Материал: 4413

ВВЕДЕНИЕ

Автомобиль – сложная машина и требования, предъявляемые к нему, могут быть выполнены при наличии необходимых эксплуатационных свойств. К ним относятся: тяговые и тормозные качества, проходимость, управляемость, устойчивость, плавность движения и топливная экономичность.

Тяговые качества автомобиля определяются величинами максимальных скоростей движения, преодолеваемых сопротивлений дороги, временем разгона в заданном интервале скоростей.

Тормозные качества автомобиля характеризуются длиной пути и временем, которые необходимы для снижения скорости движения в заданном интервале скоростей или до полной остановки.

Проходимость автомобиля – это способность автомобиля двигаться в тяжелых дорожных условиях без буксования ведущих колес, а также преодолевать дорожные препятствия.

Управляемостью называется способность автомобиля двигаться по направлению, заданному положением управляемых колес.

Под устойчивостью автомобиля понимают его свойство противостоять действию сил, стремящихся вызвать занос и опрокидывание автомобиля.

Плавность хода автомобиля – это способность автомобиля двигаться с необходимой скоростью по разным дорогам с возможно малыми колебаниям, вибрациями и раскачиваниями кузова.

Топливная экономичность определяется затратами, необходимыми для выполнения перевозок в определенных эксплуатационных условиях.

Показатели потребительских свойств автомобиля можно определить опытным путем или расчетными методами. Эффективным является сочетание испытаний автомобиля с теоретическим анализом потребительских свойств и расчетом их показателей. Такой анализ необходим для работников автотранспорта, получающих от автомобильной промышленности готовый подвижной состав, основные параметры которого изменить практически невозможно. Чтобы установить степень соответствия конструкции автомобиля требованиям эксплуатации, необходимо уметь определять значения отдельных показателей. Это легче и быстрее выполнить расчетным методом, при котором используют положения теоретической механики, а также применяют эмпирические формулы и поправочные коэффициенты, учитывающие особенности рабочего процесса агрегатов автомобиля.

. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА АВТОМОБИЛЬ

В общем случае движения автомобиля со скоростью v при разгоне с ускорением j, на подъеме, определяемом углом , на автомобиль действуют силы, которые можно разделить на три группы (рис. 1).

Рис. 1. Схема сил, действующих на автомобиль

К первой группе относятся силы, обеспечивающие движение автомобиля, т.е. тяговые силы Pт на ведущих колесах. Во вторую группу входят силы, направленные против движения автомобиля и являющиеся силами сопротивления движению:

PК1 и РК2 – силы сопротивления качению передних и задних колес; Рn – сила сопротивления подъему автомобиля;

Рв – сила сопротивления воздуха;

Рu – сила сопротивления разгону (сила инерции).

В зоне контакта колес автомобиля с дорогой возникают моменты МК1 и МК2 сопротивления качению. Третью группу сил составляют нормальные реакции R1 и R2 дороги на передние и задние колеса,

вызванные составляющей Gn силы веса автомобиля, перпендикулярной плоскости дороги.

1.1. Тяговые силы на ведущих колесах автомобиля

Развиваемый двигателем крутящий момент М через сцепление, трансмиссию и полуоси передается на ведущие колеса автомобиля. В зоне контакта ведущих колес с дорогой возникают тяговые силы, действующие на автомобиль в направлении его движения.

Величина тяговой силы может быть подсчитана по выражению:

(1)

где Мт – крутящий момент на ведущих колесах автомобиля; М – крутящий момент двигателя;

iк – передаточное число коробки передач; iгп – передаточное число главной передачи; rк – радиус качения ведущих колес;

η – к.п.д. трансмиссии.

Крутящий момент двигателя может изменяться в зависимости от угловой скорости n вращения коленчатого вала и величины подачи топлива. Наибольшие значения крутящего момента могут быть получены из внешней скоростной характеристики карбюраторного двигателя или регуляторной характеристики дизельного двигателя при полной подаче топлива. Эти характеристики получают путем испытания двигателей в лабораторных условиях на тормозном стенде.

Расчет крутящего момента двигателя в зависимости от развиваемой мощности N производится по формуле

М=9740 (2)

Для оценки потерь мощности в трансмиссии служит к.п.д. трансмиссии, который представляет собой отношение мощности Nкол на ведущих колесах к мощности N двигателя:

=.

Величина к.п.д. трансмиссии в значительной степени зависит от условий ее эксплуатации. С повышением передаточного числа коробки передач увеличивается сила давления и сила трения между зубьями шестерен, что несколько уменьшает к.п.д. С увеличением скорости вращения шестерен, погруженных в масло, растут гидравлические потери и, соответственно уменьшается к.п.д. трансмиссии.

Наиболее существенное влияние на к.п.д. трансмиссии в эксплуатационных условиях оказывает вязкость масла. С уменьшением температуры масла к.п.д. заметно снижается.

С увеличением передаваемой мощности относительное значение потерь в трансмиссии сокращается, что приводит к повышению к.п.д.

Для практических расчетов к.п.д. трансмиссии принимают постоянным. Средние значения к.п.д. трансмиссии отечественных автомобилей находятся в пределах 0,85…0,90.

1.2. Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению представляет собой сумму сил, затрачиваемых на преодоление внутреннего трения в материале шин при их деформации, на деформацию дороги, на трение поверхности шин о дорогу, на трение в подшипниках ведомых колес.

Рассмотрим равномерное, прямолинейное качение колеса автомобиля на горизонтальной твердой поверхности без учета сопротивления воздуха. При качении ведомого колеса, нагруженного вертикальной силой Gк (рис. 2, а), внутреннее трение в шине, так же как и трение между шиной и дорогой, препятствует нарастанию деформаций в передней зоне контакта шины с дорогой и уменьшению ее в задней зоне. Поэтому эпюра распределения давлений на опорной поверхности будет несимметричной, а суммарная нормальная реакция Rк сместится в направлении качения колеса на величину a. В зоне контакта колеса с дорогой возникает сила Рк сопротивления качению.

