道路勘测设计课程精选文档.ppt

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1、道路勘测设计课程本讲稿第一页，共五十八页现代道路主要服务对象现代道路主要服务对象 汽车汽车道路设计前提道路设计前提 满足汽车行驶的要求满足汽车行驶的要求汽车行驶总的要求汽车行驶总的要求 安全、迅速、经济、舒适安全、迅速、经济、舒适一一 要保证汽车行驶稳定性，要保证汽车行驶稳定性，不倒溜、不滑移、不倾覆不倒溜、不滑移、不倾覆二二 尽可能提高车速，降低运输成本，以提高运输效率尽可能提高车速，降低运输成本，以提高运输效率三三 尽量使尽量使乘客和驾驶员感到舒适乘客和驾驶员感到舒适掌握掌握 汽车的汽车的动力特性动力特性及其与及其与道路线形设计道路线形设计的基本关系，了解的基本关系，了解有关有关道路勘测设

2、计道路勘测设计的基础知识的基础知识 本讲稿第二页，共五十八页本讲稿第三页，共五十八页汽车的各种外力汽车的各种外力牵引力与行驶阻力牵引力与行驶阻力 汽车在道路上行驶时，必须有足够的驱动力来克服各种汽车在道路上行驶时，必须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。行驶阻力。汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。牵引力牵引力内燃发动机内燃发动机N N 产生曲轴扭矩产生曲轴扭矩M M 驱动轮扭矩驱动轮扭矩MkMk本讲稿第四页，共五十八页对汽车驱动性能进行分析时，只需研究对汽车驱动性能进行分析时，只需研究功率功率 N 和和扭矩扭矩 M 与与转数转数 n 之间的关系曲线之间的关系

3、曲线 5.1.1.1 发动机曲轴扭矩发动机曲轴扭矩M 式中：式中：M发动机曲轴的扭矩发动机曲轴的扭矩(Nm)N发动机的有效功率（发动机的有效功率（kW）n发动机曲轴的转速发动机曲轴的转速(r/min)本讲稿第五页，共五十八页发动机曲轴上的扭矩发动机曲轴上的扭矩M，经过一系列的变速、传动后传递给驱，经过一系列的变速、传动后传递给驱动轮，使驱动轮产生扭矩动轮，使驱动轮产生扭矩Mk5.1.1.2 驱动轮扭矩驱动轮扭矩 M kMk=MT Mk汽车驱动轮扭矩（汽车驱动轮扭矩（Nm）总变速比，总变速比，=i0ikM 发动机曲轴扭矩（发动机曲轴扭矩（Nm）T传动系统的机械效率传动系统的机械效率此时，驱动轮上

4、的转速此时，驱动轮上的转速nk、相应的车速、相应的车速V为：为：式中：式中：V汽车行驶速度（汽车行驶速度（km/h）n发动机曲轴转速（发动机曲轴转速（r/min）r车轮工作半径（车轮工作半径（m），一般为），一般为 未变形半径未变形半径r0的的0.930.96倍。倍。本讲稿第六页，共五十八页5.1.1.3 汽车的牵引力汽车的牵引力 T为牵引力，汽车行驶阻力为牵引力，汽车行驶阻力R抗衡抗衡 本讲稿第七页，共五十八页车速车速V的计算公式的计算公式 可看出可看出牵引力牵引力T与与功率功率N之间的关系之间的关系,发动机的有效功率越大，汽车的牵引力越大发动机的有效功率越大，汽车的牵引力越大 5.1.1.

5、3 汽车的牵引力汽车的牵引力 本讲稿第八页，共五十八页汽车行驶时需要不断克服运动中所遇的各种阻力汽车行驶时需要不断克服运动中所遇的各种阻力这些阻力主要包括：这些阻力主要包括：空气阻力空气阻力道路阻力道路阻力惯性阻力惯性阻力 5.1.2 汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力 本讲稿第九页，共五十八页 汽车在行驶中，由于迎面空气的压力、车后的真空吸力汽车在行驶中，由于迎面空气的压力、车后的真空吸力及空气与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。当及空气与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。当行驶速度在行驶速度在100 km/h以上，有时一半的功率用来克服空气阻力。以上，有时一半的功率用来克

