纵断面设计教程

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1、,第三章 纵断面设计,第一节 概 述 定义：沿着道路中线竖向剖面的展开图即为路线纵断面。 纵断面设计：在路线纵断面图上研究路线线位高度及坡度变化情况的过程。 任务：研究纵断面线形的几何构成及其大小与长度。 依据：汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济性等。,地面线：它是根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线。 设计线：路线上各点路基设计高程的连续。,路线纵断面图构成：,地面线,设计线,道路纵断面,地面线：它是根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线。 设计线：路线上各点路基设计高程的连续。,路线纵断面图构成：,地面高程：中线上地面点高程。 设计高程：一般公路，路

2、基未设加宽超高前的路肩边缘的高程。设分隔带公路，一般为分隔带外边缘。 路基高度：横断面上设计高程与地面高程之高差。路堤：设计高程大于地面高程。路堑：设计高程小于地面高程。 纵断面设计内容：坡度及坡长竖曲线,（一）关于纵坡极限值的运用根据汽车动力特性和考虑经济等因素制定的极限值，设计时不可轻易采用应留有余地。一般讲，纵坡缓些为好，但为了路面和边沟排水，最小纵坡不应低于0.3%0.5%。 （二）关于最短坡长坡长不宜过短，以不小于计算行车速度9秒的行程为宜。对连续起伏的路段，坡度应尽量小，坡长和竖曲线应争取到极限值的一倍或二倍以上，避免锯齿形的纵断面。 （三）各种地形条件下的纵坡设计1平原、微丘区：

3、保证最小填土高度，作包线设计。2山岭、重丘区：按纵向填挖平衡设计。,纵断面设计要点,第二节 汽车的动力特性与最大纵坡,(一)、汽车的驱动力汽车的动力来源：汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。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M传给驱动轮，产生Mk的扭矩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，驱使汽车行驶。,一、汽车的动力因数和最大纵坡,汽车传动系统：,汽车的动力传递方式： 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,汽车传动系统：,汽车的驱动力,汽车行驶动力发动机,1.发动机基本结构,发动机是

4、汽车最主要的总成之一，动力的来源。被称为汽车的“心脏”。,3汽车的驱动力,汽车行驶动力发动机,2.发动机工作原理,1、进气行程 2、压缩行程 3、作功行程 4、排气行程,单缸四冲程汽油机的工作过程,进气行程,示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。,排气门关闭,进气门开启,活塞,温度370440 K， 压力7590 kPa,大气压力线,P,V,r,a,示功图,上止点,下止点,压缩行程,进气门关闭,排气门关闭,活塞,压缩比： =Va/Vc,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,上止点,下止点,温度600800K， 压力6001500 kPa,作功行程,进气门关闭,排气门关闭,活塞

5、,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,瞬时最高：温度22002800 K， 压力35MPa,作功终了：温度15001700 K， 压力300500 kPa,排气行程,进气门关闭,排气门打开,活塞,P,V,r,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,温度9001200 K 压力105125 kPa,残余废气,普通汽车发动机基本构造与原理,二冲程发动机工作原理,四冲程发动机工作原理,1空气阻力汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力，车后的真空吸力及空气质点与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。,（二）、汽车的行驶阻力,式中：K空气阻力系数，它与汽车的流线

6、型有关； 空气密度，一般=1.2258（Ns2m4）；A汽车迎风面积（或称正投影面积）（m2）；v汽车与空气的相对速度（ms），可近似地取汽车的行驶速度。,将车速v（ms）化为V（kmh）并化简，得,1空气阻力,对汽车列车的空气阻力，一般可按每节挂车的空气阻力为其牵引车的20%折算。,2道路阻力,道路阻力是由弹性轮胎变形和道路的不同路面类型及纵坡度而产生的阻力，主要包括滚动阻力和坡度阻力。 （1）滚动阻力 弹性轮胎反复变形时，其材料内部发生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上汽车行驶时汽车的不仅轮胎变形，而且路面也会变形，其接触面之间产生摩擦要消耗部分功率（路面支反力前移，与车轮重力形成反向力矩

