山区高速公路车辆下行最大纵坡及坡长限制分析

第1卷第2期2001年6月

交通运输工程学报

JournalofTrafficandTransportationEngineering

Vol.1No.2June2001

文章编号:1671-1637(2001D02-0068-06

山区高速公路车辆下行最大纵坡及坡长限制分析

石飞荣1 杨少伟2

(陕西省公路勘察设计院 陕西西安

710068;2.长安大学公路学院 陕西西安

710064D

摘

要:山区高速公路建设中 路线最大纵坡与工程量~工程造价的矛盾十分突出 若严格执行标准

会出现大量高填~深挖路基~长大桥梁及隧道G从车辆动力学角度对山区高速公路车辆下行的最大纵坡和坡长进行了分析 提出了下行理想最大纵坡~一般最大纵坡~极限最大纵坡和坡长限制分析值 供公路设计人员及标准修订时参考G

关键词:山区高速公路;车辆下行;最大纵坡;坡长限制中图分类号:U412.3

文献标识码:A

TheMaximumLongitudinalslopeandItsLengthofMountain-expressway

undertheConditionofvehicle/sDrivingDown

12

SHlfez-Tong YANGShco-wez

(1.ShaanxiproVince~ighWayDesignandSurVeyInstitute Xi/an710068 China;

2.Schoolof~ighWay Chang/anUniVersity Xi/an710064 ChinaD

Abstract:IntheconstructionofexpressWayinmountainarea thecontradictionofthemaximumlongitudinalslopeWithengineering sVolumeandcostisVeryprominent.IftheconstructionstandardWasexecutedstrictly theengineeringVolumeofhighfillanddeepexcaVationWillbeVerybig manylongspanbridgesandtunnelsmustbeconstructedfromthepointofVehicledynamics andthemaximumlongitudinalslopeanditslengthofmountain-expressWayundertheconditionofVehicle sdriVingdoWnareanalyZed.Theconceptsofidealmaximumlongitudinalslope generalmaximumlongitudinalslopeandthelimitationmaximumlongitudinalslopeareputforWard.AndtheirlengthisdeterminedtoproVideareferenceforhighWaydesigner.

\eywords:mountain-expressWay;VehicledriVingdoWn;maximumlongitudinalslope;limitationofslopelength

中国高速公路是从20世纪70年代开始规划论证 20世纪80年代部分省~市~自治区开始建设 20世纪90年代迅速发展G到1999年底 全国已建成通车的高速公路达11000km以上G为适应高速公路的建设 (以下简称D在80年代(1981~1988年D修订了两次 20世纪90年代(1997年D修订了一次G不到20年修订了3次 一方面说明中国重视总结高速公路建设中出现的新问题~新情况 另一方面说明标准的修订滞后于工程实践G

目前 国内已建成的高速公路大多位于经济较

收稿日期:2000-09-25

作者简介:石飞荣(1963-D 男 陕西府谷人 陕西省公路勘察设计院高级工程师 硕士 从事道路勘测设计研究.

发达的平原~微丘区 公路纵断面设计基本不受最大纵坡控制G在今后相当长的一个时期内 高速公路的建设将转向到山岭区G面对山岭区地形~地貌~地质条件复杂~工程量艰巨~环境保护工作难度大等因素 如何做到安全~经济~舒适~美观~利于环境保护 公路纵断面设计将起着举足轻重的作用G从国外已建成的高速公路来看 纵断面设计能因地制宜 采用低填~浅挖路基 坡长~坡度运用充分考虑了地形~地貌条件 纵坡大于5 7 的段落较多 个别段落纵坡甚至达到10 坡长亦比规定大得多G

第2期石飞荣9等:山区高速公路车辆下行最大纵坡及坡长限制分析

E=(1-2.26>10H)正向空气阻力为

-5

5.3

69

现行

]

].]

