农业园道路纵断面线形研究

方新雷，宋广锋，张　雷，贺映全

(1.武汉建工集团股份有限公司，湖北 武汉 430023；2.中国建筑第三工程局有限公司，湖北 武汉 430074；

3.湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)

农业园道路纵断面线形研究

方新雷1，宋广锋2，张雷3，贺映全3

(1.武汉建工集团股份有限公司，湖北 武汉 430023；2.中国建筑第三工程局有限公司，湖北 武汉 430074；

3.湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)

摘要：以农业园道路的纵断面设计指标作为研究对象，分析了农业园道路与传统公路在纵断面技术指标上存在的差异，从汽车爬坡过程的稳定要求、驱动力平衡和汽车外形对爬坡坡度的限制三个方面讨论了农业园道路纵断面线形设计的技术指标，为农业园道路的规划设计提供可靠的理论依据。

关键词：农业园道路；纵断面线形；最大纵坡

中图分类号：U412.1+3

文献标志码：码：A

文章编号：号：2095-4824(2015)06-0104-04

收稿日期：2015-09-07

作者简介：方新雷(1986-)，男，湖北咸宁人，武汉建工集团股份有限公司工程师，硕士。

Abstract：Taking the profile design indices of agriculture park roads as the research object, this paper analyzes the differences between the agriculture park roads and the conventional roads and discusses the technical indices in the design of the agriculture park roads from three aspects such as the stability, the balance of driving force, and the shape of cars when cars climb, which may offer a reliable theoretical reference for the design of agriculture park road plan.

目前，我国农业园道路的设计大多采用传统公路的设计标准。即使个别省市在地方标准中对农业园道路的设计标准有所提及，但仅仅是在概念上进行了细微的调整。随着我国现代农业的快速发展，农业园在我国各地得到了迅猛发展。因此，如何构建符合农业园道路内在要求的纵断面线形设计技术指标，是设计更加合理、更加符合实际情况的农业园道路亟待解决的问题。本文选择农业园道路的纵断面设计指标作为研究对象，与传统公路作相应的比较，探讨研究符合农业园道路特点的纵断面设计指标，从而为现代农业园的建设提供理论依据[1]。

传统公路的最大纵坡是基于道路的设计速度来确定，即要求汽车在爬坡的过程中速度不得低于设计速度，此时道路纵坡远远小于汽车的实际爬坡能力。由于农业园道路设计速度通常低于传统公路，采用传统公路的设计标准设计农业园道路显然与实际情况不相符。为了充分发挥汽车的爬坡性能，以节省项目投资、减少对环境的影响，本文将从汽车的爬坡稳定要求、驱动力要求以及车身对农业园道路的最大纵坡要求三个方面研究农业园道路纵断面线形[2-3]。

1汽车爬坡过程的稳定要求

汽车在道路上行驶过程中，要保证汽车安全稳定行驶，则汽车上坡过程中需满足汽车纵向不倾覆和汽车纵向不滑移两个稳定条件。汽车等速上坡示意图如图1所示。

图1　汽车等速上坡示意图

为保证汽车纵向不倾覆，则可以建立如下爬坡力学模型。汽车产生纵向倾覆的临界状态是汽车前轮的法向力FZ1=0，此时汽车可能就会绕后轮发生倾覆现象。对汽车后轮着地点取力矩平衡，汽车产生纵向倾覆的临界状态是汽车前轮的法向力FZ1=0，此时汽车可能就会绕后轮发生倾覆现象。对汽车后轮着地点取力矩平衡，则有：

宋广锋(1990-)，男，江西宜春人，中国建筑第三工程局有限公司工程师，硕士。

张雷(1990-)，男，安徽安庆人，湖北工业大学土木工程与建筑学院硕士研究生。

GL2cosα-Ghgsinα0=0

(1)

(2)

式中：α0表示倾覆临界坡度角，i表示倾覆临界的最大纵坡。

为保证汽车纵向不滑移，对于驱动轮是后轮的汽车，根据与地面的附着条件可以得到汽车驱动轮在纵向不产生滑移的临界状态为[1]：

Gsinαφ=φGk

(3)

因为sinαφ≈tanαφ=iφ，则

(4)

式中：αφ表示产生纵向滑移临界状态时的坡角，i表示产生纵向滑移临界状态时的纵坡，φ表示附着系数，Gk表示作用在驱动轮的荷载。一般情况下，小汽车为总重的0.5～0.65倍，载重汽车为总重的0.65～0.8倍。表1是各类路面上附着系数φ的平均值。

表1　各类路面上附着系数的平均值

由上述两个条件可知，L2/hg≈1，而φGk远小于1。因此，要保证汽车纵向稳定，需满足：

(5)

即：iφ

即汽车在坡道上行驶时，在发生纵向倾覆之前就会发生纵向滑移。因此，只要保证了汽车纵向不滑移，就能够保证汽车上坡时不发生纵向倾覆，可以得到汽车纵向稳定行驶的条件为：

(6)

表2　各类路面上汽车的最大爬坡能力(%)

2汽车爬坡过程的驱动力平衡

由一般常识可知，汽车爬坡过程除了要满足稳定条件外，汽车还必须有足够的动力，汽车的驱动力越小，爬坡能力也越弱。因此汽车在爬坡的过程中还必须满足动力平衡条件。图2是汽车汽车爬坡受力示意图。

