Тяговая характеристика и уравнения движения автомобиля

Устройство автомобилей

Уравнение движения автомобиля

Силовой баланс при прямолинейном движении автомобиля

В предыдущей статье рассмотрены все силы, действующие на автомобиль во время его прямолинейного движения – сила тяги Р_т , сила тяжести G , сила сопротивления воздуха Р_ω , касательные R_x и нормальные R_y составляющие реакции дороги, силы инерции P_j , силы сопротивления подъему P_α , силы сопротивления качению колес P_f , и (в случае движения автопоезда) сила Р_пр на буксирном крюке.
Эти силы можно разделить на две группы – силы, обеспечивающие движение автомобиля, и силы сопротивления, препятствующие этому движению. В общем случае лишь одна сила обеспечивает его движение – сила тяги Р_т , приложенная к ведущим колесам. В частных случаях реально помогать движению автомобиля могут еще три силы – сила тяжести (при движении под уклон), сила инерции и сила попутного ветра. Тем не менее, эти силы при составлении динамического баланса тоже следует отнести к силам сопротивления движению автомобиля, учитывая лишь их векторное значение для каждого конкретного случая..

Спроектировав все силы на плоскость опорной поверхности автомобиля, получим уравнение динамики прямолинейного движения:

Очевидно, что движение возможно лишь в том случае, если сила тяги Р_т будет больше суммы сил P_ψ , P_j , P_ω , препятствующих движению. При этом движение возможно до тех пор, пока не начнется пробуксовка ведущих колес, т. е. сила тяги на ведущих колесах не превысит значение, при котором не будет иметь место сцепление шин с поверхностью дороги.

Сила тяги по сцеплению

Сила тяги образуется касательными реакциями дороги. Эти реакции представляют собой силы трения и силы зацепления, при этом силы зацепления возникают на деформируемых грунтах. Сила тяги ведущего колеса, которую можно реализовать для движения автомобиля на данном дорожном покрытии или грунте, имеет предел, зависящий от сцепных свойств шины.

Предельные значения силы тяги, которые можно реализовать по сцепным свойствам дороги, называют силой тяги по сцеплению P_φ . Основными факторами, влияющими на силу тяги по сцеплению, являются:

• нагрузка на ведущие колеса (сцепная нагрузка) и ее распределение по колесам;
• качество и состояние дорожного покрытия (грунта);
• удельное давление шин на дорогу;
• тип силовой передачи;
• состояние протектора шин.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов на силу тяги по сцеплению.

Сцепная нагрузка

При увеличении нагрузки на колесо увеличивается сила трения и сила зацепления. Сила тяги по сцеплению прямо пропорциональна сцепной нагрузке G_φ или нормальным реакциям на ведущих колесах:

где φ_x – коэффициент продольного сцепления колеса с опорной поверхностью.

А поскольку сила тяги определяется максимальным значением касательной реакции дороги, которая пропорциональна R_z , то можно записать:

где R_{x max} – максимально возможная продольная реакция по сцеплению.

Коэффициент φ_x определяется экспериментальным путем чаще всего при скольжении колеса в тормозном режиме, т. е. при протаскивании полностью заторможенного колеса:

Дорожное покрытие

Качество и состояние дорожного покрытия являются решающими факторами, влияющими на коэффициент сцепления φ_x . При движении автомобиля по дороге с твердым покрытием коэффициент продольного сцепления колеса с опорной поверхностью зависит от шероховатости и влажности дороги, наличия пыли и грязи. При этом даже тонкий слой воды на дорожном покрытии может не только существенно снизить φ_x , но и создавать подъемную силу, еще больше снижая сцепление шины с дорогой. Такой же и даже более выраженный эффект может создавать жидкая грязь на дороге.
Следует учитывать, что подъемная сила, возникающая при движении по мокрым и грязным дорогам, пропорциональная квадрату скорости движения автомобиля, и при большой скорости может вызвать аквапланирование, когда полностью прерывается контакт между шинами и дорогой.

