相 反，而驅(qū)動(dòng)輪的 切線反作用力的作用方向則與汽車行駛方向相同，慣性力矩MJ1 及MJ2 的作用方向與車輪的回轉(zhuǎn)方向相反。 如果將汽車的諸作用力分別對(duì)前輪接地點(diǎn)及后輪接地點(diǎn)取矩，并考慮到 Gasin Gacos Ga Z2 Pj1 Z1

9、 Mf1 X1 Pw Mj1 Mf2 i X2 Mj2 圖2-1汽車直線上坡行駛的受力示意圖 cos 21a GZZfGfGP akf cos kfkakff rPrfGrfZZMMcos)( 2121 則 （21） L hPMMhPhGfrLG Z wwjjgjgaka 2112 1 sin)(cos L hPMMhPhGfrLG Z wwjjgjgaka 2111 2 sin)(cos （22） 由以上式（2-1），（2-2）可知，當(dāng)汽車行駛時(shí)，作用在汽車前后 輪上的法向反作用力不僅與汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)（如、 L1、L2、hg、等）有關(guān)， 而且隨汽車運(yùn)動(dòng)情況而變化。汽車在上坡行駛時(shí)，反作用力Z1

10、 減小， 而Z2 增大；下坡行駛時(shí)，則相反?？諝庾枇κ狗醋饔昧1 減小，而 Z2 增大，其差別隨風(fēng)壓中心高度的增高而加大。 作用在汽車前輪（從動(dòng)輪）的切向反作用力X1 為 kj rMfZX/ 111 （23） 而作用在汽車后輪（驅(qū)動(dòng)輪）的切向反作用力X2 為 fZ r MM X k je 2 2 2 （24） B Gacos Gasin Z1 Pgysin Y1 Y1 Pjycos Cg Z1 hs 圖2-2汽車在橫坡道上曲線行駛的受力圖 （2）汽車在曲線上行駛 圖2-2所示為汽車在有橫坡的道路上作曲線行駛的受力情況。圖中汽車 的重力 和慣性力 作用在汽車的重心 Cg上，由于橫坡的存在，此

11、時(shí)作用在汽車上的側(cè)向力除力 外，尚有汽車重力平行于路面的 分力 。 如對(duì)汽車左邊車輪與公路接觸面中點(diǎn)的連線取矩，則可得 + a G jy P cos a G sin cos 2 B Ga0cossin 2 sinBZhP B PhG rgjyjyga 解上式可得汽車右輪上所受的法向反作用力 B hP B PhG B G Z gjyjygaa r cossin 2 sincos 2 （25） 同理可得汽車左輪上所受的法向反力 B hP B PhG B G Z gjyjygaa r cossin 2 sincos 2 （26） jy P Lf Gasin Pjycos L b Cs Yf Mjz

12、圖2-3汽車曲線行駛的側(cè)向力和反作用力 圖2-3所示為汽車在有橫坡的公路上作曲線行駛時(shí)的受力 情況（俯視圖），圖中除側(cè)向力及慣性矩MJZ外，其它作 用力及反作用力均未繪出。 如對(duì)汽車后軸中心取矩，則按平衡條件可得 0cossin jzbjybaf MLPLGLY 解上式可得作用在汽車前軸車輪的側(cè)向反作用力 L MLGLP Y jzbabjy f sincos （27） 同理可得作用在汽車后軸車輪的側(cè)向反作用力為 L MLGLP Y jzfafjy b sincos （28） 式中：MJZ汽車在曲線上行駛時(shí)之慣性力矩。 2.牽引力的產(chǎn)生及傳遞 汽車的行駛需要克服各種行駛阻力，因而必須具備足夠的動(dòng)

13、力牽引力， 汽車行駛時(shí)牽引力來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)?機(jī)械能，因此牽引力取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 1（1）表征汽車發(fā)動(dòng)機(jī)特性的基本指標(biāo) 有效功率 有效功率指汽車在單位時(shí)間內(nèi)所具有的做功的能力，單位為千瓦（KW）。 不同的汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)性能不同，所發(fā)出的有效功率也不同。如在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速為3000時(shí)，不同汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的最大功率分別為：解放CA141， Nmax=99KW/3000r（135馬力）；黃河JN150，Nmax=117.6kw/1800r；紅旗 小轎車CA-772，Nmax=161.8KW/4000r。 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速是指發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，用每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（r