车辆下行的受力分析

制动力矩

222

>1.225ECf AV=Fz =Cf AVa

223.6

f 2

(N)(4)

21.14

式中:E为海拔修正系数;H为海拔高度(m);V为

车辆行驶速度(km/h);A为汽车横向正截面积(m2);Cf 为正向空气阻力系数;Cfz为升向空气阻力从减少发动机磨损\节约费用角度考虑9发动机惯性制动力矩仅计泵气和摩擦损耗阻力矩O其制动力矩为

Me=-9.8>0.796P1VH9P1=1.5+0.138Cm9Cm=30

S/nM又

V=

KM2.65z0zK

则Me=-7.8> 1.5+0.138>0K301K

VH=

- 11.7+0K10.521K

VH

(1)式中:M

e为发动机的制动力矩(N m);P1为活塞顶部的负压力;Cm为活塞的平均运动速度;nM为发

动机的最大转速;S/为活塞的行程(m);VH为车辆的排气量(1)O

发动机产生的制动力矩转换为制动轮上的力矩为

MK=

7k

Ft=

Kek00KRK=1.041k7k=- 11.25+

Hk0

10.941K1k7k

(2)式中:Mk为制动轮的扭矩(N m);RK为制动轮的

动力半径9约为制动轮工作半径的1.04倍;1k为制

动轮的工作半径(m);z0为主传动器的变速比;zK为变速箱的变速比;7K为发动机的机械效率O].2空气阻力

为简化计算9不考虑空气阻力产生的侧向力\纵摆力矩\横摆力矩\摇摆力矩对车辆纵向行驶的影响O由于风向的不确定性及风速与车辆行驶速度相比较小9对纵向行驶的车辆9其气流与车辆的相对运动速度按车辆行驶速度计9流入角按最不利情况0 计;空气密度0的气温T取15C9气压的影响用海拔修正系数考虑9则空气的升力为

Fza=CfzA22Va

2>1.225ECfzAV2

23.6

=

2

21.14

(N)(3)

系数O].3

车轮阻力

在正常的道路行驶条件下9不考虑车辆的穿水阻力\轴承摩擦力9前轮前束阻力按滚动阻力的5%计9取coso 19则车轮的阻力为

FR=1.05> Gcoso-fz2

21.14

f

1.05 G-fz2

21.14

f

式中:G为汽车重量(N);f为滚动阻力系数

(5)

O

].4

坡度阻力

设坡度为p(坡度角为o)9汽车重量为G9则坡度阻力Fs为

Fs= tano Gcoso-CfzEAV2

21.14

由于道路纵坡一般较小9故有tano p9coso

19则坡度阻力可简化为

-fzs pG2

F21.14

(6)

].5

惯性阻力

根据车辆运动方程9汽车加(减)速运动时9作用于车轮上的阻力矩转换为加(减)速的阻力为

FJ=

[122g+1R1+1R2]

dt2

设8=1+

1

1R1m+21R2m

则

FJ=8

2gdt2

(7)

2

车辆的运动方程

下行车辆受到发动机惯性制动力\空气阻力\滚动阻力\坡度阻力\惯性阻力作用9其受力平衡方程为

F=Fza+FR-Fs FJ=

2

21.14

+1.05>

G-fz2fz2221.14f-G-21.14p g8

dt2

=

70

交通运输工程学报

2001年

fx2f 2

(1.05f-PDi+G-21.1421.14

D

4

(8D

车辆行驶速度

车辆运行速度除与驾驶员的驾驶技术和车辆性

28gdt2

3

计算车型选取

根据对西安到宝鸡高速公路~西安至铜川一级

能有关外 还与公路及其路侧的外部特征~气候~其它车辆的运行有关 根据国内外一些观测资料 在计算行车速度较低时为90 *95 较高时为80 或更低一些 计算理想最大纵坡~不限长度最大纵坡的车速见表3

表3理想最大纵坡及不限长度最大纵坡的车速

公路~西安至潼关高速公路的历年交通量调查结果 经整理得车型比例见表1 在高速公路营运中 车型以小客车为主导 占车辆总数的46 而且随着国家鼓励私人购车政策的陆续出台 小客车在高速公路中的比例还会提高 因而 完全以标准载重汽车作为主导车型 对山区高速公路建设会导致工程量过大 工程造价过高 路线最大纵坡的确定应充分考虑小客车占车辆总数近一半的情况 对小客车应以理想最大纵坡为限 载重汽车则应综合考虑动力性能~车型比例~实载率等因素(见表1D