7、）。另外，由于路面的不平整而造成轮胎震动和撞击引起部分功率的消耗。,（1）滚动阻力,滚动阻力与汽车的总重力成正比，若坡道倾角为时，其值可用下式计算。RfGfcos由于坡道倾角一般较小，认为cos1，则Rf=Gf （N） 式中：Rf滚动阻力（N）；G车辆总重力（N）；f滚动阻力系数，它与路面类型、轮胎结构和行驶速度等有关，一般应由试验确定，在一定类型的轮胎和一定车速范围内，可视为只和路面状况有关的常数，见表3-4。,汽车在坡道倾角为的道路上行驶时，车重G在平行于路面方向的分力为Gsin，上坡时它与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶；而下坡时与前进方向相同，助推汽车行驶。坡度阻力可用下式计算Ri=Gs

8、in因坡道倾角一般较小，认为sintgi，则Ri=Gi （N） 式中：Ri坡度阻力 （N）；G车辆总重力（N）；i 道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。,（2）坡度阻力,RR=G（f+i）式中：f+i统称道路阻力系数。,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成正比，将它们统称为道路阻力，以RR表示,汽车变速行驶时，需要克服其质量变通运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示。汽车的质量：平移质量旋转质量,3惯性阻力,平移质量的惯性力,旋转质量的惯性力矩,惯性阻力计算：,式中：惯性力系数（或旋转质量换算系数）。l12ik2 式中：1表示汽车车轮惯性力的影响系数，一般1=0.

9、030.05；2表示发动机飞轮惯性力的影响系数，一般小客车2=0.050.07，载重汽车2=0.040.05；ik变速箱的速比。汽车的总行驶阻力R为： R=Rw十RR十RI,1汽车的运动方程式 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。当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称为驱动平衡。其驱动平衡方程式（也称汽车的运动方程式）为T=R=Rw+RR+RI,（三）、汽车行驶条件,2.汽车的行驶条件,汽车在道路上行驶，当驱动力等于各种行驶阻力之和时，汽车就等速行驶；当驱动力大于各种行驶阻力之和时，汽车就加速行驶；当驱动力小于各种行驶阻力之和时，汽车就减速行驶，直至停车。所以，要使

10、汽车行驶，必须具有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。即 汽车行驶的必要条件（即驱动条件） ：T R,驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即TGk 式中：附着系数，主要取决于路面的粗糙程度和潮湿泥泞程度，轧胎的花纹和气压，以及车速和荷载等，计算时可按表3-5选用；Gk驱动轮荷载，一般情况下，小汽车为总重的0.50.65倍，载重车为总重的0.650.80倍。,汽车行驶的充分条件：,动力特性：能反映汽车动力性能的指标。 汽车的动力性能：指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等的性能。汽车的动力性愈好，速度就愈高，所能克服的行驶阻力也愈大。 一、汽车的动力因数 汽车的运动方程式：T = Rw+RR+RI

11、 改变形式， T - Rw= RR+RI上式等号左端T-Rw称为汽车的后备驱动力，T、RW之值均与汽车的构造和行驶速度有关。,(四)汽车的动力因数,（六）理想的最大纵坡和不限长度的最大纵坡,1. 理想的最大纵坡i1：是指设计车型即载重车在油门全开的情况下，持续以V1等速行驶所能克服的坡度。V1取值，对低速路为设计速度，高速路为上述载重车的最高速度。,i1=D1-f 2.容许速度V2：不同等级的道路容许速度应不同，其值一般应不小于设计速度的1/22/3（高速路取低限，低速路取高限）。 i2=D2-f i2称为不限长度的最大纵坡,（七）最大纵坡,最大纵坡：是指在纵坡设计时各级道路允许使用的最大坡度

