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

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，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，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。