Тяговая сила используемая для движения автомобиля: 3.8. Тяговая сила и тяговая характеристика автомобиля – Теория движения автомобиля: основные элементы

3.8. Тяговая сила и тяговая характеристика автомобиля

Тяговой силой называется отношение крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес автомобиля. Это толкающая ав­томобиль сила, которая передается от ведущих колес к несущей системе (рама, кузов). При увеличении тяговой силы на ведущих колесах автомобиль может развивать большие ускорения, преодо­левать более крутые подъемы, буксировать прицепы большей массы и иметь лучшие тягово-скоростные свойства.

Тяговая сила определяется экспериментально при испытаниях автомобиля или расчетным путем с использованием внешней ско­ростной характеристики двигателя по формуле

(3.18)

Из выражения (3.18) следует, что максимальное значение тя­говой силы ограничено, поскольку оно определяется максималь­ными значениями момента двигателя

М_е и передаточного числа трансмиссии и_т. Тяговая сила ограничена также вследствие дей­ствия силы сцепления между ведущими колесами и дорогой.

Рис. 3.7. Тяговая характерис­тика автомобиля со ступен­чатой коробкой передач:

I — IV — передачи

Рис. 3.8. Тяговые характеристики автомо­билей с бесступенчатой (а) и гидромеха­нической (б) коробками передач:

I, II — передачи

Изменение тяговой силы на ведущих колесах показывает тяго­вая характеристика автомобиля (рис. 3.7) — зависимость тяговой силы от скорости движения на различных передачах.

Характер изменения тяговой силы на ведущих колесах зависит от типа коробки передач в трансмиссии автомобиля. Так, меха­ническая ступенчатая коробка передач обеспечивает ступенча­тое изменение тяговой силы (см. рис. 3.7), бесступенчатая — плав­ное (рис. 3.8, а), а гидромеханическая — и плавное, и ступенчатое (рис. 3.8, б).

3.9. Тяговая характеристика автомобиля с дополнительной коробкой передач

Представленная на рис. 3.7 тяговая характеристика соответствует автомобилю ограниченной проходимости с колесной формулой 4 × 2, в трансмиссии которого установлена только механическая ступенчатая коробка передач и отсутствует дополнительная ко­робка передач. Однако в трансмиссии полноприводных автомоби­лей, тяжелых грузовых автомобилей и автомобилей-тягачей, ра­ботающих с прицепами и полуприцепами, кроме основной уста­навливают еще и дополнительные коробки передач: делитель, демультипликатор или раздаточную коробку. Они позволяют улуч­шить тягово-скоростные свойства, повысить проходимость и топ­ливную экономичность автомобиля.

Делитель (мультипликатор) представляет собой повышающую коробку передач. Он устанавливается перед основной коробкой передач и увеличивает число ее передач в 2 раза. Обычно он имеет две передачи: прямую с передаточным числом

и = 1 и повышаю­щую с и < 1.

Рис. 3.9. Тяговые характеристики автомобилей с дополнительными

коробками передач:

а — с делителем; б — с демультипликатором; I—IV — передачи; – – – вклю­- чена повышающая передача; – · – включена понижающая передача

Тяговая характеристика автомобиля с делителем представлена на рис. 3.9, а, где штриховыми линиями показано изменение тя­говой силы на ведущих колесах автомобиля при включенной по­вышающей передаче делителя. Из рисунка видно, что делитель не увеличивает передаточные числа коробки передач и тяговую силу на ведущих колесах, а только уменьшает разрыв между переда­точными числами соседних передач и расширяет диапазон пере­дач и значений тяговой силы.

Демультипликатор является понижающей коробкой передач. Он устанавливается за основной коробкой передач и увеличивает в 2 — 3 раза ее передаточные числа и количество передач. Он имеет две или три передачи: прямую с передаточным числом и = 1 и понижающие с и > 1.

На рис. 3.9, б приведена тяговая характеристика автомобиля с демультипликатором. Штрих-пунктирными линиями показано из­менение тяговой силы при включенной понижающей передаче демультипликатора. Из тяговой характеристики следует, что де­мультипликатор увеличивает передаточные числа и количество передач, а также значения тяговой силы на ведущих колесах авто­мобиля, существенно расширяя их диапазон.

Раздаточная коробка представляет собой понижающую короб­ку передач. Она устанавливается в трансмиссии полноприводных автомобилей и увеличивает передаточные числа и количество пе­редач коробки передач, а также тяговую силу на ведущих колесах автомобиля. В автомобилях со всеми ведущими колесами раздаточ­ная коробка выполняет функции демультипликатора.

Тяговая характеристика автомобиля с раздаточной коробкой при включенной понижающей передаче раздаточной коробки имеет такой же вид, как у автомобиля с демультипликатором (см. рис. 3.9,

б).

3.10. Сила и коэффициент сцепления колес автомобиля с дорогой

Значение тяговой силы, необходимой для движения, ограни­чено вследствие действия силы сцепления колес с дорогой.

Под силой сцепления понимают силу, противодействующую скольжению колеса относительно поверхности дороги. Она равна силе трения, возникающей в месте контакта колеса с дорогой.

Сила сцепления

Р_сц = R_zφ,

где R_z — нормальная реакция дороги;

φ — коэффициент сцепле­ния.