14、/min）為 單位。轉(zhuǎn)速的大小影響汽車行駛的快慢。 扭矩 扭矩是指汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生于曲軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，用牛頓米（N.m ）為單 位。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的大小，決定了汽車產(chǎn)生牽引力的大小。 轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，單位是弧度/秒（rad/s）。 （2）發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率Ne和曲軸扭矩Me的關(guān)系 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，通過活塞、曲軸轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生 有效功率 ，驅(qū)使曲軸以每分鐘 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩 ，再 經(jīng)過一系列的變速、傳動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)輪上產(chǎn)生扭矩 推動(dòng)汽車前進(jìn)。 由功率的基本功式： e N e n e M k M 1000/ ee MN 60/2 e n 9549/)6010

15、00/(2 eeeee nMnMN e e e n N M 9549 即或 （29） 如將發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的功率、扭矩以及單位燃料消耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)曲 軸的轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系以曲線表示，則此曲線稱為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 特性曲線，或發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線。如果此曲線是當(dāng)節(jié)氣閥全開（或 最大供油量）時(shí)所得，則稱為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線。而在節(jié)氣閥部 分開啟（或部分供油量）時(shí)所得的曲線，則稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù) 荷特性曲線或發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流特性曲線。 n minn Mn N Me (N.m) Ne (Kw) M ne (r/min) n max N 圖2-4某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的外特征曲線示意圖 當(dāng)研究汽車牽性能時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)特性 圖上可省去單位

16、燃料消耗量。如圖2-4 所示為某一汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線。 圖中 為發(fā)動(dòng)機(jī)的最小穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速， 隨著轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的扭 矩和功率都在增加。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大值 ，如進(jìn) 一步提高曲軸轉(zhuǎn)速則發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩將下 降，但發(fā)動(dòng)機(jī)功率仍將繼續(xù)增加，直 至其最大值 。如再繼續(xù)提高曲軸轉(zhuǎn) 速，則發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的功率由于汽缸 充氣惡化，機(jī)械損失等原因?qū)⒅饾u降 低。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損甚為劇烈，故 一般發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)均使其最大轉(zhuǎn)速不大 于最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速的1025%。 min n M n max M max N （3）驅(qū)動(dòng)輪扭矩 及牽引力 k M t P 汽車的動(dòng)力傳遞為：動(dòng)力扭矩（發(fā)動(dòng)機(jī)）離合器變速

17、箱傳動(dòng)軸（萬向節(jié) 頭軸）主傳動(dòng)器及車軸驅(qū)動(dòng)輪，即發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭矩 通過離合器、變 速箱，隨所用排擋的變速比 和機(jī)械效率 ，傳至萬向節(jié)頭軸上的扭 矩為 ，此時(shí) 。萬向節(jié)頭軸上的扭矩 再傳至主傳動(dòng)器， 并隨主傳動(dòng)器的減速比率 及機(jī)械效率 ，經(jīng)車軸傳到驅(qū)動(dòng)輪上的扭 矩為 ，此時(shí) ，取 有 。 e M k i k n M kken iMM n M 0 i 0 k M 0000 kkenk iiMiMM 0 kM Mkek iiMM 0 汽車行駛時(shí)，共受以下幾個(gè)力（如圖2-5）：作用于汽車驅(qū)動(dòng)輪上的 扭矩 ，汽車重力G及與之相平衡的反力 ，行駛阻力T，路面水平反 力F。驅(qū)動(dòng)輪上的扭矩 可用一對(duì)力偶 和P代

18、替，P作用在輪緣上與 路面水平反力F平衡，作用在輪軸上推動(dòng)汽車前進(jìn)，與汽車的行駛阻 力抗衡。所以 k M G k M t P t P k Mke k k t r iiM r M P 0 1000 60 2 0 ii n rV k e k )/(377. 0 0 hkm ii rn k ke 又= 所以有牽引力 )(3600377. 0N V N M V n P Me Me e t 如果要求汽車具有較大的牽引力，則必須采用較大的變速比ik.i0，但 ik.i0隨著的增大，車速V會(huì)降低，因此汽車設(shè)有幾個(gè)排檔，各檔具有 固定的變速比或最大速度值。采用低速檔，能獲得較大的牽引力和 較低車速，采用高速檔

