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        以電動(dòng)自行車為主的市政道路非機(jī)動(dòng)車道縱坡研究

        2019-01-28 06:02:32屈興威
        關(guān)鍵詞:空氣阻力爬坡縱坡

        屈興威

        (中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,武漢430000)

        1 引言

        2018年,工業(yè)和信息化部等組織了GB 17761—1999《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作,修訂后的標(biāo)準(zhǔn)名稱為GB 17761—2018《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱為“新標(biāo)準(zhǔn)”)。新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后,將逐步取締市場(chǎng)上現(xiàn)有不符合標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)車,同時(shí)對(duì)“共享電動(dòng)車”以新標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格管理。

        本文主要從滿足新標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)車行駛過(guò)程中的受力及城市道路非機(jī)動(dòng)車道縱坡設(shè)計(jì)兩個(gè)方面討論電動(dòng)車爬坡能力與非機(jī)動(dòng)車道的縱坡之間匹配性。

        2 電動(dòng)車行駛過(guò)程中的受力計(jì)算

        電動(dòng)車爬坡行駛過(guò)程中受到的阻力主要為滾動(dòng)阻力、空氣阻力及爬坡阻力。

        2.1 滾動(dòng)阻力

        當(dāng)充氣輪胎在理想路面(通常指平坦的干、硬路面)上直線滾動(dòng)時(shí),其外緣中心對(duì)稱面與車輪滾動(dòng)方向一致,受到的與滾動(dòng)方向相反的阻力即為輪胎滾動(dòng)阻力。影響滾動(dòng)阻力大小的因素很多,由于受力復(fù)雜,故一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算滾動(dòng)阻力[1]:

        式中,F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力,N;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);g為重力加速度,9.8m/s2;m為行駛部分的質(zhì)量,kg。

        2.2 空氣阻力

        電動(dòng)車在行駛過(guò)程中,空氣會(huì)對(duì)其產(chǎn)生阻礙力,行駛速度、接觸面及空氣密度均會(huì)對(duì)空氣阻力產(chǎn)生影響,空氣阻力可按式(2)計(jì)算:

        式中,F(xiàn)w為空氣阻力,N;C為空氣阻力系數(shù);ρ為空氣密度,取1.293g/L;S為迎風(fēng)面積,m2;V為物體與空氣的相對(duì)行駛速度,m/s。

        2.3 爬坡阻力

        電動(dòng)車勻速爬坡時(shí),爬坡阻力為行駛部分重量沿坡道方向的分力,可按式(3)計(jì)算:

        式中,F(xiàn)i為爬坡阻力,N;θ為坡道角度,°。

        3 電動(dòng)車行駛過(guò)程縱坡參考值

        市面上現(xiàn)有的電動(dòng)車因功率較大,速度較快,故爬坡能力較強(qiáng),電機(jī)功率為800W的普通電動(dòng)車在縱坡為6%時(shí),仍能滿足80kg的駕駛員的爬坡要求[2]。但是在新標(biāo)準(zhǔn)的條件下,電機(jī)功率大幅削弱,對(duì)于電動(dòng)車的爬坡能力勢(shì)必造成影響。

        3.1 電動(dòng)車較高車速下爬坡的縱坡推薦值

        以新標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn),電動(dòng)車勻速爬坡過(guò)程中計(jì)算參數(shù)按車速20km/h、整車質(zhì)量50kg、物重80 kg、電機(jī)功率400W計(jì)算。

        電動(dòng)車勻速爬坡過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)如下:

        滾動(dòng)阻力系數(shù)f:在良好的瀝青或混凝土路面,f=0.01~0.018,取f=0.015;行駛部分的重量mg=1274N;空氣阻力系數(shù)C為0.86;迎風(fēng)面積S取0.5;機(jī)械傳動(dòng)效率為0.98;電機(jī)效率為0.8;總效率η=0.784。

        式中,F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力,N;Fw為空氣阻力,N;Fi為爬坡阻力,N;P為電機(jī)功率,W;η為電動(dòng)車輸出總效率。

        以上計(jì)算可得電動(dòng)車較高車速爬坡的情況下,推薦非機(jī)動(dòng)車道縱坡為2.3%,由此可見(jiàn),新規(guī)范的約束下,電動(dòng)車的爬坡能力與城市道路非機(jī)動(dòng)車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是匹配的。

        3.2 電動(dòng)車不同爬坡車速下的縱坡推薦值

        考慮部分城市存在跨線橋上設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道的需求,如廣西南寧凌鐵大橋等,為達(dá)到增加橋梁縱坡、減小工程規(guī)模的目的,可犧牲電動(dòng)車的部分爬坡速度。

        經(jīng)計(jì)算,坡度i與爬坡速度V之間的關(guān)系如式(5)所示:

        式(5)已將行駛速度換算成時(shí)速。坡度i與爬坡速度V之間計(jì)算表如表1所示。

        表1 爬坡速度與縱坡計(jì)算表

        由此可見(jiàn),在道路或橋梁非機(jī)動(dòng)車道縱坡超過(guò)CJJ 37—2012《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值時(shí),新標(biāo)準(zhǔn)額定的電動(dòng)車依舊具有較高的爬坡能力,爬坡速度與道路縱坡之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

        圖1 爬坡速度與道路縱坡關(guān)系曲線

        由圖1和表1所示,推薦跨線橋梁上設(shè)有以電動(dòng)車為主的非機(jī)動(dòng)車道的道路縱坡可按照0.6V(15km/h)控制,即4%的坡度;道路縱坡對(duì)總工程造價(jià)影響較小,建議道路上以電動(dòng)車為主的非機(jī)動(dòng)車道縱坡按照0.7V(17.5km/h)控制,即3%的坡度。若受到工程造價(jià)或其他因素的限制,縱坡還可適當(dāng)增大。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)電動(dòng)車爬坡過(guò)程中的力學(xué)分析,提出了適用于城市范圍內(nèi)以電動(dòng)車為主的非機(jī)動(dòng)車道縱坡的推薦值,包括電動(dòng)車高速行駛狀態(tài)、電動(dòng)車騎行上橋及電動(dòng)車在普通道路上爬坡行駛的推薦縱坡等,為城市道路非機(jī)動(dòng)車道縱坡設(shè)計(jì)提供參考。

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