Равномерное качение колеса без скольжения и буксования воз­можно только при выполнении условия Р_т ≤ Р_сц . Если тяговая сила

больше силы сцепления (Р_т > Р_сц), то автомобиль движется с про­буксовкой ведущих колес. Это происходит, например, тогда, ког­да при движении по сухой дороге он попадает на участок со скольз­ким покрытием. Если же автомобиль стоял на месте, то не только движение, но и его трогание с места невозможны.

Коэффициент сцепления. Этот коэффициент во многом опре­деляет значение силы сцепления. В зависимости от направления скольжения колеса относительно поверхности дороги различают коэффициенты продольного φ

х и поперечного φ_у сцепления. Эти коэффициенты зависят от одних и тех же факторов, и можно счи­тать, что они практически равны (φ_х= φ_у).

На коэффициент продольного сцепления φ_х оказывают влия­ние многие конструктивные и эксплуатационные факторы. Он определяется экспериментально. Ниже приведены средние зна­чения φ_х для различных дорог и состояний их поверхности:

Сухое Мокрое

Асфальтобетонное шоссе 0,7…0,8 0,35…0,45

Дорога с щебенчатым покрытием …. 0,6…0,7 0,3…0,4

Грунтовая дорога 0,5…0,6 0,2…0,4

Снег 0,2 0,3

Лед 0,1 0,2

Рассмотрим, как влияют различные конструктивные и эксплу­атационные факторы на коэффициент продольного сцепления.

Рис. 3.10. Рисунки протектора шин:

а, б — дорожный; в, г — универсальный; д—з — повышенной проходимости

Тип и состояние покрытия дороги. На сухих дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления имеет наибольшее значение, так как в этом случае он обусловливается не только трением сколь­жения, но и межмолекулярным взаимодействием материалов ко­леса и дороги (механическим зацеплением). На мокрых дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления существенно умень-

Рис. 3.11. Зависимости коэффициента сцепления от давления воздуха в шине (а), скорости движения (б) и вертикальной нагрузки на колесо (в)

шается (в 1,5 — 2 раза) по сравнению с сухими дорогами, так как между колесом и дорогой образуется пленка из частиц грунта и воды. На деформируемых дорогах коэффициент сцепления зави­сит от внутреннего трения в грунте и сопротивления грунта срезу.

Рисунок протектора шины (рис. 3.10). Дорожный рисунок про­тектора обеспечивает наибольший коэффициент сцепления на дорогах с твердым покрытием, универсальный — на дорогах смешанного типа, а рисунок протектора повышенной проходимо­сти — в тяжелых дорожных условиях и по бездорожью. По мере изнашивания рисунка протектора значение коэффициента сцеп­ления уменьшается.

Внутреннее давление воздуха в шине. При увеличении давле­ния воздуха в шине (рис. 3.11, а) коэффициент сцепления сначала возрастает, а затем уменьшается.

Скорость движения. При увеличении скорости движения (рис. 3.11,

б) коэффициент сцепления сначала возрастает, а по­том падает.

Нагрузка на колесо. Увеличение вертикальной нагрузки на ко­лесо (рис. 3.11, в) приводит к незначительному уменьшению ко­эффициента сцепления.

Коэффициент сцепления существенно влияет на безопасность движения. Его недостаточно высокое значение вызывает много­численные аварии и несчастные случаи на дорогах. Как показали исследования, по этой причине происходит 15 % общего числа дорожно-транспортных происшествий, а в неблагоприятные пе­риоды года — около 70 %. Исследованиями установлено, что для обеспечения безопасного движения значение коэффициента сцеп­ления должно составлять не менее 0,4.

7 Тягово скоростные свойства автомобиля » СтудИзба

План лекции

6.1. Тяговая сила и тяговая характеристика автомобиля

6.2. Тяговая характеристика автомобиля с дополнительной

коробкой передач

6.3. Скорость и ускорение автомобиля

6.4. Реакции дороги, действующие при движении на колеса автомобиля

6.5. Сила и коэффициент сцепления колес автомобиля

с дорогой

6.1. Тяговая сила и тяговая характеристика автомобиля

Тяговой силой называется отношение крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес автомобиля. Это толкающая ав­томобиль сила, которая передается от ведущих колес к несущей системе (рама, кузов). При увеличении тяговой силы на ведущих колесах автомобиль может развивать большие ускорения, преодо­левать более крутые подъемы, буксировать прицепы большей массы и иметь лучшие тягово-скоростные свойства.

Тяговая сила определяется экспериментально при испытаниях автомобиля или расчетным путем с использованием внешней ско­ростной характеристики двигателя по формуле

(6.1)

Из выражения (6.1) следует, что максимальное значение тя­говой силы ограничено, поскольку оно определяется максималь­ными значениями момента двигателя М_еи передаточного числа трансмиссии щ. Тяговая сила ограничена также вследствие дей­ствия силы сцепления между ведущими колесами и дорогой.

Рис. 6.1. Тяговая характерис­тика автомобиля со ступен­чатой коробкой передач: I — IV — передачи

Рис. 6.2. Тяговые характеристики автомо­билей с бесступенчатой (а) и гидромеха­нической (б) коробками передач: I, II — передачи

Изменение тяговой силы на ведущих колесах показывает тяго­вая характеристика автомобиля (рис. 6.1) — зависимость тяговой силы от скорости движения на различных передачах.