19、，能獲得較高的車速和較小的牽引力。 圖2-5 驅(qū)動(dòng)輪的受力分析 G F G Mk T V G Pt F G P T V rk Pt2 Pt Pt Pt4 Pt3 V 圖2-6汽車的牽引特性圖 圖2-6是由發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線 轉(zhuǎn)換得到的汽車牽引特性曲 線。圖中Pt1、Pt2、Pt3和Pt4 分別表示一、二、三、檔及 直接檔時(shí)汽車牽引力與汽車 行駛速度的關(guān)系曲線。汽車 的牽引特性對(duì)研究汽車的牽 引性能至關(guān)重要，如汽車的 牽引力與行駛速度的關(guān)系， 不同檔位汽車牽引力的變化， 汽車的最大行駛速度、最大 加速度、最大爬坡度等都必 須借助牽引特性加以分析研 究。 3.汽車的行駛阻力 汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)需要不斷克服運(yùn)動(dòng)

20、中所遇到的各種阻力。這些阻力或來自汽 車賴以行駛的路面，或來自汽車周圍的介質(zhì)空氣，通常前者稱之為 滾動(dòng)阻力（Pf），而后者稱為空氣阻力（Pw）。此外，汽車上坡行駛時(shí)， 所需克服的汽車重力在平行于路面方向的分力稱為坡度阻力（Pi）；汽 車加速行駛時(shí)，所需克服慣性的阻力，稱為慣性阻力（Pj）。 上述這些阻力中，滾動(dòng)阻力和空氣阻力存在于任何條件下，因而在汽 車運(yùn)動(dòng)時(shí)，為克服這些阻力經(jīng)常需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)一定的功率。坡度阻力 和慣性阻力則存在于某種行駛條件下。例如汽車在水平路上作等速行駛 時(shí)，坡度阻力和慣性阻力均不存在；若在縱坡路上作變速行駛，就有坡 度阻力和慣性阻力。用于克服上坡時(shí)的坡度阻力和加速時(shí)的慣

21、性阻力所 消耗的功率，在下坡和滑行時(shí)尚能部分利用，此時(shí)阻力Pi和Pj將是負(fù)值， 也就成了汽車的驅(qū)動(dòng)力。 滾滾動(dòng)動(dòng)阻阻力力系系數(shù)數(shù)f 表表 2-3 路面類型 滾動(dòng)阻力系數(shù)f 水泥混凝土及瀝青混凝土路面 0.010.02 表面平整的黑色碎石路面 0.020.025 碎石路面 0.030.05 干燥平整的土路 0.040.05 潮濕不平整的土路 0.070.15 (3)坡度阻力 (4)慣性阻力 4.牽牽引引平平衡衡和和汽汽車車行行駛駛的的必必要要條條件件條條件件 (1)牽引平衡 為使汽車運(yùn)動(dòng)，汽車的牽引力必須與運(yùn)動(dòng)時(shí)所遇到的各項(xiàng)阻力之和平衡，即 jwift PPPPP (2-15) 或 dt dv

22、g GKFV iGfG r iiM a aa k Mke 13 2 0 (2-16) 式中 i P前之“+”表示上坡， “”表示下坡； j P前之“+”表示加速， “”表示 減速， f P與 w P恒為正值。 式（2-15）稱為汽車的牽引平衡方程。即汽車的牽引力必須等于各項(xiàng)阻力之和。 這是汽車行駛的必要條件，亦稱驅(qū)動(dòng)條件，但必須明確，這還不是汽車行駛的充分 條件。 附著程度的好壞主要取決于輪胎與地面在接觸處變形后相互摩擦的情況。 附著系 數(shù)主要與下述因素有關(guān)： （1）路面的粗糙程度和潮濕泥濘程度； （2）輪胎花紋和輪胎 氣壓； （3）車速； （4）荷載。車速越高，路表面光滑而潮濕，則附著系數(shù)越