Удельное давление на дорогу

Удельное давление шины на дорогу определяется площадью опорной поверхности шины и весом автомобиля, приходящимся на данное колесо. Регулировать удельное давление шины на дорогу можно изменением давления в шине – при снижении давления увеличивается площадь опорной поверхности и удельное давление снижается, и наоборот – при увеличении давления воздуха в шине уменьшается площадь опорной поверхности, что приводит к увеличению удельного давления колеса на дорогу.

Очевидно, что увеличение опорной поверхности шины с дорогой приводит к увеличению силы сцепления, особенно, на грунтовых дорогах, поскольку в зацеплении участвует большее количество грунтозацепов протектора покрышки.

При движении по влажным дорожным покрытиям повышенное удельное давление (давление в шинах) может благотворно сказаться на сцеплении шин с дорогой из-за выдавливания влаги из-под колес.

Удельное давление, оказываемое колесом на опорную поверхность, в некоторой степени зависит и от размеров шины – от ее диаметра и ширины. При увеличении диаметра колеса сегмент дуги, по которой осуществляется контакт шины с дорогой, имеет бȯльшую длину, чем опорный сегмент маленького колеса. Широкая шина создает колесу опору большей площади, чем узкая.

Влияние на сцепные свойства типа трансмиссии

Многочисленные опыты показали, что применение бесступенчатых трансмиссий обеспечивает повышение силы тяги по сцеплению. Главную роль здесь играет возможность плавного изменения величины тяговых моментов на ведущих колесах, без рывков и резких толчков.
В трансмиссиях, оснащенных ступенчатыми коробками передач, потеря сцепления колес с опорной поверхностью чаще всего имеет место во время переключения передач, сопровождающихся резким изменением величины крутящего момента на колесах.

Влияние конструкции шин

Важную роль в повышении сцепления колеса с дорогой играют рисунок протектора, а для шин повышенной проходимости размеры (особенно, высота) грунтозацепов протектора. Протектор шин легковых автомобилей обычной проходимости, как правило, имеет мелкий рисунок, обеспечивающий хорошее сцепление с твердым покрытием.
Наименьший коэффициент сцепления при прочих равных условиях у шин с изношенным рисунком протектора. Поэтому использование автомобилей с такими шинами запрещено.

Недостаточная величина коэффициента сцепления является причиной многих дорожно-транспортных происшествий. Для обеспечения безопасности дорожного движения его величина не должна быть меньше 0,4.

На дорогах с низкими сцепными свойствами коэффициент сцепления φx снижается до 0,2 и становится соизмеримым с коэффициентом сопротивления качению f . Это означает,что движение может оказаться невозможным из-за отсутствия запаса силы тяги по сцеплению. Следовательно, условие качения колес без скольжения можно представить в виде

Если сила тяги Р_т меньше силы сцепления Р_φ , ведущие колеса катятся без буксования. Если сила тяги превысит силу сцепления колес с дорогой, ведущие колеса будут пробуксовывать, а для движения использоваться лишь часть силы тяги, равная φR_z . Остальная часть силы тяги вызывает ускоренное вращение буксующих колес. Буксование колес связано со значительными потерями энергии на трение шин о дорогу и разрушение опорной поверхности.

Не менее вредное влияние на сцепную тягу автомобиля и его устойчивость на дороге оказывает скольжение заторможенных колес по твердому дорожному покрытию (блокировка колес). В этом случае изношенные частицы шины, попадая на опорную поверхность колеса и дороги, вызывают эффект «смазки», существенно снижая сцепные свойства шины. Это явление явилось причиной появления тормозных систем с антиблокировочными устройствами (АБС).

Условия возможности движения автомобиля

Согласно уравнению силового баланса (1) равномерное безостановочное движение автомобиля возможно лишь при условии

Выполнение этого условия для безостановочного движения автомобиля необходимо, но недостаточно, поскольку оно возможно лишь при отсутствии буксования ведущих колес.