Характер изменения тяговой силы на ведущих колесах зависит от типа коробки передач в трансмиссии автомобиля. Так, меха­ническая ступенчатая коробка передач обеспечивает ступенча­тое изменение тяговой силы (см. рис.6.1), бесступенчатая — плав­ное (рис. 6.2, а), а гидромеханическая — и плавное, и ступенчатое (рис. 6.2, б).

6.2. Тяговая характеристика автомобиля с дополнительной коробкой передач

Представленная на рис. 6.1 тяговая характеристика соответствует автомобилю ограниченной проходимости с колесной формулой 4 х 2, в трансмиссии которого установлена только механическая ступенчатая коробка передач и отсутствует дополнительная ко­робка передач. Однако в трансмиссии полноприводных автомоби­лей, тяжелых грузовых автомобилей и автомобилей-тягачей, ра­ботающих с прицепами и полуприцепами, кроме основной уста­навливают еще и дополнительные коробки передач: делитель, демультипликатор или раздаточную коробку. Они позволяют улуч­шить тягово-скоростные свойства, повысить проходимость и топ­ливную экономичность автомобиля.

Делитель (мультипликатор) представляет собой повышающую коробку передач. Он устанавливается перед основной коробкой передач и увеличивает число ее передач в 2 раза. Обычно он имеет две передачи: прямую с передаточным числом и = 1 и повышаю­щую с и < 1.

Рис. 6.3. Тяговые характеристики автомобилей с дополнительными коробками передач:

а — с делителем; б — с демультипликатором; I—IV — передачи;———-вклю­чена повышающая передача;———-включена понижающая передача

Тяговая характеристика автомобиля с делителем представлена на рис. 6.3, а, где штриховыми линиями показано изменение тя­говой силы на ведущих колес автомобиля при включенной по­вышающей передаче делителя. Из рисунка видно, что делитель не увеличивает передаточные числа коробки передач и тяговую силу на ведущих колесах, а только уменьшает разрыв между переда­точными числами соседних передач и расширяет диапазон пере­дач и значений тяговой силы.

Демультипликатор является понижающей коробкой передач. Он устанавливается за основной коробкой передач и увеличивает в 2—3 раза ее передаточные числа и количество передач. Он имеет две или три передачи: прямую с передаточным числом и = 1 и понижающие с и > 1.

На рис. 6.3, б приведена тяговая характеристика автомобиля с демультипликатором. Штрих-пунктирными линиями показано из­менение тяговой силы при включенной понижающей передаче демультипликатора. Из тяговой характеристики следует, что де­мультипликатор увеличивает передаточные числа и количество передач, а также значения тяговой силы на ведущих колесах авто­мобиля, существенно расширяя их диапазон.

Раздаточная коробка представляет собой понижающую короб­ку передач. Она устанавливается в трансмиссии полноприводных автомобилей и увеличивает передаточные числа и количество пе­редач коробки передач, а также тяговую силу на ведущих колесах автомобиля. В автомобилях со всеми ведущими колесами раздаточ­ная коробка выполняет функции демультипликатора.

Тяговая характеристика автомобиля с раздаточной коробкой при включенной понижающей передаче раздаточной коробки имеет такой же вид, как у автомобиля с демультипликатором (см. рис. 6.3, б).

6.3. Скорость и ускорение автомобиля

Линейную скорость колеса, м/с, можно определить с помо­щью выражения

где r_к — радиус колеса, м;

_к — угловая скорость колеса, рад/с.

Скорость автомобиля при его прямолинейном движении равна линейной скорости колеса, т.е. v = v_K.

Так как скорость автомобиля v обычно выражается в км/ч, а скорость колеса v_K — в м/с, то для получения скорости автомо­биля v в км/ч необходимо ввести переводной коэффициент 3,6. С учетом этого коэффициента скорость автомобиля, км/ч:

Аналогично при прямолинейном движении ускорение автомо­биля равно линейному ускорению колеса:

 (6.2)

6.4. Реакции дороги, действующие при движении на колеса автомобиля

При движении автомобиля его колеса могут катиться в различ­ных режимах: тяговом, ведомом и тормозном. При этих режимах качения со стороны дороги на колеса действуют силы, называе­мые реакциями. Для определения их величины рассмотрим каче­ние колеса автомобиля по жесткой (недеформируемой) дороге. Схема сил, действующих в этом случае на ведущее колесо, пред­ставлена на рис. 6.4.

Силы Р_хи P_z и момент М’ действуют на колесо со стороны автомобиля. Силы R_x и R_z действуют на колесо со стороны дороги и представляют собой ее реакции.

Рис. 6.4. Силы, действу­ющие на ведущее колесо при качении по недефор-мируемой дороге: О — центр колеса

Рассмотрим указанные силы и момент.

P_z — вертикальная нагрузка на коле­со, направленная вниз перпендикулярно поверхности дороги.

Р_х— продольная сила, параллельная поверхности дороги. В зависимости от ре­жима качения колеса она может быть на­правлена как в сторону движения авто­мобиля, так и в противоположную.

М’ — момент, подводимый к колесу от полуоси или тормозного барабана (тор­мозного диска). Иногда момент может быть равен нулю (не подводится к коле­су). Момент считается положительным, если его направление совпадает с направ­лением вращения колеса, и наоборот.