23、低。在計(jì) 算時(shí)可以采用表 2-5 所示的附著系數(shù)在各種類型的路面上的平均值。 附附著著系系數(shù)數(shù) 表 2-5 路 面 狀 況 路面類型 干燥 潮濕 泥濘 冰滑 水泥混凝 土路面 0.7 0.5 瀝青混凝 土路面 0.6 0.4 瀝青表面 處治路 0.4 0.2 中級(jí)及低 級(jí)路面 0.5 0.3 0.2 0.1 5.動(dòng) 動(dòng)力力性性能能分分析 析 汽車的動(dòng)力性能是指汽車所具有的加速、上坡、最大速度等性能。改善汽車的動(dòng) 力性能，可以提高運(yùn)輸生產(chǎn)率和降低運(yùn)輸成本，這是汽車設(shè)計(jì)者的任務(wù)；對(duì)于公路 設(shè)計(jì)者來講，其任務(wù)是了解在公路上行駛的主要車型的動(dòng)力性能，使所設(shè)計(jì)的公路 能很好地發(fā)揮汽車的動(dòng)力性能。 將牽引

24、平衡方程中的 w P移至等號(hào)前面，則得到 dt dv g GifGPP aawt )( （2-18） 等號(hào)左邊的 wt PP 稱為汽車的有效牽引力（或后備牽引力） ，其值與汽車的構(gòu)造和 行駛速度有關(guān)；等號(hào)右邊各項(xiàng)阻力與道路狀況及行駛方式有關(guān)，一般不受行駛速度 的影響。對(duì)（2-18）式兩側(cè)除以汽車總重 a G，就得到汽車單位重量的無量綱牽引平 衡方程，消去了汽車構(gòu)造系數(shù)的影響。即 D= dt dv g if G PP a wt （2-19） 2.3汽車在道路上行駛的穩(wěn)定性 汽車行駛穩(wěn)定性是指汽車在行駛過程中，受外部因素作用下，尚 能保持或很快恢復(fù)原行駛狀態(tài)和方向，不至于失去控制而發(fā)生側(cè) 滑、傾覆

25、等現(xiàn)象的能力。 汽車行駛的穩(wěn)定性從不同方向來看，有縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性 兩種。從喪失穩(wěn)定的方式來看，有滑動(dòng)穩(wěn)定性和傾覆穩(wěn)定性兩種。 分析和確保汽車行駛的穩(wěn)定性對(duì)于合理設(shè)計(jì)汽車結(jié)構(gòu)尺寸、正確 設(shè)計(jì)公路、保證行車安全、提高運(yùn)輸生產(chǎn)率、減輕駕駛員的疲勞 強(qiáng)度，有著十分重要的意義。 影響汽車行駛穩(wěn)定性主要有以下三方面的因素： 1汽車本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如汽車的整體布置、幾何參數(shù)、質(zhì)量 參數(shù)、輪胎特性、前后懸架的形式等，對(duì)汽車行駛的穩(wěn)定性都有 著決定性的影響。 2駕駛員的因素。如駕駛員開車時(shí)的思想集中狀況、反應(yīng)快慢、 技術(shù)熟練程度、動(dòng)作靈敏程度等因素對(duì)于駕駛員能否做出準(zhǔn)確判 斷、及時(shí)采取措施使汽車趨于穩(wěn)定

26、、確保行車穩(wěn)定有著直接關(guān)系。 3作用于汽車的外部因素。主要是汽車和路面間的相互作用因 素（如公路的縱向、橫向坡度，路面附著情況等）以及汽車作不 等速行駛和曲線行駛時(shí)慣性力的作用。 1.汽車行駛的縱向穩(wěn)定性 汽車在行駛過程中，隨著運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)的改變，作用在前后車輪 上的法向反作用力亦有相應(yīng)的 變化。若汽車在某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 下，前輪的法向反作用力為零 時(shí)，則汽車將發(fā)生前軸車輪離 地而導(dǎo)致縱向傾覆。當(dāng)后輪的 法向反作用力為零時(shí)，根據(jù)附 著條件，其牽引力將不復(fù)存在， 汽車喪失行駛能力。此兩種情 況均為汽車的縱向失穩(wěn)，導(dǎo)致 汽車縱向傾覆或倒溜 Gasin B Z2 Ga Gacos L1 A Z1 h L2

27、 L 圖2-8 汽車行駛的縱向穩(wěn)定 (1)汽車在直坡道上的受力分析 圖 2-8 所示為后軸驅(qū)動(dòng)的雙軸汽車在直坡道上低等速行駛， 忽略滾動(dòng)阻力、 空氣阻力 影響時(shí)的受力情況。圖中 a G汽車總重（N） ； hg汽車重心高度（m） ； 道路坡度角（） 21,Z Z作用于前后輪上的法向反力（N） ； L汽車軸距（m） 21,L L汽車重心至前后軸間距離（m） 對(duì)汽車后輪著地點(diǎn) B 取矩，則可求得前輪垂直反力： gaa hGLGLZsincos 21 L hGLG Z gaa sincos 2 1 （2-21） 對(duì)前輪著地點(diǎn) A 取矩，則可得后論垂直反力： gaa hGLGLZsincos 12 L