Учитывая формулу (2) условие безостановочного движения можно выразить так:

Если суммарная сила сопротивления движению больше силы тяги, то двигатель автомобиля заглохнет. Если сила тяги превысит силу сцепления, ведущие колеса начнут пробуксовывать.

Формула (4) справедлива для полноприводных автомобилей, где вертикальная реакция R_z на ведущих колесах равна весу автомобиля. Для переднеприводных автомобилей вместо R_z следует подставить R_z1 , для заднеприводных – R_z2 .

Мощностной баланс автомобиля

Иногда вместо силового баланса, характеризуя возможность движения автомобиля, пользуются мощностным балансом. Мощность силы определяется ее модульной величиной и скоростью v движения тела под действием этой силы. Если умножить все члены уравнения силового баланса (1) на v /1000, получим уравнение мощностного баланса:

где N_т – тяговая мощность:

N_т = Р_тv/ 1000 = М_кi_трη_трv/ 1000 r = N_еη_тр
(здесь N_е – эффективная мощность двигателя, η_тр – КПД трансмиссии, i_тр – передаточное число трансмиссии);

N_α – мощность, затрачиваемая на преодоление подъема:

N_f – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению:

N_ω — мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха:

N_j – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления разгону:

N_ψ – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления дороги:

Уравнение мощностного баланса устанавливает соотношения между мощностью, подводимой к ведущим колесам автомобиля и мощностью, необходимой для преодоления сопротивления движению автомобиля.

Используя уравнение мощностного баланса строят графики мощностного баланса для движения автомобиля на каждой из передач. Такие графики удобно использовать при сравнительной оценке тяговых свойств автомобиля графическими методами.

Тягово-динамические показатели автомобиля: силовой и мощностной баланс автомобиля. динамическая характеристика автомобиля; неустановившейся режим движения автомобиля; влияние конструктивных факторов на тяговую динамичность автомобиля

Тягово-динамические показатели автомобиля: силовой и мощностной баланс автомобиля. динамическая характеристика автомобиля; неустановившейся режим движения автомобиля; влияние конструктивных факторов на тяговую динамичность автомобиля

Цель: изучить влияние конструктивных факторов на тягово-динамические показатели автомобиля.

Продолжительность лекции 2 часа.

Тяговая характеристика и уравнения движения автомобиля

Отношение тягового момента на полуосях к радиусу ведущих колес при равномерном движении автомобиля (Рт = Мт/г) называется силой тяги. Таким образом, понятие «сила тяги» не учи­тывает затраты энергии на трение внутри шины, деформацию доро­ги, а также на ускорение вращающихся деталей. Эти затраты учитываются отдельно. На ведомом колесе сила тяги отсутствует (Рт = 0), и при равномерном движении касательная реакция дороги численно равна силе сопротивления качению ведомых колес (Rx< = RKl).

Тяговая характеристика автомобиля. График зависимости силы тяги от скорости автомобиля на различных передачах называется его тяговой характеристикой.

Угловые скорости сок = сое соответственно ведущих колес и коленчатого вала связаны между собой равенством

где ики UQ — передаточные числа соответственно коробки пере­дач и главной передачи.

Скорость автомобиля v = сокг = соer/UTp.

При передаче момента Мк агрегатами трансмиссии его значе­ние изменяется пропорционально передаточным числам агрега­тов. Момент, Н — м, подводимый к полуосям при равномерном дви­жении автомобиля,

тяговый момент можно определить также по выражению

1ГМт 1Г±к ^трЧтрэ

а силу тяги по формуле

Рт = Мг/г= МкитрЦтр/г.

(ое и момента Мк и построить тяговую характеристику автомобиля. Число кривых на этом графике (РтЬ РтИ, РтШ) соответствует числу ступеней в коробке передач.

