Теория эксплуатационных свойст автомобилей

Задание. Определить, с каким ускорением разгоняется по ровной дороге автомобиль массой 2 т на третьей передаче, если известно, что радиус качения колес равен 33 см; крутящий момент двигателя 300 Н·м  при 3500 мин ^–1; коэффициент сопротивления качению 0,02; коэффициент, учитывающий инерционность вращающих деталей автомобиля и двигателя 1,08; передаточное число трансмиссии на третьей передаче 4,5; коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля 0,4;  его фронтальная площадь 1,8 м².

 

Задание. С учетом опорно-сцепных качеств движителя определить режим движения (штатный или с буксованием) переднеприводного автомобиля массой 1,5 тонны с межосевым распределением веса G₁ : G₂ = 4 : 6 по мокрой грунтовой дороге (f = 0,03, φ = 0,3) на горизонтальном участке и при подъеме (α = 30⁰). Сравнить с режимом движения в этих условиях полноприводного автомобиля.

 

Задание. Определить, какую мощность развивает двигатель грузового автомобиля массой 10 тонн, движущегося на подъеме (α = 30⁰) по грунтовой дороге (f = 0,03) со скоростью 20 км/ч, при условии, что КПД трансмиссии равен 0,85, а сопротивление воздуха ничтожно мало.

 

                                                 Глава 3.

            Тягово-скоростные свойства автомобиля

 

                  Динамическая характеристика.

Уравнения тягового и мощностного  балансов (глава 2) включают параметры, характеризующие динамические качества автомобиля (ψ, v, dv/dt). Но они неудобны для сравнения между собой автомобилей, имеющих различный вес (массу).

Перенесем силу сопротивления воздуха   из правой части уравнения тягового баланса в левую:

                           Р_к - Р_w = Р_f + Р_h + Р_j .

Разделим обе части полученного  уравнения на полный вес автомобиля G:

                            (Р_к - Р_w) / G = (Р_f + Р_h + Р_j) / G.

В развернутом виде это уравнение  имеет вид:

         М_е·i_тр·η_т / r_к ·G – к_w·F_w·v²/G = f·cosα + sinα + (β/g) ·(dv/dt).     (1)

Выражение, находящееся в левой части этого уравнения, отражающее отношение избыточной тяговой силы (Р_к - Р_w) к весу автомобиля G, получило название динамического фактора, и служит для оценки тяговых или динамических качеств различных автомобилей в различных условиях их движения (качество дороги, нагрузка автомобиля и т.д.).

Важным достоинством этого фактора  является то, что в условиях установившегося движения численные значения динамического фактора и суммарного коэффициента дорожного сопротивления равны (ψ = D). В этом случае, зная динамический фактор автомобиля, можно сразу определить, какое дорожное сопротивление он может преодолеть.

По определению динамический фактор есть отношение избыточной тяги к полному весу автомобиля, и является обобщенным показателем его динамических свойств:

                                      D = (Р_к - Р_w)/G.

Как следует из уравнения (1) левая его часть отражает величину избыточной силы тяги, которая преодолевает силу сопротивления качению и силу инерции.

Из уравнения тягового баланса для установившегося движения по горизонтальной дороге следует:

                                 D = (Р_к - Р_w)/G = Р_f /G = f .

При движении без ускорения на подъем (j = 0):

                 D = ψ ,        

 ψ= f + sinα – коэффициент дорожного сопротивления.

Отсюда следует, чем больше динамический фактор, тем больший подъем может быть преодолен автомобилем:

                                         sinα = D - f.

Для ускоренного или замедленного движения по горизонтальной дороге (α = 0):

                           D= (Р_f ± Р_j)/G = f ± (β/g)·(dv/dt).

Следовательно, чем величина D, тем большее ускорение при прочих равных условиях может развивать автомобиль:

                                     dv/dt = j = (D - f) · (g / β).                           (2)

Из выражения (1) следует, что:

                           sinα = D – f + (β/g) ·(dv/dt).