28、hGLG Z gaa sincos 1 2 （2-22） (4)縱向穩(wěn)定性的保證 如果 0 ，則汽車在坡道上行駛時(shí)發(fā)生倒溜的現(xiàn)象在傾覆前出 現(xiàn)，這樣避免了汽車的縱向傾覆。因此，汽車的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足 0 tantan的 條件，亦即 gg h L hL L 21 ， 近似處理得 g h L2 （2-25） 從汽車設(shè)計(jì)的角度來說，式（2-25） 即為后輪驅(qū)動(dòng)汽車保證縱向 穩(wěn)定的條件。一般汽車的構(gòu)造都可以滿足上述條件并有富余，但在運(yùn) 輸中，裝載高度應(yīng)有所限制，以免重心過高（ g h大）而破壞穩(wěn)定條件。 2.汽車行駛的橫向穩(wěn)定性 汽車行駛時(shí)，常受側(cè)向力的作用及影響，如重力、慣性力 等的側(cè)向分力。汽車在側(cè)向力

29、的作用下，當(dāng)車輪的側(cè)向反 作用力達(dá)到附著力時(shí)，汽車將沿著側(cè)向力的作用方向滑移； 側(cè)向力同時(shí)將引起左右車輪法向反作用力的改變，當(dāng)一側(cè) 車輪上的法向反作用力變?yōu)榱銜r(shí)，汽車將發(fā)生側(cè)向翻車。 因而，汽車行駛時(shí)，在側(cè)向力作用下有可能產(chǎn)生橫向滑移 或橫向傾覆。為保證行車的安全穩(wěn)定，必須分析研究行駛 的橫向穩(wěn)定性。 Ccos C Csin Gasin Gacos Ga i0 i0 Gacos hg Ccos Gasin Csin Ga C 曲 線 外 側(cè)曲 線 內(nèi) 側(cè) 圖 2-9 汽 車 在 曲 線 上 行 駛 的 橫 向 力 (1)汽車在曲線上行駛所產(chǎn)生的橫向作用力 見圖 2-9，橫向力 Y 為 sinc

30、os a GCY （2-27） 0 tansin, 1cosi 0 iGCY a （2-28） 式中， “+”表示路拱雙坡外側(cè)， “”表示路拱雙坡內(nèi)側(cè)； 路面橫坡坡角，一般很?。?0 i路面橫坡坡度； C離心力 R v g G C a 2 0 2 iG gR vG Y a a （2-29） 0 0 2 i G Y gRv i G Y g v R a a （2-30） 切向力 側(cè)向力 P=G驅(qū) 圖2-10 曲線行駛驅(qū)動(dòng)輪上的作用力 (2)汽車在平曲線上行駛時(shí)車輪的反作用力 研究汽車在曲線行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪上的作用力可知，除去切 向力 t P外，還有側(cè)向力 Y，此時(shí)，車輪與路面間產(chǎn)生一總反作用 力 P（

31、圖 2-10） ，按附著力 P的物理意義，總反作用力 P的極限 值應(yīng)等于附著力 P值，即 d GPP （2-32） 同理，切向牽引力 t P的極限值應(yīng)等于附著力在切向的分力，側(cè)向的橫向反力 Y的極 限值應(yīng)等于附著力在側(cè)向的分力，即 t P= d G縱 縱 d GY 橫 橫 2 2 2 YPP t , 2 = 2 縱縱+ 2 橫橫 式中，附著系數(shù)，縱縱縱向附著系數(shù)，橫橫橫向附著系數(shù)。 輪胎接觸面在切向和側(cè)向所產(chǎn)生的附著能力是大不相同的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)的總 結(jié)，一般可采用 縱 縱=0.70.8 ， ， 橫 橫=0.60.7 三、汽車行駛的縱橫組合向穩(wěn)定性三、汽車行駛的縱橫組合向穩(wěn)定性 n 汽車行駛

