以電動自行車為主的市政道路非機動車道縱坡研究

屈興威

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢430000）

1 引言

2018年，工業和信息化部等組織了GB 17761—1999《電動自行車通用技術條件》強制性國家標準的修訂工作，修訂后的標準名稱為GB 17761—2018《電動自行車安全技術規范》（以下簡稱為“新標準”）。新標準實施后，將逐步取締市場上現有不符合標準的電動車，同時對“共享電動車”以新標準嚴格管理。

本文主要從滿足新標準的電動車行駛過程中的受力及城市道路非機動車道縱坡設計兩個方面討論電動車爬坡能力與非機動車道的縱坡之間匹配性。

2 電動車行駛過程中的受力計算

電動車爬坡行駛過程中受到的阻力主要為滾動阻力、空氣阻力及爬坡阻力。

2.1 滾動阻力

當充氣輪胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直線滾動時，其外緣中心對稱面與車輪滾動方向一致，受到的與滾動方向相反的阻力即為輪胎滾動阻力。影響滾動阻力大小的因素很多，由于受力復雜，故一般采用經驗公式計算滾動阻力[1]：

式中，Ff為滾動阻力，N；f為滾動阻力系數；g為重力加速度，9.8m/s2；m為行駛部分的質量，kg。

2.2 空氣阻力

電動車在行駛過程中，空氣會對其產生阻礙力，行駛速度、接觸面及空氣密度均會對空氣阻力產生影響，空氣阻力可按式（2）計算：

式中，Fw為空氣阻力，N；C為空氣阻力系數；ρ為空氣密度，取1.293g/L；S為迎風面積，m2；V為物體與空氣的相對行駛速度，m/s。

2.3 爬坡阻力

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

式中，Fi為爬坡阻力，N；θ為坡道角度，°。

3 電動車行駛過程縱坡參考值

市面上現有的電動車因功率較大，速度較快，故爬坡能力較強，電機功率為800W的普通電動車在縱坡為6%時，仍能滿足80kg的駕駛員的爬坡要求[2]。但是在新標準的條件下，電機功率大幅削弱，對于電動車的爬坡能力勢必造成影響。

3.1 電動車較高車速下爬坡的縱坡推薦值

以新標準為基準，電動車勻速爬坡過程中計算參數按車速20km/h、整車質量50kg、物重80 kg、電機功率400W計算。

電動車勻速爬坡過程中各項參數如下：

滾動阻力系數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C為0.86；迎風面積S取0.5；機械傳動效率為0.98；電機效率為0.8；總效率η=0.784。

式中，Ff為滾動阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fi為爬坡阻力，N；P為電機功率，W；η為電動車輸出總效率。

以上計算可得電動車較高車速爬坡的情況下，推薦非機動車道縱坡為2.3%，由此可見，新規范的約束下，電動車的爬坡能力與城市道路非機動車道設計標準是匹配的。

3.2 電動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置非機動車道的需求，如廣西南寧凌鐵大橋等，為達到增加橋梁縱坡、減小工程規模的目的，可犧牲電動車的部分爬坡速度。

經計算，坡度i與爬坡速度V之間的關系如式（5）所示：

式（5）已將行駛速度換算成時速。坡度i與爬坡速度V之間計算表如表1所示。

表1 爬坡速度與縱坡計算表

由此可見，在道路或橋梁非機動車道縱坡超過CJJ 37—2012《城市道路設計規范》規定值時，新標準額定的電動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系曲線如圖1所示。

圖1 爬坡速度與道路縱坡關系曲線

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

4 結語

通過對電動車爬坡過程中的力學分析，提出了適用于城市范圍內以電動車為主的非機動車道縱坡的推薦值，包括電動車高速行駛狀態、電動車騎行上橋及電動車在普通道路上爬坡行駛的推薦縱坡等，為城市道路非機動車道縱坡設計提供參考。