Рис. 2 . Схема действия сил на колесо автомобиля а – ведомое; б – ведущее

Уравнение равновесия ведомого колеса относительно оси его вращения будет:

или

Рк = f Gк,

где f =а/rк - коэффициент сопротивления качению колеса.

Если сместить реакцию Rк на ось колеса, то момент сопротивления качению от ее действия Мк можно определить по формуле:

При качении ведущего колеса (рис. 2, б) в результате действия тягового момента Мт возникает тяговая сила Pт, толкающая кузов или раму автомобиля в направлении движения V.

Уравнение равновесия ведущего колеса относительно оси его вращения в этом случае будет:

Рт rк + Rк а – Мт – Рк rк =0.

Откуда тяговая сила с учетом сил сопротивления качению определится по формуле:

где МТ/rк - касательная сила тяги;

- сила сопротивления качению ведущего колеса.

Сила сопротивления качению колеса, снабженного эластичной шиной, возникает в результате сложных процессов деформации шины и ее взаимодействия с дорожным покрытием. Как было показано выше, сопротивление качению определяется радиальной и тангенциальной деформацией шины, которая зависит от нагрузки колеса, давления воздуха в шине и свойств ее материала. Кроме того, на силу сопротивления качению оказывает влияние проскальзывание элементов шины в зоне ее контакта с дорожным покрытием, особенности входа участков шины в контакт с поверхностью качения, гистерезис в шине, прилипание элементов шины к поверхности дороги и ряд других факторов.

Коэффициент сопротивления качению практически не изменяется при увеличении скорости движения автомобиля до 60-70 км/час. При больших значениях скорости значение коэффициента f заметно увеличивается. Это вызвано колебаниями протектора шины, а также ее ударами о неровности дороги. Оба явления приводят к дополнительным потерям энергии, что существенно увеличивает сопротивление качению колеса.

Для практических расчетов зависимости коэффициента сопротивления fv от скорости можно установить, используя эмпирическую формулу:

где А – постоянная величина, приблизительно равная (4…5)10-5, v – скорость движения автомобиля в км/час.

Из выше изложенного следует, что коэффициент сопротивления качению зависит от большого количества отдельных и связанных один с другим факторов и не может быть определен аналитически. Коэффициент f определяют экспериментальными методами: буксированием автомобиля, при движении автомобиля накатом, изменением силы сопротивления качению отдельного колеса на тензометрическом стенде.

Значения коэффициента f для отдельных видов дорожного покрытия приведены в таблице 1.

1.3. Сила сопротивления подъему

При движении автомобиля на подъем возникает сила Рn сопротивления подъему или скатывающая сила. Эта сила равна составляющей силы веса автомобиля, направленной параллельно плоскости дороги (см. рис.

1), т.е.

Рn =G .sinα.

При малых значениях синус угла можно заменить углом в радианах, который в учебной литературе обозначается буквой i. Иногда величину подъема указывают в процентах. Таким образом, сила сопротивления подъему может быть выражена:

1.4. Сила сопротивления воздуха

При движении автомобиля сила сопротивления воздуха складывается из силы давления встречных частиц воздуха, сил разряжения за автомобилем и на создание завихрений, а также сил трения воздуха о поверхность автомобиля. Сила сопротивления воздуха зависит от его плотности, лобовой поверхности автомобиля, скорости движения автомобиля, а также от обтекаемости автомобиля. Силу сопротивления

воздуха можно определить по формуле:

Рв =с. .F.v2Н,

где с – коэффициент обтекаемости автомобиля;

– плотность воздуха в Н.с2/м4;

v – скорость движения автомобиля в м/с;

F – лобовая площадь автомобиля в м2, представляющая собой площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси.

Произведение величин с и γ заменяют одним коэффициентом К, который называется коэффициентом сопротивления воздуха. Выражая скорость движения в км/ч, получим:

Рв = Н (8)

Сила Рв при заданной скорости автомобиля зависит в основном от обтекаемости автомобиля. Для легковых автомобилей проблема улучшения обтекаемости решается путем создания более совершенной формы кузова и устранением по возможности его выступающих частей. Уменьшение силы сопротивления воздуха для грузовых автомобилей может быть достигнуто затягиванием грузовой платформы брезентом, который натягивается наклонно от крыши кабины к заднему борту. Хорошие результаты по снижению аэродинамических сопротивлений грузового автомобиля дает расширение кабины до ширины кузова и установки на крыше кабины специальных обтекателей.

Величина коэффициента сопротивления воздуха для отечественных легковых автомобилей составляет

0,15…0,3 Н.с2/м4; для грузовых – 0,5…0,7 Н.с2/м4.

1.5. Сила сопротивления разгону

При движении автомобиля с ускорением необходимо преодолевать силу сопротивления разгону (силу инерции), равную:

Рu = Рu'+ Рu'',

где Рu' - сила, необходимая для ускорения массы автомобиля в его поступательном движении; Рu'' - сила, необходимая для углового ускорения вращающихся масс автомобиля.

Сила Рu' равна:

Рu'=,

где G – сила веса автомобиля; m – масса автомобиля;

g– ускорение силы тяжести. Сила Рu'' равна:

Рu''=,

где Im – момент инерции маховика;

– угловое ускорение маховика; Ik – момент инерции колеса;

– угловое ускорение колеса;

z – количество колес у автомобиля.

Выражая угловые ускорения маховика и колес через ускорение поступательного движения автомобиля, получим