Шкалы угловых скоростей (соь wib ®ш) соответствуют движению автомобиля на различных передачах. Задавшись размерами графика, по значению максимальной скоро­сти vmax автомобиля определяют длину 4 шкалы скорости. Такой же длины должна быть и шкала угловой скорости на высшей передаче. При постоянной угловой скорости вала двигателя скорости авто­мобиля на различных передачах обратно пропорциональны переда­точным числам коробки передач (римские цифры в индексе озна­чают передачу в коробке):

Щ ■ Щ = Un\ vu : vm = Um : Un и т. д.

Вследствие этого размер одного деления шкалы по оси, на которой отложены значения угловой скорости, например, для первой передачи, должен быть в С/j раз меньше размера деления для прямой передачи.

Уравнение движения автомобиля. Это уравнение связывает все силы, действующие на автомобиль, и позволяет определить характер движения автомобиля в любой момент времени. При изучении динамичности автомобиля считают, что его возможности ограничены лишь мощностью двигателя и сцеплением ведущих колес с дорогой. Остальные ограничения, накладываемые, например, требованиями безопасности движения или комфортабельности, не учитывают. В связи с этим рассмотрим лишь прямолинейное движение автомобиля. Особенности криволинейного движе­ния автомобиля изложены в главах, посвященных устойчивости и управляемости автомобиля.

Рассмотрим силы, действующие на автомобиль на подъеме во время разгона. К центру тяжести автомобиля приложены сила тяжести G = mg, а также сила инерции Р^, Н, поступательно движу­щихся масс, направленная противоположно ускорению. Сила инерции

Рис.. Тяговая характеристика автомобиля

К колесам автомобиля приложены моменты сопротивления качению Мк1 и Мк2. Со стороны дороги на шины действуют нор­мальные реакции Rzl и Rzl и касательные реакции Rxl и Rx2. Сила сопротивления воздуха Рв приложена на высоте hB. Кроме того, к тяговому крюку автомобиля может быть приложена сила Рпр сопротивления движению прицепа.

Спроектируем все силы на плоскость дороги:

При движении одиночного автомобиля

При неравномерном вращении деталей возникает инерционный момент в (где J — момент инерции, а £ — угловое ускорение детали). Наибольшее влияние на движение автомобиля оказывают моменты инерции маховика и колес.

Касательные реакции при разгоне автомобиля

где /м и ем — соответственно момент инерции маховика, кг • м2, и его угловое ускорение, рад/с2; /к1, /к2 и вк соответственно момен­ты инерции ведомых и ведущих колес, кг-м2, и их угловое уско­рение, рад/с2.

Согласно соотношению между угловым и линейным ускоре­ниями

8К = а/г, вм = eKUTp = aUTJr2.

Второй член уравнения характеризует силу, которую можно приложить к автомобилю, чтобы сообщить ему ускорение а. Выражение в скобках показывает, во сколько раз энергия, затра­чиваемая при разгоне автомобиля, больше энергии, необходимой для разгона автомобиля, все детали которого движутся только поступательно. Таким образом, это выражение характеризует вли­яние вращающихся масс на движение автомобиля. Поэтому его называют коэффициентом учета вращающихся масс.

SBp = 1 + (Л, Лтр^тр + /к Жтг2).

Это неравенство связывает конструктивные параметры автомобиля с сопротивлением движению. Выполнение его необходмо, но недостаточно для безостановочного движения автомоби­ля, так как оно возможно лишь при отсутствии буксования ведущих колес. Учитывая формулу (21.10), условие безостановочного движения можно выразить следующим образом:

Если суммарная сила сопротивления движению больше силы тяги, то останавливается двигатель. Если сила тяги больше силы сцепления — пробуксовывают ведущие колеса.

Для автомобиля с передними ведущими колесами в формулу вместо Rz2 подставляют Rzl, а для автомобиля со всеми ведущими колесами — Gcosaa.