R_z — нормальная реакция дороги, направленная вверх перпенди­кулярно поверхности дороги. Точка приложения нормальной реак­ции смещена относительно оси колеса на некоторую величину а_ш из-за большей деформации шины в набегающей на дорогу части, чем в сбегающей с дороги. Это подтверждает эпюра элементарных сил, действующих в месте контакта колеса с дорогой, для кото­рых нормальная реакция является результирующей силой.

R_x — касательная реакция дороги. Это сила, которая действует в плоскости дороги и в зависимости от режима качения колеса мо­жет быть направлена в сторону движения автомобиля или в про­тивоположную. Касательная реакция считается положительной, если она направлена в сторону движения, и наоборот.

Составим уравнение моментов относительно оси колеса:

 (6.3)

где j_к — момент инерции колеса относительно оси вращения. Из выражения (6.3) находим касательную реакцию дороги:

Обозначим отношение   символом f и, выразив величину

— с помощью формулы (6.2)  через ускорение автомобиля j,

Для касательной реакции дороги получим в общем случае (при любых режимах качения колеса)

 (6.4)

Рассмотрим типичные режимы качения колеса.

Тяговый режим характерен для ведущего колеса. Момент М’ подводится к колесу через полуось, и направление момента со­впадает с направлением вращения колеса. В этом случае момент называется крутящим. Подставляя в выражение (6.4) вместо М’ выражение для крутящего момента М_к, подводимого к ведущим колесам, для ведущего колеса получим

где— тяговая сила.

Для ведущего колеса касательная реакция R_x > 0. Следователь­но, она направлена в сторону движения, как показано на рис.6.4.

Ведомый режим характерен для ведомого колеса. Момент М’ к колесу не подводится, и, следовательно, он равен нулю. Для ве­домого колеса касательная реакция дороги

Знак «-» показывает, что у ведомого колеса касательная реак­ция дороги направлена против движения (рис. 6.5, а).

Рис. 6.5. Силы, действующие на ведомое (а) и тормозящее (б) колеса

при качении по недеформируемой дороге:

О — центр колеса

Тормозной режим является характерным для тормозящего ко­леса (ведущего, ведомого). Момент М’ подводится к колесу от тормозного барабана или тормозного диска и направление его про­тивоположно направлению вращения колеса. В этом случае мо­мент называется тормозным (М_тор). Подставив в выражение (7.4) вместо М’ тормозной момент   (М’ = -М_тор), для тормозящего ко­леса получим

Знак «-» свидетельствует о том, что у тормозящего колеса каса­тельная реакция дороги направлена против движения (рис. 6.5, б).

6.5. Сила и коэффициент сцепления колес автомобиля с дорогой

Значение тяговой силы, необходимой для движения, ограни­чено вследствие действия силы сцепления колес с дорогой.

Под силой сцепления понимают силу, противодействующую скольжению колеса относительно поверхности дороги. Она равна силе трения, возникающей в месте контакта колеса с дорогой.

Сила сцепления

Р_сц = R_zφ,

где R_z — нормальная реакция дороги; φ — коэффициент сцепле­ния.

Равномерное качение колеса без скольжения и буксования воз­можно только при выполнении условия Р_Т < Р_сцЕсли тяговая сила

больше силы сцепления (Р_т> Р_си), то автомобиль движется с про­буксовкой ведущих колес. Это происходит, например, тогда, ког­да при движении по сухой дороге он попадает на участок со скольз­ким покрытием. Если же автомобиль стоял на месте, то не только движение, но и его трогание с места невозможны.

Коэффициент сцепления. Этот коэффициент во многом опре­деляет значение силы сцепления. В зависимости от направления скольжения колеса относительно поверхности дороги различают коэффициенты продольного φ _х и поперечного φ _усцепления. Эти коэффициенты зависят от одних и тех же факторов, и можно счи­тать, что они практически равны (φ _х = φ _у).

На коэффициент продольного сцепления ц>_хоказывают влия­ние многие конструктивные и эксплуатационные факторы. Он определяется экспериментально. Ниже приведены средние зна­чения ф_х для различных дорог и состояний их поверхности:

                                                                 Сухое       Мокрое

Асфальтобетонное шоссе……………….  0,7…0,8     0,35…0,45

Дорога с щебенчатым покрытием ….  0,6…0,7      0,3…0,4

Грунтовая дорога…………………………..  0,5…0,6      0,2…0,4

Снег……………………………………………..      0,2             0,3

Лед………………………………………………..      0,1             0,2

Рассмотрим, как влияют различные конструктивные и эксплу­атационные факторы на коэффициент продольного сцепления.

Тип и состояние покрытия дороги. На сухих дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления имеет наибольшее значение, так как в этом случае он обусловливается не только трением сколь­жения, но и межмолекулярным взаимодействием материалов ко­леса и дороги (механическим зацеплением). На мокрых дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления существенно уменьшается (в 1,5 — 2 раза) по сравнению с сухими дорогами, так как между колесом и дорогой образуется пленка из частиц грунта и воды. На деформируемых дорогах коэффициент сцепления зави­сит от внутреннего трения в грунте и сопротивления грунта срезу.

Рис. 6.6. Рисунки протектора шин:

а, б — дорожный; в, г — универсальный; д—з — повышенной проходимости

Рисунок протектора шины (рис. 6.6). Дорожный рисунок про­тектора обеспечивает наибольший коэффициент сцепления на дорогах с твердым покрытием, универсальный — на дорогах смешанного типа, а рисунок протектора повышенной проходимо­сти — в тяжелых дорожных условиях и по бездорожью. По мере изнашивания рисунка протектора значение коэффициента сцеп­ления уменьшается.