6、服空气阻力。汽车在运动时所产生的空气阻力汽车在运动时所产生的空气阻力Rw可以用下式计算可以用下式计算：式中：式中：K空气阻力系数空气阻力系数A汽车迎风面积（汽车迎风面积（m2），），KA也称为汽车流线型因数也称为汽车流线型因数V汽车与空气的相对速度（汽车与空气的相对速度（km/s），可近似地取汽车），可近似地取汽车 的行驶速度的行驶速度 5.1.2.1 空气阻力空气阻力 本讲稿第十页，共五十八页（1）滚动阻力）滚动阻力 路面类型、轮胎结构及行驶速度路面类型、轮胎结构及行驶速度等有关。等有关。滚动阻力与轮胎承受的力成正比，即滚动阻力与轮胎承受的力成正比，即 式中：式中：Rf滚动阻力滚动阻力 (N

7、)G 汽车的总重力汽车的总重力 (N)f滚动阻力系数，见下表滚动阻力系数，见下表5.1.2.2 道路阻力道路阻力 Rf=Gf (N)表表51 各类路面滚动阻力系数各类路面滚动阻力系数 f 值值路面路面类型类型水泥及沥青水泥及沥青混凝土路面混凝土路面表面平整的表面平整的黑色碎石路黑色碎石路面面碎石路面碎石路面干燥平整干燥平整的土路的土路潮湿不平潮湿不平整的土路整的土路f f值值0.010.010.020.020.020.020.0250.0250.030.030.050.050.040.040.050.050.070.070.150.15本讲稿第十一页，共五十八页（2）坡度阻力）坡度阻力 汽车在

8、坡道上行驶时，汽车重量在平行于路面方向有分力，上坡时分力汽车在坡道上行驶时，汽车重量在平行于路面方向有分力，上坡时分力与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶，而下坡时分力与前进方向相同，推动与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶，而下坡时分力与前进方向相同，推动汽车行驶。汽车行驶。坡度阻力可用下式计算坡度阻力可用下式计算 式中：式中：RI坡度阻力坡度阻力 （N）G车辆总重力车辆总重力 （N）道路纵坡倾角道路纵坡倾角i道路纵坡度，上坡为正；下坡为负道路纵坡度，上坡为正；下坡为负 RI=Gsin 当sintg=i 时RI=Gi 滚动阻力和坡度阻力滚动阻力和坡度阻力均与道路状况有关，且都与汽车的总重力均与道路状

9、况有关，且都与汽车的总重力成正比，将它们统称为道路阻力，以成正比，将它们统称为道路阻力，以RR表示表示 RR=G(f+i )（N）本讲稿第十二页，共五十八页汽车的总行驶阻力：汽车的总行驶阻力：（3）惯性阻力）惯性阻力 汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性和惯性力矩汽车变速行驶时，需要克服其质量变速运动时产生的惯性和惯性力矩称为惯性阻力，用称为惯性阻力，用RI表示表示 式中：式中：RI惯性阻力惯性阻力 （N）G 车辆总重力车辆总重力（N）g 重力加速度重力加速度（m/s2）惯性力系数（或旋转质量换算系数）惯性力系数（或旋转质量换算系数）R=RW+RR+RI 本讲稿第十三页，共五十八

10、页T=R=RW+RR+RI 5.1.3 汽车的运动方程式和行驶条件汽车的运动方程式和行驶条件 汽车有足够的牵引力来克服各种行驶阻力汽车有足够的牵引力来克服各种行驶阻力5.1.3.1汽车的运动方程式汽车的运动方程式 牵引力牵引力 T 将有关公式代入牵引平衡方程式，则汽车的运动方程式将有关公式代入牵引平衡方程式，则汽车的运动方程式本讲稿第十四页，共五十八页（行使必要条件）（行使必要条件）5.1.3.1汽车的行驶条件汽车的行驶条件T R(行使充分条件）行使充分条件）TGk 式中：式中：附着系数（可理解为滑动摩擦系数），主要取决于路面的粗糙程度和潮湿附着系数（可理解为滑动摩擦系数），主要取决于路面的粗