Таким образом, за счет использования  инерции автомобиля преодолеваемый им подъем может быть увеличен.

Так как касательная  сила тяги и сила сопротивления воздуха  изменяются в функции скорости, то и динамический фактор зависит от скорости. График, показывающий изменение динамического фактора в зависимости от скорости движения D = f(v) автомобиля на различных передачах, называется динамической характеристикой автомобиля (рис.1).  Это основная характеристика автомобиля, отражающая его тягово-скоростные качества.

При построении этой характеристики по оси абсцисс откладывается скорость движения автомобиля, а по оси ординат – динамический фактор в виде десятичной дроби или в процентах. График служит в качестве основного показателя, наглядно характеризующего динамику автомобиля. С его помощью определяют максимальные скорости движения автомобиля на разных участках дороги, предельные величины подъемов, преодолеваемых с установившейся скоростью, величины ускорений, развиваемых автомобилем.

При установившемся движении автомобиля по горизонтальной дороге, когда динамический фактор равен коэффициенту сопротивления качению (D = f ), значения f откладываются по оси ординат динамической характеристики в том же масштабе, что и динамический фактор, в виде десятичной дроби или в процентах.

Отрезки ординат, заключенные  между кривыми D  и f, представляют собой ту часть динамического фактора, которая может быть использована для разгона автомобиля (запас по динамическому фактору при разгоне).

Максимальное сопротивление  качению, которое автомобиль может  преодолеть при движении на какой  либо передаче, определяется максимальным значением динамического фактора на этой передаче, достигаемым примерно при  той же скорости, что и соответствующие Р_{к mах}. В этом случае движение возможно лишь при одной определенной скорости, называемой критической (  v_кр ).

Так же как и величина  максимальной касательной силы тяги Р_φ, максимальное значение динамического фактора ограничивается сцеплением шин ведущих колес автомобиля с опорной поверхностью D_φ. Поэтому все значения динамического фактора, превышающие его возможную величину по сцеплению, которое подсчитывается по формуле:

                                    D_φ = (Р_φ - Р_w )/G,                                 (3)

не могут быть практически реализованы  в данных дорожных условиях.

Предельная по буксованию является величина D_φ, которая может иметь место обычно на низшей передаче, когда Р_w можно принять равной нулю, а Р_к = Р_{φ mах}. При этом:

 D_φ = Р_{φ мах} /G =φ ·λ (λ – вес автомобиля, приходящийся на его ведущие колеса). Для полноприводного автомобиля λ =1, поэтому D_φ = φ.

На динамической характеристике автомобиля можно отметить несколько характерных точек, которые часто приводятся в технических характеристиках автомобиля.

v_max – максимальная скорость движения автомобиля по дороге, характеризуемой суммарным коэффициентом дорожного сопротивления  ψ = 0,015;

D₁  - динамический фактор на прямой дороге при некоторой наиболее употребительной для данного типа автомобиля скорости движения (обычно 0,4…0,5  от v_max);

 D'_max - максимальное значение динамического фактора на высшей передачи и соответствующее ему значение критической скорости v_кр, определяющие возможность движения автомобиля на тяжелой дороге;

 D₂ - динамический фактор на промежуточных передачах, характеризующий способность автомобиля к преодолению длительных подъемов;

 D_max - максимальный динамический фактор на низшей передаче, характеризующий возможность преодоления максимального дорожного сопротивления.

         Приведенные  пять характерных точек достаточно  полно определяют динамические качества автомобиля.

      Порядок построения динамической характеристики.

        Исходными  данными для построения динамической  характеристики, то есть зависимости динамического фактора от скоростных и нагрузочных режимов автомобиля, является внешняя скоростная характеристика двигателя, а также данные тягового расчета и ряд параметров автомобиля-прототипа.