Внутреннее давление воздуха в шине. При увеличении давле­ния воздуха в шине (рис. 6.7, а) коэффициент сцепления сначала возрастает, а затем уменьшается.

Рис.  6.7. Зависимости коэффициента сцепления от давления воздуха в шине (а), скорости движения (б) и вертикальной нагрузки на колесо (в)

Скорость движения. При увеличении скорости движения (рис. 6.7, б) коэффициент сцепления сначала возрастает, а по­том падает.

Нагрузка на колесо. Увеличение вертикальной нагрузки на ко­лесо (рис. 6.7, в) приводит к незначительному уменьшению ко­эффициента сцепления.

Коэффициент сцепления существенно влияет на безопасность движения. Его недостаточно высокое значение вызывает много­численные аварии и несчастные случаи на дорогах. Как показали исследования, по этой причине происходит 15% общего числа Дорожно-транспортных происшествий, а в неблагоприятные пе­риоды года — около 70 %. Исследованиями установлено, что для обеспечения безопасного движения значение коэффициента сцеп­ления должно составлять не менее 0,4.

Движение автомобиля | Автомобильное

В результате сгорания горючего в цилиндрах двигателя тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения коленчатого вала.

Усилие, развивающееся на коленчатом валу, передается коробке передач через механизм сцепления. В коробке усилие увеличивается или уменьшается в зависимости от выбранной передачи. От коробки передач усилие передается раздаточной коробке, которая в свою очередь распределяет («раздает») его через соответствующие карданные валы между главными передачами ведущих мостов. Обычно конструкция раздаточной коробки такова, что передаваемое коробкой усилие несколько увеличивается. В главной передаче усилие также увеличивается вследствие соответствующего передаточного отношения между ведущей и ведомой шестернями. Связанный с главной передачей дифференциал распределяет усилие между приводными валами, которые и передают его непосредственно ведущим колесам автомобиля.

Под действием полученного усилия ведущие колеса, стремясь оттолкнуться в точке касания от полотна дороги, начинают катиться по ней, вызывая перемещение автомобиля. Подводимое от двигателя усилие, действующее в точке соприкосновения ведущих колес с дорогой, называется тяговой силой. Величина тяговой силы автомобиля зависит в основном от мощности, развиваемой двигателем, и включенных передач в коробке передач и раздаточной коробке. Тяговая сила зависит также от радиуса колеса, величины потерь на трение в силовой передаче и передаточного отношения главной передачи.

Чтобы автомобиль мог двигаться, необходимо соблюдать два условия:

1. тяговая сила ведущих колес автомобиля должна быть меньше силы сцепления колес с полотном дороги;
2. тяговая сила ведущих колес должна быть равна или больше суммы сил сопротивления движению автомобиля.

Сила сцепления ведущих, колес автомобиля имеет решающее значение для его проходимости: чем она больше, тем увереннее движется автомобиль, полностью используя подводимую к ведущим колесам тяговую силу.

Сила сцепления ведущих колес автомобиля зависит от типа и состояния дороги, рисунка протектора и внутреннего давления воздуха в шинах, от величины сцепного веса автомобиля, т.е. от той части полного веса автомобиля, которая приходится на ведущие колеса. Поэтому у автомобилей повышенной проходимости для увеличения их сцепного веса и, следовательно, повышения проходимости все колеса выполняются ведущими; сцепной вес в этом случае равен полному весу автомобиля.

На мокрой или скользкой дороге, когда сцепление шин с дорогой недостаточно, колеса проскальзывают, т.е. буксуют. Для прекращения буксования нужно подкладывать под ведущие колеса доски, хворост, камни. Буксование колес тем меньше, чем меньшая подводится к ним тяговая сила, поэтому необходимо уменьшать подводимую к колесам тяговую силу, используя для трогания и движения автомобиля возможно более высокую передачу при небольшом открытии дроссельной заслонки карбюратора (для дизеля при малой подаче топлива).

Движению автомобиля противодействуют внешние силы:

• сопротивление дороги
• сопротивление воздуха
• сопротивление разгону

Они носят название сил сопротивления движению. Рассмотрим подробнее эти силы.

Сила сопротивления дороги слагается из силы сопротивления качению автомобиля по горизонтальной дороге и силы сопротивления движению автомобиля на подъем.

Сила сопротивления качению зависит от типа и состояния дороги, давления воздуха в шинах и общего веса автомобиля. Чем тверже и ровнее покрытие дороги, чем больше давление воздуха в шинах и чем меньше нагрузка автомобиля, тем меньше сила сопротивления качению автомобиля, тем меньшая часть тяговой силы, затрачивается на качение автомобиля.

Сила сопротивления движению автомобиля на подъем зависит от крутизны подъема и нагрузки автомобиля. Чем круче подъем и чем больше нагрузка автомобиля, тем больше сопротивление подъему, тем большую тяговую силу нужно подвести к ведущим колесам, чтобы преодолеть подъем. При движении автомобиля по горизонтальной дороге сила сопротивления подъему отсутствует. Сопротивление воздуха движению автомобиля зависит от формы (обтекаемости) автомобиля и скорости движения. С увеличением скорости автомобиля сопротивление воздуха его движению резко возрастает. Поэтому современные автомобили, особенно легковые, имеют обтекаемую форму.