12、值。 影响因素：汽车的动力特性：汽车在规定速度下的爬坡能力。道路等级：等级高，行驶速度大，要求坡度阻力尽量小。自然条件：海拔高程、气候（积雪寒冷等）。纵坡度大小的优劣：坡度大：行车困难：上坡速度低，下坡较危险。山区公路可缩短里程，降低造价。,1. 设计速度为120kmh、l00kmh、80kmh的高速公路受地形条件或其他特殊情况限制时，经技术经济论证，最大纵坡值可增加1。 2. 公路改建中，设计速度为40kmh、30kmh、20kmh的利用原有公路的路段，经技术经济论证，最大纵坡值可增加1。,各级公路最大纵坡的规定（表3-9）,3 4 5 6 7 8 9,1计算加、减速行程由ds=vdt，a=

13、dv/dt，得,二、汽车的加、减速行程和坡长限制,设初速V1，终速V2，则,内容：最小坡长限制：任何路段最大坡长：陡坡路段1最短坡长限制 标准规定，各级公路最短坡长不应小于2.5Vm。城市道路最小坡长按表3-15选用。,（二）坡长限制,3-15,3-14,标准规定各级公路最大坡长限制。,2最大坡长限制,3-11,城市道路最大坡长按表3-12选用。,2最大坡长限制,3-12,（三）纵坡及坡长设计,1.纵坡设计的一般要求1）纵坡设计必须满足标准的各项规定。2）为保证车辆能以一定速度安全顺适地行驶，纵坡应具有一定的平顺性，起伏不宜过大和过于频繁。尽量避免采用极限纵坡值。合理安排缓和坡段，不宜连续采用

14、极限长度的陡坡夹最短长度的缓坡。连续上坡或下坡路段，应避免设置反坡段。越岭线哑口附近的纵坡应尽量缓一些。 3）纵坡设计应对沿线地面、地下管线、地质、水文、气候和排水等综合考虑，视具体情况加以处理，以保证道路的稳定与通畅 。,4）一般情况下山岭重丘区纵坡设计应考虑填挖平衡，尽量使挖方运作就近路段填方，以减少借方和废方，降低造价和节省用地。即纵向填挖平衡设计。,5）平原微丘区地下水埋深较浅，或池塘、湖泊分布较广，纵坡除应满足最小纵坡要求外，还应满足最小填土高度要求，保证路基稳定。即包线设计。6）对连接段纵坡，如大、中桥引道及隧道两端接线等，纵坡应和缓、避免产生突变。交叉处前后的纵坡应平缓一些。7）

15、在实地调查基础上，充分考虑通道、农田水利等方面的要求。,最小纵坡：各级公路在特殊情况下容许使用的最小坡度值。 最小纵坡值：0.3%，一般情况下0.5%为宜。 适用条件：横向排水不畅路段：长路堑、桥梁、隧道、设超高的平曲线、路肩设截水墙等。当必须设计平坡（0%）或小于0.3%的纵坡时，边沟应作纵向排水设计。在弯道超高横坡渐变段上，为使行车道外侧边缘不出现反坡，设计最小纵坡不宜小于超高允许渐变率。干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。,三、最小纵坡、平均纵坡和和成纵坡,1.最小纵坡,2、缓和坡段,标准规定，连续上坡(或下坡)时，应在不大于所规定的纵坡长度范围内设置缓和坡段。缓和坡段的纵坡应不大于3，其长度应符合纵坡长度的规定。 缓和坡段：纵坡值：不应大于3%长 度：不小于最小坡长要求线 形：宜采用直线。在地形困难路段可采用曲线； 注：曲线半径较小时，缓和坡段长度应增加。回头曲线段不能作为缓和坡段。,3.平均纵坡,平均纵坡是指一定长度的路段纵向所克服的高差H与路线长度L之比（连续升坡或降坡路段）。,