11、糙程度和潮湿泥泞程度，轮胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，见表泥泞程度，轮胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，见表5-2（下页）（下页）Gk作用在驱动轮的荷载。一般情况下，小汽车为总重的作用在驱动轮的荷载。一般情况下，小汽车为总重的0.50.65倍，载重车为总重倍，载重车为总重的的0.650.80倍倍 本讲稿第十五页，共五十八页汽车行驶条件对路面提出了一定要求：汽车行驶条件对路面提出了一定要求：宏观上：宏观上：要求路面平整而坚实，尽量减小滚动阻力（满足规范平整度要要求路面平整而坚实，尽量减小滚动阻力（满足规范平整度要求）求）微观上：微观上：要求路面粗糙而不滑，以增大附着力（混凝土路面压纹）要求路

12、面粗糙而不滑，以增大附着力（混凝土路面压纹）表表52 各类路面上附着系数各类路面上附着系数的平均值的平均值 路面类型路面类型路路 面面 状状 况况干燥干燥潮湿潮湿泥泞泥泞冰滑冰滑水泥混凝土路面水泥混凝土路面0.70.70.50.5/沥青混凝土路面沥青混凝土路面0.60.60.40.4/过渡式及低级路面过渡式及低级路面0.50.50.30.30.20.20.10.1本讲稿第十六页，共五十八页5.2.1 汽车的动力因数汽车的动力因数 T=R=RW+RR+RI T-RW=RR+RI 汽车的动力性能系指汽车所具有的汽车的动力性能系指汽车所具有的加速、上坡、最大速度加速、上坡、最大速度等的性等的性能。研

13、究汽车的动力性能的目的：能。研究汽车的动力性能的目的：为道路纵断面设计提供理论依据为道路纵断面设计提供理论依据 D 称为动力因数，即为单位车重具备的牵引潜力。它表征某型汽车称为动力因数，即为单位车重具备的牵引潜力。它表征某型汽车在在海平面高程上海平面高程上，满载情况下满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能的性能 本讲稿第十七页，共五十八页5.2.1 汽车的动力因数汽车的动力因数 为动力因数为动力因数D的海拔荷载修正系数的海拔荷载修正系数本讲稿第十八页，共五十八页5.2.1 汽车的动力因数汽车的动力因数 本讲稿第十九页，共五十八页5.2.1 汽车的动

14、力因数汽车的动力因数 本讲稿第二十页，共五十八页5.2.2 汽车的行驶状态汽车的行驶状态 对不同排档的对不同排档的DV曲线，曲线，D值都有一定使用范围，档位愈低，值都有一定使用范围，档位愈低，D值值愈大，而车速愈低。当汽车的动力因数为愈大，而车速愈低。当汽车的动力因数为D，道路阻力为，道路阻力为，汽车的，汽车的行驶状态有以下三种情况：行驶状态有以下三种情况：本讲稿第二十一页，共五十八页汽汽车车的的加加速速性性能能是是指指汽汽车车在在各各种种使使用用条条件件下下迅迅速速增增加加行行驶驶速速度度的的能能力力，可可用用加加速速度度、加加速速时时间间和和行行程程来来评评定定。汽汽车车的的加加速速度度愈

15、愈大，加速时间和行程愈短，汽车的加速性能愈好。大，加速时间和行程愈短，汽车的加速性能愈好。5.2.4 汽车的加、减速行程汽车的加、减速行程 由由ds=vdt及加、减速度及加、减速度a=dv/dt(m/s2)，得，得（a0）设初速设初速V1，终速，终速V2对上式积分，并将车速对上式积分，并将车速v(m/s)化成化成V（km/h），得），得为使用方便，对上式积分，将数据绘制加、减速行程图，以备查用为使用方便，对上式积分，将数据绘制加、减速行程图，以备查用本讲稿第二十二页，共五十八页本讲稿第二十三页，共五十八页本讲稿第二十四页，共五十八页本讲稿第二十五页，共五十八页习题一：习题一：某道路滚动阻力系数