Сопротивление разгону возникает при ускорении движения автомобиля. Сила сопротивления разгону — это не что иное, как сила инерции автомобиля, т.е. стремление автомобиля сохранить состояние прямолинейного и равномерного движения. Эта сила тем больше, чем быстрее разгоняется автомобиль и чем больше его нагрузка.

При движении автомобиля с постоянной скоростью по горизонтальной дороге тяговая сила ведущих колес затрачивается только на преодоление сопротивления качению и сопротивления воздуха. Излишняя тяговая сила, зависящая от мощности двигателя и передаточных чисел коробки передач и раздаточной коробки, в этом случае может быть использована для разгона автомобиля, на преодоление подъема и на буксировку прицепа.

Если же автомобиль движется по закруглению дороги, на него дополнительно действует центробежная сила, приложенная к центру тяжести автомобиля. Эта сила стремится либо опрокинуть автомобиль, либо сдвинуть (занести) его в сторону, противоположную центру поворота.

Центробежная сила тем больше, чем больше скорость движения автомобиля на повороте и чем круче поворот. Поэтому, чтобы избежать опрокидывания или заноса, перед поворотом следует снижать скорость. Особенно важно это делать на скользкой или влажной дороге.

3.18. Динамический паспорт автопоезда

На дорогах с твердым покрытием без крутых и затяжных подъе­мов производительность грузового автомобиля значительно по­вышается в случае использования его в качестве тягача для букси­ровки прицепов и полуприцепов. При этом масса перевозимого груза увеличивается в 2 — 3 раза и снижается себестоимость пере­возок, хотя средняя скорость движения несколько уменьшается. Кроме того, снижается нагрузка на ось, сокращается расход топ­лива и масла, что приводит к увеличению срока службы дорож­ного покрытия.

Движение автопоезда связано с возрастанием сил сопротивле­ния качению и воздуха. Несовершенство поворотных устройств прицепов и зазоры в сцепных устройствах приводят к несовпаде­нию траектории движения прицепа или полуприцепа с траекто­рией движения автомобиля-тягача. Вследствие этого при движе­нии автопоезда с большой скоростью возникают угловые колеба­ния прицепов в горизонтальной плоскости, а при изменении ско­рости автомобиля-тягача происходят продольные рывки и удары. В результате сила сопротивления качению автопоезда возрастает, причем непропорционально его массе, так как одновременно с увеличением массы повышается коэффициент сопротивления ка­чению автопоезда.

Выражение для определения коэффициента сопротивления качению автопоезда записывается в виде

ƒ_а и ƒ_пр — коэффициенты сопротивления качению соответствен­но автомобиля и прицепа; G_а и G_пр — вес с полной нагрузкой соответственно автомобиля и прицепа, Н.

При возрастании тяговой силы на ведущих колесах автомоби­ля-тягача коэффициент сопротивления качению автопоезда уве­личивается вследствие проскальзывания колес относительно по­верхности дороги. Так, например, использование одного прицепа на горизонтальной дороге приводит к увеличению коэффициента сопротивления качению на 5… 10 %, а на дороге с крутыми подъе­мами — почти в 2 раза.

В случае применения прицепов повышается и сопротивление воздуха

вследствие увеличения поверхности трения автопоезда и значительного вихреобразования в воздушных потоках.

При небольшом расстоянии между автомобилем-тягачом и прицепом коэффициент обтекаемости автопоезда на 8… 10 % боль­ше, чем у одиночного автомобиля. Если же расстояние

между ав­томобилем и прицепом составляет 50…80 см, то этот коэффици­ент возрастает на

Рис. 3.26. Динамический паспорт автопоезда:

О — начало координат динамической характеристики автопоезда; А, В — харак­терные точки построения; ₁— значение скорости автомобиля; I—V — передачи

15… 17 %, а при расстоянии 120… 180 см — на 30…35 %. Можно считать, что каждый прицеп увеличивает коэф­фициент обтекаемости автопоезда на 25 %.

Для анализа тягово-скоростных свойств автопоезда использу­ется его динамический паспорт. Правая часть паспорта представ­ляет собой динамическую характеристику автопоезда по тяге с полной нагрузкой, а левая — номограмму нагрузок для автопоез­да (рис. 3.26).

Номограмму нагрузок для автопоезда в отличие от таковой для одиночного автомобиля строят, принимая за 100 % массу автомо­биля с полной нагрузкой. При этом, определяя нагрузку автопо­езда, в его общую массу включают массу автомобиля-тягача.

Динамический фактор по тяге для автопоезда определяют по следующей формуле:

где G_ап — вес автопоезда с полной нагрузкой; δ_ап — коэффициент учета вращающихся масс автопоезда.

Поскольку скорость движения автопоезда относительно неве­лика, силой сопротивления воздуха можно пренебречь. Тогда при равномерном движении автопоезда его динамический фактор по тяге

Расчет движения автопоезда с помощью его динамического паспорта аналогичен расчету, рассмотренному ранее для одиноч­ного автомобиля. Так, например, автопоезд, масса которого в 2,5 раза больше массы одиночного автомобиля, может двигаться по дороге, характеризуемой коэффициентом сопротивления ψ = 0,05 (точка А на рис. 3.26), только на II передаче (точка В) со скорос­тью ₁.