32、在小半徑平曲線上時(shí)，較直線上增加了一汽車行駛在小半徑平曲線上時(shí)，較直線上增加了一 項(xiàng)彎道阻力。項(xiàng)彎道阻力。 n 對(duì)上坡的汽車耗費(fèi)的功率增加，使行車速度降低。對(duì)上坡的汽車耗費(fèi)的功率增加，使行車速度降低。 對(duì)下坡的汽車有沿縱橫組合的合成坡度方向傾斜、滑對(duì)下坡的汽車有沿縱橫組合的合成坡度方向傾斜、滑 移和裝載偏重的可能，這對(duì)汽車的行駛是危險(xiǎn)的。移和裝載偏重的可能，這對(duì)汽車的行駛是危險(xiǎn)的。 n汽車行駛在縱坡為汽車行駛在縱坡為i(tg)i(tg)和超高橫坡為和超高橫坡為i ih h（tgtg）的）的 下坡路段上，作用在前軸上荷載下坡路段上，作用在前軸上荷載W W1 1為為 2 1 ( cossin) c

33、os g G lh W L n離心力離心力F F分配在前軸上的荷載分配在前軸上的荷載W W2 2為為 2 2 2 sin Gv l W gRL 在平直路段上，作用于前軸的荷載在平直路段上，作用于前軸的荷載W W為為 n 前軸總荷載前軸總荷載W為為 : )i gRL vl L ihl (GWWW h 2 2 g2 21 G L l W 2 n 在有平曲線的坡道上，前軸荷載增量與在有平曲線的坡道上，前軸荷載增量與W W的比值為的比值為 h 2 2 g i gR v i l h W WW I n 對(duì)載重汽車，一般對(duì)載重汽車，一般hg/l21，則，則 h 2 i gR v iI 直坡道上直坡道上i i

34、h h00則則I=iI=i。即汽車沿直坡道下坡時(shí)，前軸。即汽車沿直坡道下坡時(shí)，前軸 荷載增量與在平直路段前軸荷載的比率等于該路段的荷載增量與在平直路段前軸荷載的比率等于該路段的 縱坡度。在曲線上如果也以直線上相同大小的最大縱縱坡度。在曲線上如果也以直線上相同大小的最大縱 坡坡i imax max作為控制，則有下式成立 作為控制，則有下式成立 縱坡折減：縱坡折減： n 最大縱坡在平曲線上的折減計(jì)算方法：最大縱坡在平曲線上的折減計(jì)算方法： maxh 2 ii gR v i h 2 max i R127 V ii 2.4汽車的制動(dòng)性能汽車的制動(dòng)性能 汽車的制動(dòng)性是指汽車在行駛中強(qiáng)制降低車速以至停 車

35、，或在下坡時(shí)保持一定速度行駛的能力。 汽車制動(dòng)性能的好壞，直接關(guān)系到汽車行駛的安全， 只有當(dāng)汽車具有良好的制動(dòng)性能時(shí)，才能保證行車安 全，提高汽車的行駛速度，充分發(fā)揮汽車的其它使用 性能，以提高其平均行駛速度，從而獲得較高的運(yùn)輸 生產(chǎn)率。 汽車在制動(dòng)過程中，隨車輪制動(dòng)力的不斷增長，輪胎的滾動(dòng)也不斷增加滑移量。 這種滑移現(xiàn)象，在堅(jiān)硬的路面上則逐漸出現(xiàn)有清晰的輪胎花紋印痕（通常稱為“壓 印” ） 。從輪胎局部滑移到全滑移的過程中，輪胎花紋的黑印長度逐漸增加達(dá)到連成一 片（通常稱為“拖印” ） 。這時(shí)，車輪已被制動(dòng)器抱死。 當(dāng)車輪制動(dòng)力已達(dá)到附著力的極限時(shí)（抱死） ，滾動(dòng)阻力消失，制動(dòng)器已不能吸收