При построении динамической характеристики (рис.1) намечают не менее пяти точек скоростных режимов автомобиля на каждой передаче. Скорости движения автомобиля при движении на различных передачах и при различных значений частот вращения вала двигателя n_дв определяют по формуле:

                                           ,

где r_к – динамический радиус (радиус качения) ведущего колеса;

       u₀  и u_к – передаточные числа главной передачи и коробки передач соответственно.

Для этих скоростных режимов находят  значения крутящих моментов двигателя М_к и определяют касательные силы тяги Р_к на каждой передачи по формуле:

                                Р_к = М_к· u_тр·η_т / r_к

  (u _тр = u ₀ · u_к - суммарное передаточное число трансмиссии).

Значения параметров, полученных по приведенным выше формулам, обобщают в табличной форме.

Используя данные из полученной таблицы, значения динамического фактора для каждой передачи подсчитывают по формуле:

                                .

Используя полученные значения динамического фактора, строят характеристику D = f(v) (рис.1).

 

 

  Рис.1. Динамическая характеристика  легкового автомобиля с пятискоростной коробкой передач.   

 

                      Трогание с места и разгон  автомобиля.

При трогании с места автомобиль преодолевает сопротивление качению покоя и инерции, а при наличии подъема еще и сопротивление подъему. В этом случае используют уравнение тягового баланса:

                                    Р_к = Р_fп + Р_h + Р_j ,

в котором:  Р_fп - сила сопротивления качению покоя.

           Силой  сопротивления воздуха Р_w в данном случае пренебрегают, так как скорость, с которой происходит трогание с места, слишком мала.

            Коэффициент сопротивления покоя f_п  (f_п = Р_fп / G) для шоссе с асфальтобетонным покрытием составляет в среднем около 0,024, то есть он несколько больше коэффициента сопротивления качению f₀  для той же дороги.

Максимальный вес автомобиля или автопоезда, который может  быть тронут с места, зависит от максимальной величины силы тяги на ведущих колесах. Троганию с места может также способствовать момент инерции маховика двигателя при пробуксовывании сцепления.

Максимальный момент, реализуемый  при трогании автомобиля с места, равен максимальному моменту  на первой передаче на ведущих колесах.

Одним из важнейших показателей  динамических качеств автомобиля является интенсивность разгона - ускорение.

При изменении скорости движения возникают силы инерции, которые  автомобилю необходимо преодолеть для  обеспечения заданного ускорения. Эти силы вызваны как поступательно движущимися массами автомобиля m, так и моментами инерции вращающихся деталей двигателя, трансмиссии и колес.

Для удобства проведения расчетов пользуются комплексным показателем - приведенными силами инерции:

                                        Р_j = m·β·(dv/dt). 

   Примечание: иногда в литературе для обозначения коэффициента, учитывающего влияние вращающихся масс, используют вместо индекса β индекс δ_вр .

Величина ускорения j = dv/dt, которое может развить автомобиль при движении по горизонтальному участку дороги на заданной передаче и с заданной скоростью, находится в результате преобразования формулы для определения запаса мощности, которая расходуется на разгон:

                                           ,

или по динамической характеристике:

                                        D = f + .

Отсюда:                j = .

Для определения ускорения на подъеме  или спуске пользуются формулой:

                         .

Способность автомобиля к быстрому разгону особенно важна в условиях городской езды. Увеличенные ускорения  для автомобиля могут быть получены за счет увеличения передаточного числа i₀ главной передачи и соответствующего выбора характеристики изменения крутящего момента двигателя.

Значения максимальных ускорений  при разгоне j_max в среднем варьируются в следующих пределах:

Максимальное ускорение при  разгоне находится в пределах:

- для легковых автомобилей на первой передаче  2,0…3,5 м/с²;

- для легковых автомобилей на  прямой передаче  0,8…2,0 м/с²;

- для грузовых автомобилей на  второй передаче 1,8…2,8 м/с²;

- для грузовых автомобилей на  прямой передаче 0,4…0,8 м/с².