Производительность автопоезда без учета простоев может быть рассчитана с помощью следующего выражения:

где — полезная нагрузка.

На рис. 3.27 показано изменение скорости движения, произво­дительности и полезной нагрузки автопоезда от его общей массы. Из рисунка следует, что при увеличении общей массы автопоездаполезная нагрузка возрастает, а скорость движения уменьшается. В связи с этим производитель­ность автопоезда сначала рас­тет, а затем, достигнув макси­мального значения, снижает­ся. Диапазон значений т_ап от а до b является оптимальным для получения максимально воз­можной производительности автопоезда и, следовательно, наибольшего экономического эффекта.

Опыт эксплуатации показы­вает, что при движении авто­поезда, состоящего из грузово­го автомобиля и прицепа, по Дороге с асфальтобетонным

Рис. 3.27. Зависимость скорости дви­жения , производительности W и полезной нагрузки G_гр автопоезда от его общей массы m_ап:

a, b— границы диапазона оптимальных значений полной массы автопоезда

покрытием скорость автопоез­да уменьшается на 10… 12 % по сравнению со скоростью одиночного грузового автомобиля. Однако по производительности автопоезд в этом случае превосходит одиночный грузовой автомобиль на 40… 50 %.

Сила сопротивления разгону

Сила сопротивления разгону воз­никает вследствие затрат энергии на раскручивание вращающихся частей двигателя и трансмиссии, а также колес при движении автомобиля с ускорением.

Сила сопротивления разгону, Н:

где G — вес автомобиля, Н; g — ус­корение силы тяжести, м/с²; δ_вр — коэффициент учета вращающихся масс автомобиля; j — ускорение ав­томобиля, м/с².

Мощность, кВт, затрачиваемая на разгон:

Зависимости силы сопротивления разгону Р_и и мощности N_И, необходимой для преодоления этого сопротивления, от скорости автомобиля v представлены на рис. 3.20.

Коэффициент учета вращающихся масс

Этот коэффициент учитывает дополнительное сопротивление разгону автомобиля, вызванное раскручиванием вращающихся ча­стей двигателя, трансмиссии и колес.

Коэффициент учета вращающихся масс показывает, во сколь­ко раз мощность, затрачиваемая на разгон автомобиля, больше мощности, не

обходимой для установившегося движения:

где J_м — момент инерции маховика; u_T, η_тр — передаточное число и КПД трансмиссии; J_сум — суммарный момент инерции всех ко­лес автомобиля.

Коэффициент учета вращающихся масс для автомобиля с пол­ной нагрузкой можно приближенно рассчитать по формуле

47

где u_к, u_д — передаточные числа основной и дополнительной ко­робок передач.

Условие равномерного движения при отсутствии буксования ведущих колес записывается в вид

3.12. Уравнение движения автомобиля

Для вывода уравнения движения рассмотрим разгон автомоби­ля на подъеме (рис. 3.21).

Спроецируем все силы, действующие на автомобиль, на по­верхность дороги:

(3.19)

Подставим в формулу (3.19) касательные реакции дороги R_x1, и R_x2,

объединим члены с коэффициентом сопротивления каче­нию ƒ и члены с ускорением j и, принимая во внимание соотно­шения ƒ(R_z2+R_z1 ) = Р_K, и j_k1 + j_k2 = j_k , а также коэффициент уче­та вращающихся масс, получим уравнение движения автомобиля в общем виде:

Или

(3.20)

Уравнение движения автомобиля выражает связь между дви­жущими силами и силами сопротивления

Рис. 3.21. Схема сил, действую­щих на автомобиль на подъеме

движению. Оно позволяет определить режим движения автомобиля в любой момент.

Так, например, при установившемся (равномерном) движе­нии

Из уравнения (3.20) следует, что безостановочное движение автомобиля возможно только при условии

р

^гв-

Данное неравенство связыва­ет конструктивные параметры ав­томобиля с эксплуатационными факторами, обусловливающими сопротивление движению. Одна­ко оно не гарантирует отсутствия буксования ведущих колес. Безо­становочное движение автомоби­ля без буксования ведущих колес возможно лишь при соблюдении условия

Условия равномерного движения при отсутствии буксования ведущих колёс записывается в виде

3.13. Силовой баланс автомобиля

Представим уравнение движения автомобиля в следующем виде: (3.21)

В такой форме оно называется уравнением силового баланса автомобиля и выражает соотношение между тяговой силой на ве­дущих колесах и силами сопротивления движению.

На основании уравнения (3.21) строится график силового ба­ланса, позволяющий оценивать тягово-скоростные свойства ав­томобиля.

При построении графика силового баланса (рис. 3.22) сначала строят тяговую характеристику автомобиля. Затем наносят зави­симость силы сопротивления дороги от скорости. Если коэффи­циент сопротивления дороги — постоянная величина, то указан­ная зависимость представляет собой прямую линию, параллель­ную оси абсцисс, а при непостоянном коэффициенте сопротив­ления дороги — кривую параболической формы. После этого от кривой, характеризующей силу сопротивления дороги, отклады­вают вверх значения силы сопротивления воздуха при различных скоростях движения. Полученная зависимость

5. Эксплуатационные показатели транспортных средств

5.1. Силы, действующие на транспортное средство при движение

Крутящий момент двигателя, подведенный через механизмы трансмиссии к ведущим колесам автомобиля, вызывает их вращение. В месте соприкосновения колеса с дорогой от крутящего момента воз­никает окружная сила, а со сторо­ны дороги – продольная реакция (рис. 5.1), равная по величине ок­ружной силе, по направленная в противоположную сторону. Суммарная продольная реакция ведущих колес передается на веду­щие мосты и вызывает движение автомобиля, поэтому называет­ся тяговой силой.

Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий мо­мент двигателя и передаточные числа коробки передач и главной передачи. Но величина тяговой силы не может превысить силу сцепления ведущих колес с дорогой. Если тяговая сила превысит силу сцепления колес с дорогой, то ведущие колеса будут пробуксовывать.

Сила сцепления равна произведению коэффициента сцепления на сцепной вес. Для тягового автомобиля сцепной вес равен нор­мальной нагрузке, приходящейся на затормаживаемые колеса.

Коэффициент сцепления зависит от типа и состояния покры­тия дороги, от конструкции и состояния шин (давление воздуха, рисунок протектора), от нагрузки и скорости движения автомо­биля. Величина коэффициента сцепления снижается при мокрой и влажной поверхностях дороги, особенно при увеличении скоро­сти движения и изношенном протекторе шин. Например, при су­хой дороге с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепле­ния равен 0,7 – 0,8, а для мокрой – 0,35 – 0,45. При обледенелой дороге коэффициент сцепления снижается до 0,1 – 0,2.

Сила тяжести автомобиля приложена в центре тяжести. У современных легковых автомобилей центр тяжести располагает­ся на высоте 0,45 – 0,6 м от поверхности дороги и примерно посе­редине автомобиля. Поэтому нормальная нагрузка легкового ав­томобиля распределяется по его осям примерно поровну, т.е. сцеп­ной вес равен 50 % нормальной нагрузки.

Высота расположения центра тяжести у грузовых автомоби­лей 0,65 – 1 м. У полностью груженных грузовых автомобилей сцепной вес составляет 60 75 % нормальной нагрузки. У полноп­риводных автомобилей сцепной вес равен нормальной нагрузке автомобиля.

При движении автомобиля указанные соотношения изменяют­ся, так как происходит продольное перераспределение нормаль­ной нагрузки между осями автомобилям при передаче ведущими колесами тяговой силы больше нагружаются задние колеса, а при торможении автомобиля – передние колеса. Кроме того, перерас­пределение нормальной нагрузки между передними и задними колесами имеет место при движении автомобиля на спуск или на подъем.

Перераспределение нагрузки, изменяя величину сцепного веса, влияет на величину сцепления колес с дорогой, тормозные свой­ства и устойчивость автомобиля.

Силы сопротивления движению. Тяговая сила на ведущих колесах

автомобиля. При равно­мерном движении авто­мобиля по горизонталь­ной дороге такими сила­ми являются: сила сопро­тивления качению и сила сопротивления воздуха. При движении автомоби­ля на подъем возникает сила сопротивления подъему (рис. 5.2), а при разгоне автомобиля – сила сопротивления разгону (сила инерции).

Сила сопротивления качению возникает вследствие деформа­ции шин и поверхности дороги. Она равна произведению нор­мальной нагрузки автомобиля на коэффициент сопротивления качению.

Рис.5.1 Схема сил и моментов, действующих на ведущее колесо автомобиля

Рис.5.2. Схема сил, действующих на автомобиль при равномерном движении на подъем

Коэффициент сопротивления качению зависит от типа и со­стояния покрытия дороги, конструкции шин, их износа и давле­ния воздуха в них, скорости движения автомобиля. Например, для дороги с асфальтобетонным покрытием коэффициент сопротив­ления качению равен 0,014 0,020, для сухой грунтовой дороги –0,025 – 0,035.

На твердых дорожных покрытиях коэффициент сопротивле­ния качению резко увеличивается при снижении давления возду­ха в шинах, и возрастает с ростом скорости движения, а также с увеличением тормозного и крутящего моментов.

Сила сопротивления воздуха зависит от коэффициента сопро­тивления воздуха, лобовой площади и скорости движения авто­мобиля. Коэффициент сопротивления воздуха определяется типом автомобиля и формой его кузова, а лобовая площадь – колеей колес (расстоянием между центрами шин) и высотой автомобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля.

Сила сопротивления подъему тем больше, чем больше масса автомобиля и крутизна подъема дороги, которая оценивается уг­лом подъема в градусах или величиной уклона, выраженной в процентах. При движении автомобиля под уклон сила сопротив­ления подъему, наоборот, ускоряет движение автомобиля.

На автомобильных дорогах с асфальтобетонным покрытием продольный уклон обычно не превышает 6%. Вели коэффициент сопротивления качению принять равным 0,02, то общее сопротив­ление дороги составит 8% от нормальной нагрузки автомобиля.

Сила сопротивления разгону (сила инерции) зависит от массы автомобиля, его ускорения (приросту скорости в единицу време­ни) и массы вращающихся частей (маховик, колеса), на ускорение которых также затрачивается тяговая сила.

При разгоне автомобиля сила сопротивления разгону направ­лена в сторону, обратную движению. При торможении автомоби­ля и замедлении его движения сила инерции направлена в сторо­ну движения автомобиля.