16、为某道路滚动阻力系数为0.02，东风东风EQ-140汽车满载行汽车满载行驶，使用驶，使用 I 档爬坡，速度保持档爬坡，速度保持10km/h。求海拔高度求海拔高度H=5000m能克服的最大坡度能克服的最大坡度i？习题二：习题二：已知已知=0.75，f=0.01，东风，东风EQ-140载重车以载重车以80km/h速度在速度在3.5%的坡道上爬坡，当速度降为的坡道上爬坡，当速度降为60km/h时；时；问：此时已爬坡道长多少米？问：此时已爬坡道长多少米？本讲稿第二十六页，共五十八页解：解：H=5000m，=(1-2.26*10e-5*5000)5.3=0.53=（满载）（满载）查图查图5-3，I档、档

17、、10km/h对应对应D=0.27由由a=0，f=0.02，=0.53，D=0.27带入公式：带入公式：解得：解得：i=12.3%习题一：习题一：某道路滚动阻力系数为某道路滚动阻力系数为0.02，东风东风EQ-140汽车满载行汽车满载行驶，使用驶，使用 I 档爬坡，速度保持档爬坡，速度保持10km/h。求海拔高度求海拔高度H=5000m能克服的最大坡度能克服的最大坡度i？本讲稿第二十七页，共五十八页解：解：（f+i）/=（0.01+0.035）/0.75=0.06 （查（查6号线）号线）80km/h对应对应S1=10060km/h对应对应S2=450S=(S2 -S1)/=(450-100)/

18、0.75=467m习题二：习题二：已知已知=0.75，f=0.01，东风，东风EQ-140载重车以载重车以80km/h速度速度在在3.5%的坡道上爬坡，当速度降为的坡道上爬坡，当速度降为60km/h时；时；问：此时已爬坡道长多少米？问：此时已爬坡道长多少米？本讲稿第二十八页，共五十八页汽车的行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因素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，不致失去控作用下，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生制而产生滑移、倾覆滑移、倾覆等现象的能力等现象的能力影响汽车行驶稳定性的主要因素影响汽车行驶稳定性的主要因素:

19、汽车本身结构参数、驾汽车本身结构参数、驾驶员操作技术以及道路与环境等外部因素驶员操作技术以及道路与环境等外部因素用用力学平衡原理力学平衡原理分析汽车行驶的稳定性，从而为分析汽车行驶的稳定性，从而为道路几道路几何线形设计何线形设计提供依据提供依据本讲稿第二十九页，共五十八页5.3.1 汽车行驶的纵向稳定性汽车行驶的纵向稳定性 本讲稿第三十页，共五十八页5.3.1.1 纵向倾覆条件分析纵向倾覆条件分析用用 纵向倾覆的临界状态纵向倾覆的临界状态 为分析依据为分析依据式中：式中：0 Z1为零时极限坡道倾角为零时极限坡道倾角 i 0 Z1为零时道路的纵坡度为零时道路的纵坡度本讲稿第三十一页，共五十八页5

20、.3.1.2 纵向倒溜条件分析纵向倒溜条件分析 倒溜状态：下滑力与附着力平衡倒溜状态：下滑力与附着力平衡产生纵向倒溜临界状态时坡道倾角；产生纵向倒溜临界状态时坡道倾角；i 产生纵向倒溜临界状态时道路纵坡度产生纵向倒溜临界状态时道路纵坡度 其中对点其中对点O1取矩，可得：取矩，可得：因因hg*tg较小，可略去不计，且较小，可略去不计，且 本讲稿第三十二页，共五十八页5.3.1.2 纵向稳定性的保证纵向稳定性的保证 分析式上面两式，一般分析式上面两式，一般l/hg接近接近1，而，而 远小于远小于1 即即i V（km/h）积分后可得积分后可得上式中：上式中：S 制动距离制动距离 （m）V1 制动初速

21、度制动初速度 （km/h）V2 制动终速度制动终速度 （km/h）当制动到汽车停止时当制动到汽车停止时V2=0 本讲稿第四十二页，共五十八页汽车行驶的燃料消耗主要与发动机有关，除此外，还要受到道路的状况、交通汽车行驶的燃料消耗主要与发动机有关，除此外，还要受到道路的状况、交通情况、驾驶技术及环境评价等方面的影响。情况、驾驶技术及环境评价等方面的影响。通常用下述指标作为燃料经济性的评价指标通常用下述指标作为燃料经济性的评价指标:100km行程燃料消耗数行程燃料消耗数Qs 本讲稿第四十三页，共五十八页本讲稿第四十四页，共五十八页本讲稿第四十五页，共五十八页本讲稿第四十六页，共五十八页本讲稿第四十七