表1已通车高速公路的车型比例

路段名称

车型

西安至潼关西安至铜川西安至宝鸡高速公路

一级公路高速公路平均值小客车

38.640.958.3046.00车型占大客车10.36.92.506.67客~货车小货车

合计的6.810.412.509.67百分比中货车36.333.623.7431.33/

大货车5.44.82.204.00拖挂车2.7

3.4

0.80

2.33

计算车型小客车选择桑塔纳 载重汽车选择解放CA141 其主要技术性能参数见表2

表2车辆的主要技术性能参数

车型桑塔纳SATANA解放CA141产地上海大众汽车有限公司

第一汽车制造厂

G/N1315878480nN/1 min-1

56003500Cfx0.3800.852Cf 0.2600.200A/m21.8984.3111/m0.2870.481z04.1116.3907k

0.900.82CfxA/21.143.4125E-021.7375E-01Cf A/21.14

2.3348E-02

4.0785E-02

f

0.01

0.01

计算行车速度/km h-[1**********]理想行车速度/km h-1100(80D807555容许行车速度/km h-1

60

55

50

40

注:表中数据带括号者 括号外的数据适用于小客车 括号内的数

据适用于载重汽车

5

车辆下行的最大纵坡及坡长限制

5.1

发动机做惯性制动的车辆运动方程

由式(8D可得车辆等速行驶 发动机做惯性制动

的运动方程

Ft=F a+FR-FS

令K= G-f

1221.14

D

fx2

K2=

21.14

K3= 11.25+

0KD

Hk0

10.941K1k7k则P=23

K1

+1.05f(9D

5.2车辆下行最大纵坡

根据式(9D及表3 以桑塔纳~解放CA141为标准车型时 车辆下行(实载率分别为100 和75 D

的理想最大纵坡见表4

从表4可看出 车辆在不同排档~不同海拔高度~不同实载率下 其理想最大纵坡是不同的 根据计算理想最大纵坡的车速和表2中车辆在不同排档下的车速范围 确定车辆下行理想最大纵坡的排档 当计算行车速度B80km/h 小客车选择四档~载重汽车选五档;当计算行车速度为60km/h 小客车选三档~载重汽车选四档 则在海拔高度2000m~满载及实载率75%条件下 车辆下行理想最大纵坡见表5

在载重汽车下行理想最大纵坡基础上 以车辆满载下行理想最大纵坡作为路线下行的理想最大纵坡 以车辆实载率为75%下行的理想最大纵坡做为车辆下行的一般最大纵坡 考虑适当使用刹车 在一般最大纵坡基础上增加1%*2%做为车辆下行的

第2期石飞荣.等:山区高速公路车辆下行最大纵坡及坡长限制分析

表4

桑塔纳

车型

满载

三档

H=0

四档五档三档

0.0920.069 0.0880.065 0.0860.063 0.0840.061 0.0760.057 0.0740.054 0.0730.053 0.0710.052

0.1020.0620.0440.1010.0600.0420.0990.0590.0410.0980.0580.0400.1020.0620.0440.1010.0600.0420.0990.0590.0410.0980.0580.040

71

车辆下行理想最大纵坡分析

桑塔纳

CA141

桑塔纳

车型

满载

0.0730.054 0.0710.052

V=75km/h

0.0700.051 0.0690.050 0.0600.044 0.0590.043

V=55km/h

0.0590.043 0.0580.042

0.0970.0590.0420.0960.0570.0400.0950.0570.0390.0940.0560.0380.0790.0480.0340.0780.0480.0330.0780.0470.0330.0770.0470.032CA141

桑塔纳

CA141

CA141

实载率75%0.0990.074 0.0950.070 0.0930.068 0.0900.065 0.0820.061 0.0800.058 0.0790.057 0.0770.055

0.1170.0700.0490.1150.0680.0470.1140.0670.0460.1130.0660.0450.1170.0700.0490.1150.0680.0470.1140.0670.0460.1130.0660.045

实载率75%0.0790.058 0.0770.056 0.0750.054 0.0740.053 0.0650.047 0.0640.046 0.0630.046 0.0620.045

0.1120.0670.0470.1100.0650.0450.1090.0640.0440.1080.0630.0430.0900.0550.0380.0890.0540.0370.0890.0530.0360.0880.0520.036

小客车:V=100km/h.载重汽车:

H=1000

四档五档三档四档五档三档

V=80km/hH=2000

H=3000

四档五档三档

H=0

四档五档三档

H=1000

V=80km/h

H=2000

四档五档三档四档五档三档

H=3000

四档五档

表5

高速公路下行的理想最大纵坡

计算行车速度/km-h-1120

小客车

6.34.16.84.6

1005.34.15.74.6

805.13.95.44.4

605.94.79.65.3

初速度计算.并在速度变化过程中保持不变(偏于安全D.以车辆下行理想最大纵坡基础上的附加坡度力做为车辆动力.则车辆从初速度V1到V2的行程S为

2

2(10DS=

fz21

25.921-(P2-P1D

21.14G8

式中:V1为车辆的初速度(km/hD;V2为车辆的终速

纵坡/%

实载率100%

载重汽车小客车

()

实载率75%

载重汽车

极限最大纵坡.见表6

表6高速公路下行的最大纵坡

计算行车速度/km-h-1

理想最大纵坡/%一般最大纵坡/%极限最大纵坡/%

120456

100456

80457

60467

度(km/hD;P1为理想最大纵坡;P2为计算坡长限制的最大纵坡;g为重力加速度(m/S2D;8车辆回转质量换算系数;S为坡长限制长度(mD

计算车辆下行的坡长限制.其终速度可采用计算行车速度.初速度可按下列原则确定

对于小客车.由于其动力性能较好.在不同道路纵坡上.车辆行驶速度差别较小.其初速度可采用理想行车速度 对于载重汽车.由于其动力性能不如小客车.计算行车速度 100km/h.其初速度可略比理想行车速度小.按最高行驶速度的

s.3

车辆下行的坡长限制

设空气阻力~发动机惯性阻力~车轮阻力以车辆的

72

交通运输工程学报

2001年

80%计;计算行车速度为80~60km/h 按容许行车速度计O则不考虑车辆下坡过程使用刹车 按式在海拔高度2000m~满载及实载率75%条件下 车辆下行的坡长限制见表8O

因道路上行驶车辆的平均实载率为75% 适当计算的车辆下行的坡度限制长度见表7O

表7车辆下行坡长限制分析

车型实载率/%纵坡度/%

三档

H=0

小客车V=100~120km/h 载重汽车V=72~90km/h时 下行车辆的坡长限制

H=2000H=1000

四档五档三档四档五档三档四档五档三档

H=3000

四档五档三档

H=0

小客车V=80~100km/h~载重汽车V=72~90km/h时 下行车辆的坡长限制

H=2000H=1000

四档五档三档四档五档三档四档五档三档

H=3000

四档五档三档

H=0

小客车V=75~80km/h 载重汽车V=50~80km/h时 下行车辆的坡长限制

H=2000H=1000

四档五档三档四档五档三档四档五档三档

H=3000

四档五档三档

H=0

小客车V=55~60km/h~载重汽车V=40~60km/h时 下行车辆的坡长限制

H=2000H=1000

四档五档三档四档五档三档四档五档三档

H=3000

四档五档

5不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限6752 不限427 不限363 不限332 不限303

1006不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限4378 不限2710 不限2193 不限1803 不限530 不限406 不限355 不限311 不限154 3786145 1942140 1252134

7不限13668 不限3937 不限2732 不限2029 不限1128 不限973 不限896 不限823 不限202 不限181 53539170 2423159 25794 23390 22088 20786

5不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限934 不限661 不限560 不限477

小

客

车

756不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限不限 不限9263 不限4977 不限3266 不限1457 不限770 不限596 不限474 不限195 不限179 不限171 不限162

7不限不限 不限不限 不限9125 不限4081 不限1658 不限1326 不限1180 不限1049 不限271 不限232 不限213 不限195 489109 404104 364101 32898

5不限不限1209不限不限1063不限不限988不限不限916不限不限1209不限不限1063不限不限989不限不限917不限3917894不限3383863不限3120844不限2867824不限954393不限910385不限885380不限859375

1006不限4271596不限2888558不限2406537不限2023514不限4271596不限2889558不限2407537不限2025515不限1135569不限1085557不限1056549不限1026540不限441264不限431260不限425258不限419256

7不限934395不限845378不限798368不限751358不限934395不限846378不限799368不限752358不限663418不限646411不限636407不限[***********][***********]1797277194

5不限不限2453不限不限1854不限不限1611不限不限1402不限不限2453不限不限1855不限不限1612不限不限1403不限不限1133不限不限1076不限不限1043不限不限1008不限2360466不限2077454不限1933446不限1793438