图2　汽车爬坡受力示意图

由驱动轮与路面的附着条件决定的牵引力需要满足[4]：

(7)

式中Fz表示驱动轮的法向反作用力，φ表示附着系数，f表示滚动摩阻力系数，Rw表示空气阻力。因此得到上坡阻力为：

(8)

表3是各类路面滚动阻力系数f值。

表3　各类路面滚动阻力系数f值

由发动机最大转矩所决定的牵引力，需要满足如下条件：

Ft2=Temaxig1ig2ηt/r

(9)

式中：Temax表示汽车发动机输出的最大转矩，ig1表示变速器的头档传动比，ig2表示主减速器传动比，ηt表示传动系传动效率，r表示车轮半径。对于具有分动器、轮边减速器和液力传动装置等的汽车，上式应计入相应的传动比和传动效率。

本文提到的空气阻力Rw是指汽车在行驶过程中空气对其形成的一种反向作用力，其计算公式为：

(10)

式中：V为汽车行驶速度(单位：m/s)，A为汽车车身的横截面面积(单位：m2)，Cw为风阻系数。风阻系数Cw是一个无单位的系数。依据车的外形不同，Cw取值一般在0.3～0.6之间，一般大多数轿车的风阻系数在0.28～0.4间，流线性较好的汽车其风阻系数可达到0.25左右。

依据上述理论，取农业园道路设计速度的最大值V=12 km/h，取Cw=0.4。计算得代表车型的空气阻力如表4所示。

表4　各类汽车爬坡时的空气阻力(单位：N)

由表4，空气阻力在汽车低速行驶时非常小，均不超过300 N，因此在汽车爬坡计算时可忽略空气阻力的影响。

文中汽车最大牵引力Ft2以奥迪Q5 2010款2.0TSI车型作为样本进行计算[5]。查奥迪Q5发动机外特性曲线，对其数据进行离散化，取不同转速时功率和转矩的具体参数值，如表5所示。

表5　汽车外特性中的功率与转矩离算数据表

结合车型参数,查阅奥迪Q5传动系传动比如表6所示。

表6　汽车外特性中的功率与转矩离算数据表

由图3可以看出：当奥迪Q5处于Ⅰ挡，最大牵引力为12.44 kN，此时的速度为29.3 km /h。由于农业园道路的设计速度远远达不到29.3 km/h，因此牵引力也达不到最大值12.44 kN。

图3　奥迪Q5的各档位牵引力

3汽车外形对爬坡坡度的限制

汽车在坡道行驶时，除了稳定性能和动力性能要满足要求外，坡道还必须符合汽车外形的要求，即要符合汽车的接近角和离地高度的要求。

接近角是指汽车在满载静止时，汽车最前点向前轮所引切线与地面的夹角(见图4)。接近角越大，汽车在进行越野上坡行驶时，就不容易发生触头，汽车的性能就越好。一般小汽车的接近角在35°左右，而越野车的接近角更大。

离去角是指汽车在满载静止时，自车身最后点向后车轮引切线与路面之间的夹角(见图4)，它反映了汽车离开障碍物时，不发生碰撞的能力。离去角越大，则汽车的越过障碍物的性能越好。一般小汽车的离去角35°左右。

图4　汽车接近角、离去角示意图

4结论

针对农业园区道路与传统公路存在的差异，本文从汽车爬坡过程的稳定要求、汽车爬坡过程的驱动力平衡和汽车外形对爬坡坡度的三个方面讨论了农业园道路纵断面线形设计的技术指标。结果表明，农业园道路的行车速度非常小，汽车的爬坡能力需要满足汽车爬坡稳定性要求，并根据该标准计算农业园道路的纵坡设计值。以汽车的驱动力为标准，测算出奥迪Q5车型动力系统所能提供的最大爬坡坡度为35.21°。以汽车的外形尺寸为依据，估算出农业园道路纵坡的最大坡度为30°。本文提出的农业园道路纵断面线形设计的技术指标可为农业园道路的规划设计提供参考依据。

[参考文献]

[1]曹春阳.道路勘测设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：27-33.

[2]方新雷.农业园道路设计标准及生态设计理念的研究[D].武汉:湖北工业大学，2015.

[3]Mathur S, Soni S K, Murty A. Utilization of industrial wastes in low-volume roads[J]. Transportation Research Record, 1999, 1652:246-256.．

[4]邵慧强，王望予，林红月，等.FF汽车爬坡能力的研究[J].兵工学报，1998(3)：263-266.

[5]包凡彪.汽车动力性计算方法与特性图形绘制的应用[J].工程与试验，2011，51(3)：79-83.

Study on Vertical Alignment of Agricultural Park Road

Fang Xinlei1，Song Guangfeng2，Zhang Lei3，He Yingquan3

(1.WuhanConstructionEngineeringCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430023,China;

2.ThirdConstructionEngineeringBureauCo.,Ltd,Wuhan,Hubei430074,China；

3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430068,China)

Key Words： agricultural park road; longitudinal section alignment; maximal longitude

(责任编辑：张凯兵)