以电动自行车为主的市政道路非机动车道纵坡研究

屈兴威

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉430000）

1 引言

2018年，工业和信息化部等组织了GB 17761—1999《电动自行车通用技术条件》强制性国家标准的修订工作，修订后的标准名称为GB 17761—2018《电动自行车安全技术规范》（以下简称为“新标准”）。新标准实施后，将逐步取缔市场上现有不符合标准的电动车，同时对“共享电动车”以新标准严格管理。

本文主要从满足新标准的电动车行驶过程中的受力及城市道路非机动车道纵坡设计两个方面讨论电动车爬坡能力与非机动车道的纵坡之间匹配性。

2 电动车行驶过程中的受力计算

电动车爬坡行驶过程中受到的阻力主要为滚动阻力、空气阻力及爬坡阻力。

2.1 滚动阻力

当充气轮胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直线滚动时，其外缘中心对称面与车轮滚动方向一致，受到的与滚动方向相反的阻力即为轮胎滚动阻力。影响滚动阻力大小的因素很多，由于受力复杂，故一般采用经验公式计算滚动阻力[1]：

式中，Ff为滚动阻力，N；f为滚动阻力系数；g为重力加速度，9.8m/s2；m为行驶部分的质量，kg。

2.2 空气阻力

电动车在行驶过程中，空气会对其产生阻碍力，行驶速度、接触面及空气密度均会对空气阻力产生影响，空气阻力可按式（2）计算：

式中，Fw为空气阻力，N；C为空气阻力系数；ρ为空气密度，取1.293g/L；S为迎风面积，m2；V为物体与空气的相对行驶速度，m/s。

2.3 爬坡阻力

电动车匀速爬坡时，爬坡阻力为行驶部分重量沿坡道方向的分力，可按式（3）计算：

式中，Fi为爬坡阻力，N；θ为坡道角度，°。

3 电动车行驶过程纵坡参考值

市面上现有的电动车因功率较大，速度较快，故爬坡能力较强，电机功率为800W的普通电动车在纵坡为6%时，仍能满足80kg的驾驶员的爬坡要求[2]。但是在新标准的条件下，电机功率大幅削弱，对于电动车的爬坡能力势必造成影响。

3.1 电动车较高车速下爬坡的纵坡推荐值

以新标准为基准，电动车匀速爬坡过程中计算参数按车速20km/h、整车质量50kg、物重80 kg、电机功率400W计算。

电动车匀速爬坡过程中各项参数如下：

滚动阻力系数f：在良好的沥青或混凝土路面，f=0.01～0.018，取f=0.015；行驶部分的重量mg=1274N；空气阻力系数C为0.86；迎风面积S取0.5；机械传动效率为0.98；电机效率为0.8；总效率η=0.784。

式中，Ff为滚动阻力，N；Fw为空气阻力，N；Fi为爬坡阻力，N；P为电机功率，W；η为电动车输出总效率。

以上计算可得电动车较高车速爬坡的情况下，推荐非机动车道纵坡为2.3%，由此可见，新规范的约束下，电动车的爬坡能力与城市道路非机动车道设计标准是匹配的。

3.2 电动车不同爬坡车速下的纵坡推荐值

考虑部分城市存在跨线桥上设置非机动车道的需求，如广西南宁凌铁大桥等，为达到增加桥梁纵坡、减小工程规模的目的，可牺牲电动车的部分爬坡速度。

经计算，坡度i与爬坡速度V之间的关系如式（5）所示：

式（5）已将行驶速度换算成时速。坡度i与爬坡速度V之间计算表如表1所示。

表1 爬坡速度与纵坡计算表

由此可见，在道路或桥梁非机动车道纵坡超过CJJ 37—2012《城市道路设计规范》规定值时，新标准额定的电动车依旧具有较高的爬坡能力，爬坡速度与道路纵坡之间的关系曲线如图1所示。

图1 爬坡速度与道路纵坡关系曲线

由图1和表1所示，推荐跨线桥梁上设有以电动车为主的非机动车道的道路纵坡可按照0.6V（15km/h）控制，即4%的坡度；道路纵坡对总工程造价影响较小，建议道路上以电动车为主的非机动车道纵坡按照0.7V（17.5km/h）控制，即3%的坡度。若受到工程造价或其他因素的限制，纵坡还可适当增大。

4 结语

通过对电动车爬坡过程中的力学分析，提出了适用于城市范围内以电动车为主的非机动车道纵坡的推荐值，包括电动车高速行驶状态、电动车骑行上桥及电动车在普通道路上爬坡行驶的推荐纵坡等，为城市道路非机动车道纵坡设计提供参考。