Определим нормальные реакции, действующие на колеса автомобиля, стоящего на горизонтальной дороге. Вектор веса авто­мобиля проходит через центр тяжести, который расположен на расстоянии /[ от оси переднего моста и на расстоянии /2 от оси заднего. Нормальные реакции Rzl и Rz2, действующие на колеса соответственно переднего и заднего мостов, равны составляющим Gi и G-, веса автомобиля, приходящимся на колеса этих мостов.

Из условий равновесия имеем:

RzlL — GU = 0; Rzl + Rz2 = G,

где L — расстояние между осями мостов (база автомобиля), м.

Следовательно, в статическом состоянии автомобиля

Rzl = Gx = Gl2/L; Rz2 = G2 = GIJL.

При движении автомобиля нормальные реакции дороги не остаются постоянными, а изменяются под действием сил и моментов, приложенных к автомобилю (например, реактивного момента ведущего моста автомобиля, моментов сил инерции колес при

Тягово-скоростные свойства автомобиля. Оценочные показатели тягово-скоростных свойств. Тяговый баланс и уравнение движения автомобиля

Страницы работы

Содержание работы

4. Тягово-скоростные свойства автомобиля

4.1. Оценочные показатели тягово-скоростных свойств

Тягово-скоростные свойства (динамичность) автомобиля характеризуют его способность перевозить грузы или пассажиров с высокой средней скоростью и производительностью в заданных дорожных условиях.

Для оценки тягово-скоростных свойств проектируемого автомобиля используют показатели:

1) максимальная скорость автомобиля V_max;

2) динамический фактор при максимальной скорости D_v;

3) максимальный динамический фактор на высшей передаче D_в.max, соответствующие ему критическая скорость V_кр.в и величина подъема дороги i_в.max, который может преодолеть автомобиль без перехода на пониженную передачу;

4) максимальный динамический фактор на низшей передаче D_н.max и соответствующая ему критическая скорость V_кр.н;

5) максимальный продольный уклон дороги i_max, при равномерном движении автомобиля на подъеме;

6) предельный уклон дороги i_пр, который может преодолеть автомобиль с разгона;

7) динамический фактор по сцеплению D_φ;

8) составляющие энергетического баланса автомобиля и коэффициент использования мощности двигателя при движении на высшей передаче (ступени);

9) характеристики разгона до заданной V_з или максимальной V_max скорости движения автомобиля.

Показатели определяют в процессе дорожных и стендовых испытаний автомобиля или моделированием его движения на ЭВМ с использованием динамической характеристики. Дорожные испытания проводят на горизонтальном участке дороги с твердым и ровным (асфальто-бетонным) покрытием в сухую погоду. Продольный уклон дороги не более 0,5 % на участке длиной 50 м, поперечный уклон – не более 3 %. Температура воздуха 5-30 о С, скорость ветра не более 3 м/с, атмосферное давление не ниже 91 кПа, относительная влажность воздуха не выше 95 %. Автомобили полной массой свыше 3,5 т должны иметь полную нагрузку, а до 3,5 т – 50 % от полной, но не менее 180 кг.

Стендовые испытания проводят на специальных стендах, позволяющих имитировать «бегущую дорогу». Автомобиль при этом не подвижен, а его ведущие колеса взаимодействуют с вращающимися беговыми барабанами. Стенды позволяют упростить процесс испытаний и уменьшить затраты на их проведение.

Максимальная скорость V_max– это наибольшая средняя скорость установившегося движения автомобиля на прямолинейном участке протяженностью 1 км. Ее значение определяют при полной подаче топлива на высшей (или предшествующей) передаче, обеспечивающей достижение наибольшей устойчивой скорости движения. Для грузовых автомобилей значение V_max установлено Правилами ЕЭК ООН № 68 и ГОСТ 22576-90 и зависит от типа и назначения автомобиля: для одиночных автомобилей полной массой m_a 1 2 3 4 5 6 7