36、能量，汽車原有的能量均消耗于輪胎與路面之間的摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能，使輪胎劇烈發(fā) 熱而降低了胎面的強(qiáng)度，造成附著系數(shù)的降低和胎面劇烈的磨損。除此之外，車輪抱 死，滑移時(shí)還將失去承受側(cè)向力的能力，使汽車行駛穩(wěn)定性受到破壞。汽車使用的實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn)表明， 經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員在滑路上往往是采用連續(xù)點(diǎn)式制動(dòng)的方法獲得最大的 制動(dòng)效果，而不致使汽車滑溜以確保制動(dòng)的安全。 汽車在下坡時(shí)，制動(dòng)器就要較長時(shí)間地、連續(xù)地作強(qiáng)度較大的制動(dòng)，制動(dòng)器溫度 常在 300C 以上，有時(shí)高達(dá) 600C700C。制動(dòng)器溫度上升后，其摩擦力矩將顯著下 降。當(dāng)溫度超過 450C 時(shí)，制動(dòng)力矩僅為通常溫度時(shí)的 2530%。因此，在公路設(shè)計(jì) 時(shí)

37、，坡度不宜過長，在連續(xù)下坡的山區(qū)公路，須設(shè)置緩和坡段。另外，為了避免制動(dòng) 器長時(shí)間工作而過熱，或在滑溜的路上，避免制動(dòng)力過大而引起車輪側(cè)滑，通常使變 速器掛入低速檔，利用發(fā)動(dòng)機(jī)起一部分制動(dòng)作用。 2.制 制動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)汽汽車車的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)方方程 程 汽車的制動(dòng)是由于車輪制動(dòng)的作用，車輪上的最大制動(dòng)力，取決于輪胎與路面的 附著力。因此，作用在汽車上的最大制動(dòng)力可按下式計(jì)算： GPT (max) （2-38） 式中 G傳到制動(dòng)輪上的車重力，當(dāng)前后輪都制動(dòng)時(shí)， a GG ； 輪胎與地面之間的附著系數(shù)，可按路面狀況為一般潮濕狀態(tài)采用。 汽車制動(dòng)減速行駛時(shí)，作用于車輪上的力矩方向與行駛方向相反。其余各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)

38、 阻力與牽引行駛時(shí)一樣存在。因此，這時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)力平衡方程可寫為 jwifT PPPPP （2-39） 由于制動(dòng)初速度不高及速度下降迅速，故空氣阻力可略去不計(jì)，即0 w P，公式（2-39） 可簡化為 jifT PPPP0 if 即 aa a GG dt dv g G （2-40） 2.5汽車在道路上的行駛軌跡汽車在道路上的行駛軌跡 一輛正常行駛的汽車，無論直行還是轉(zhuǎn)彎，留下的軌跡都是相當(dāng) 順滑悅目的，形成一條曲折有致的優(yōu)美線形。對(duì)行駛軌跡的進(jìn)一 步研究和分析，可幫助我們深入了解路線要素的幾何構(gòu)成，為新 建道路的設(shè)計(jì)和舊路的改善提供良好的參考。 最理想的路線平面是行車道的邊緣能與汽車的前外輪和

39、后內(nèi)輪跡 線完全符合或相平行，研究表明，行駛中的汽車重心的軌跡在幾 何上有以下特征： （1）這個(gè)軌跡不僅是連續(xù)的，而且是圓滑的； （2）這個(gè)軌跡的曲率是連續(xù)的，即軌跡上任意一點(diǎn)不出現(xiàn)兩個(gè) 曲率值； （3）這個(gè)軌跡的曲率變化是連續(xù)的，即軌跡上任意一點(diǎn)不出現(xiàn) 兩個(gè)曲率變化率值。 汽車在彎道上行駛時(shí)，由于受橫向力的影響，為保證行車的安全， 必須盡可能使道路線形設(shè)計(jì)滿足汽車行駛軌跡的幾何要求，相應(yīng) 地進(jìn)行與直線不同的線形設(shè)計(jì)。這其中包括行駛軌跡上需設(shè)置緩 和曲線，并在該路段上進(jìn)行超高、加寬等設(shè)計(jì)。因此，研究汽車 在彎道上實(shí)際的行駛軌跡將為進(jìn)一步改善路線線形設(shè)計(jì)提供科學(xué) 的依據(jù)。 0 R c1 c3 c4 c2 偏轉(zhuǎn)力矩 離心力 軌跡 偏轉(zhuǎn)角 圖2-11 汽車在彎道上行駛的力 1.汽汽車車在在彎彎道道上上行行駛 駛的的力力 汽車在彎道上行駛除牽引力及路面附著力外，由于曲線的存在還有 離心力及四個(gè)輪上的向心力即轉(zhuǎn)向側(cè)向力如圖（2-11） 。 為取得橫