载

重

汽

车

756不限不限798不限不限722不限不限682不限不限641不限不限798不限不限722不限不限682不限不限642不限1957660不限1794640不限1706628不限1617615不限614296不限593291不限580288不限567284

7不限2361476不限1810448不限1581432不限1383416不限2361476不限1810448不限1582433不限1384416不限886465不限851455不限830449不限809443不限353217不限346214不限341212不限337210

第2期

表8

石飞荣 等:山区高速公路车辆下行最大纵坡及坡长限制分析

高速公路下行的坡长限制/m

计算行车速度/km-h-1120

5

小客车

675

载重汽车

675

小客车

675

载重汽车

67

不限不限[1**********]68不限不限[1**********]432

100不限[**************]8不限[***********]

80不限[**************]不限[**************]9

[***********][***********]41

73

从分析过程来看 对下一次修订提出以下建议:

(1)公路纵坡及坡长限制的确定应考虑小客车占车辆数近一半情况 而且小客车的比例随着中国加入WTO还将增加 载重汽车的性能也将不断提高G若公路纵坡及坡长限制完全以载重汽车为标准进行确定 从目前载重汽车的最高行驶速度看 一般不超过100km/h 这样计算行车速度为120km/h和100km/h的高速公路纵坡应采用相同的标准G(2)关于坡长限制 由于缺乏初速度的概念 在实际应用中较难掌握 建议取消坡长限制 增加路段最低行车速度限制 用速度曲线对路段的车速进行检验G

(3)应考虑高速公路进入山区左~右半幅分离后 对上~下行车辆纵坡度提出不同要求G从节省工程量和车辆的受力分析看 下行车辆的纵坡度是可以增加的 为确保安全 可以增设应急撤离车道G参考文献:

纵坡/%

实载率100%

实载率75%

考虑使用刹车1~2次后 可将实载率为75%的载重汽车下行的坡长限制取整后作为控制坡长的依据 见表9G

表9

车辆下行的坡长限制长度/m

-1

[1]

[1**********]0

计算行车速度/km-h

5

纵坡/%

67

1201600700

1001600700

[1**********]0

M-米奇克 桑出版社 1980.出版社 1995.

杰.汽车动力学[M].北京:机械工业

[2][3][4][5][6]

戴冠军.最新汽车维修手册(上~下册)[M].北京:宇航张雨化.道路勘测设计[M].北京:人民交通出版社 1997.

97 公路工程技术标准[S].JTJ001

94 公路路线设计规范[S].JTJ011

杨少伟.坡道上变速车道长度的修正[J].重庆交通学院学报 1997 (3).

6

结语

本文从车辆下行的受力分析角度 提出了车辆下行的理想最大纵坡~一般最大纵坡~极限最大纵坡和坡长限制分析值 供设计人员及标准修订时参考G

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系中华人民共和国教育部主管 原西安公路交通大学主办的学术性季刊 她在中国乃至世界范围内的公路交通科技领域具有广泛的影响 她是国务院学位委员会~国家教育部学位与研究生教育中文重要期刊 (第三版)鉴定的中国公路运输类核心期刊 Ei(PageOne数据库)固定刊源 国际道路科研信息

(IRRD)书目文献数据库固定刊源 中国道路文献服务中心(CRDS)核心报道期刊 自1981年创刊以来多次获国家交通部和陕西省奖励G

以繁荣公路交通科技为己任 促进公路交通科技交流和转化G她主要刊载道路工程~桥梁工程~交通工程~隧道工程~汽车工程~筑路机械~交通控制与交通运输管理等学科具有国内先进水平的论文 同时刊载公路交通科技动态方面的简要评述和通讯G的主要读者对象为大专院校师生~公路交通科研人员~公路交通管理决策人员~公路交通领域的勘测~设计和施工单位的技术人员G全年4期 每季度首月末出版 欢迎订阅 各地读者可在当地邮局订阅 每期定价10.00元 全年定价40.00元G

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山区高速公路车辆下行最大纵坡及坡长限制分析

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石飞荣， 杨少伟长安大学公路学院,

交通运输工程学报

JOURNAL OF TRAFFIC AND TRANSPORTATION ENGINEERING2001,1(2)17次

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