22、页，共五十八页本讲稿第四十八页，共五十八页5.7.1设计车辆设计车辆 设计车辆设计车辆 是是 指道路几何设计所依据指道路几何设计所依据的车辆的车辆 公路工程技术标准公路工程技术标准 2.0.1城市道路设计规范城市道路设计规范 2.3.1本讲稿第四十九页，共五十八页JTG B01-2003本讲稿第五十页，共五十八页CJJ 3790规范规范 本讲稿第五十一页，共五十八页5.7.2 设计车速设计车速 指道路几何设计依据的车速，即在气候正常、交通密度小、指道路几何设计依据的车速，即在气候正常、交通密度小、汽车运行只受道路本身条件（几何线形、路面条件、附属设施等）影汽车运行只受道路本身条件（几何线形、路

23、面条件、附属设施等）影响时，一般驾驶员能保持响时，一般驾驶员能保持安全而舒适地安全而舒适地行驶的行驶的最大行车速度最大行车速度，也称，也称计算行车速度计算行车速度 本讲稿第五十二页，共五十八页5.7.2 设计车速设计车速 CJJ 3790规范规范 JTG B01-2003本讲稿第五十三页，共五十八页5.7.3 设计交通量设计交通量 本讲稿第五十四页，共五十八页5.7.3 设计交通量设计交通量 CJJ 3790规范规范 城市道路城市道路 JTG B01-2003公路公路本讲稿第五十五页，共五十八页假设某道路弯道的最大横向力系数控制为假设某道路弯道的最大横向力系数控制为0.10，则：，则：（1）当

24、当R=500m,ih=0.05时时,允许最大的车速为多少？允许最大的车速为多少？（2）当当v=80km/h,ih=-0.02（反超高）时（反超高）时,平曲线半径至少多大？平曲线半径至少多大？已知海拔荷载修正系数已知海拔荷载修正系数0.8，道路滚动阻力系数，道路滚动阻力系数 f=0.01,（1）若东风若东风EQ-140型载重汽车满载以型载重汽车满载以80km/h的速度开始在的速度开始在3的坡的坡道上爬行，当坡长为道上爬行，当坡长为1000m时，求到达坡顶的车速。时，求到达坡顶的车速。（2）若要求东风若要求东风EQ-140型载重汽车满载以型载重汽车满载以60km/h的车速匀速行驶，道路的车速匀速行

25、驶，道路海拔高度为海拔高度为1000m时，道路的最大纵坡不得大于多少？时，道路的最大纵坡不得大于多少？本讲稿第五十六页，共五十八页假设某道路弯道的最大横向力系数控制为假设某道路弯道的最大横向力系数控制为0.10，则：，则：（1）当当R=500m,ih=0.05时时,允许最大的车速为多少？允许最大的车速为多少？（2）当当v=80km/h,ih=-0.02（反超高）时（反超高）时,平曲线半径至少多大？平曲线半径至少多大？本讲稿第五十七页，共五十八页已知海拔荷载修正系数已知海拔荷载修正系数0.8，道路滚动阻力系数，道路滚动阻力系数 f=0.01,（1）若东风若东风EQ-140型载重汽车满载以型载重汽车满载以80km/h的速度开始在的速度开始在3的坡道上爬行，当坡长的坡道上爬行，当坡长为为1000m时，求到达坡顶的车速。时，求到达坡顶的车速。（2）若要求东风若要求东风EQ-140型载重汽车满载以型载重汽车满载以60km/h的车速匀速行驶，道路海拔高度为的车速匀速行驶，道路海拔高度为1000m时，道路的最大纵坡不得大于多少？时，道路的最大纵坡不得大于多少？本题要查表或图本题要查表或图 进行计算，第二小问应重求进行计算，第二小问应重求，因为道路海拔高度已给定，因为道路海拔高度已给定本讲稿第五十八页，共五十八页