Уравнение мощностного баланса имеет вид
где Nт – тяговая мощность двигателя;
Nе – эффективная мощность двигателя;
Nк – мощность, потребная на преодоление сопротивления качению колес;
Nп – мощность, потребная на преодоление сопротивление подъему;
Nв – мощность, потребная на преодоление силы сопротивления воздуха;
Nи – мощность, потребная на преодоление инерции автомобиля.
Составляющие правой части уравнения мощностного баланса определяют как:
Nк = , (27)
Nп = , (28)
Nв = , (29)
Nи = , (30)
где g – ускорение свободного падения;
j – ускорение автомобиля;
δвр. – коэффициент учета вращающихся масс.
В случае равномерного движения автомобиля по горизонтальной дороге Nи = 0, Nп = 0, тогда уравнение мощностного баланса примет вид:
Из уравнений (26), (31) следует, что на разных передачах одинаковая величина Nе и NТ достигается при разных значениях скорости движения автомобиля.
Совокупность зависимостей Nе(V) и NТ(V) называется мощностной характеристикой автомобиля. Для построения мощностной характеристики составляют сводную таблицу (таблица 8) значений величин wе, Nе, NТ, V. Величины wе и Nе принимают из таблицы 1. Величину V из таблицы 3. Тяговую мощность NТ рассчитывают по формуле (31), принимая для «Москвич»-412 И Э h= 0,92.
Сводная таблица мощностной характеристики автомобиля «Москвич»-412 И Э
wе, c -1 | 94,2 | |||||||||
Nе, кВт | 9,46 | 32,6 | 33,9 | 43,2 | 50,6 | 53,9 | 52,9 | |||
NТ, кВт | 8,7 | 19,3 | 30,0 | 31,19 | 39,74 | 46,55 | 49,59 | 49,58 | 46,67 | |
V, км/ч на передачах | I | 7,46 | 15,36 | 23,28 | 24,16 | 31,2 | 39,12 | 47,0 | 48,0 | 52,9 |
II | 11,53 | 25,8 | 39,16 | 40,62 | 52,48 | 65,8 | 79,12 | 80,85 | 88,98 | |
III | 19,33 | 39,8 | 60,33 | 62,59 | 80,84 | 101,4 | 121,9 | 124,6 | 137,1 | |
IV | 25,17 | 53,08 | 80,44 | 83,45 | 107,8 | 135,2 | 162,5 | 166,1 | 182,8 |
Для решения уравнения мощностного баланса определяют зависимости Nд(V) и Nв(V), потребной автомобилю на преодоление сил дорожного и воздушного сопротивлений от скорости движения автомобиля.
Результаты расчета заносят в таблицу 9.
Мощность, потребная на преодоление сил дорожного и воздушного сопротивлений в зависимости от скорости движения автомобиля
V, | м/с | 8,33 | 16,67 | 33,33 | 41,67 | |
км/с | ||||||
Nк, кВт | 1,38 | 2,78 | 4,24 | 5,79 | 7,44 | 9,24 |
Nв, кВт | 0,39 | 3,09 | 8,34 | 24,7 | 48,25 | 83,4 |
NS= Nк + Nв, кВт | 1,77 | 5,87 | 12,58 | 34,5 | 55,7 | 92,6 |
По результатам расчетов (таблица 8, 9) строят графики Nе(V), Nт(V), Nд(V), Nв(V), представленныенарисунке 4.
Анализ графиков (рисунок 4) показывает, что при заданном значении скорости V движения автомобиля разница между NТ и NS представляет собой запас мощности Nз, который может быть израсходован на преодоление дополнительного сопротивления дороги или на разгон автомобиля. Ординаты между графиками определяют потери мощности NТР в трансмиссии автомобиля, т. е.
При равномерном движении тяговая мощность Nт потребляется на преодоление сопротивлений дороги и воздуха. Наибольшую скорость при полной подаче топлива автомобиль развивает, когда тяговая мощность Nт на колесах автомобиля равна суммарной мощности NS сопротивлений. Так же как графики силового баланса, графики мощностного баланса показывают, что максимальная скорость, развиваемая автомобилем «Москвич»-412 И Э Vmax ≈ 139 км/ч.
Рисунок 4. Графики мощностного баланса автомобиля «Москвич»-412 И Э
Уравнение мощностного баланса
9.1. Мощностной баланс автомобиля
9.2. Степень использования мощности двигателя
9.3. Разгон автомобиля
9.4. Динамические нормальные реакции на колесах
9.5. Динамическое преодоление подъемов
9.6. Движение накатом
9.1. Мощностной баланс автомобиля
При движении автомобиля тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам, затрачивается на преодоление сопротивления движению. По аналогии с уравнением силового баланса можно записать уравнение мощностного баланса автомобиля:
Рекомендуемые файлы
которое выражает соотношение между тяговой мощностью на ведущих колесах и мощностями, теряемыми на преодоление сопротивления движению. Уравнение позволяет определить режим движения автомобиля в любой момент.
С помощью уравнения (9.1) строят график мощностного баланса автомобиля, включающий в себя зависимости от скорости движения эффективной и тяговой мощностей, а также мощностей, затрачиваемых на преодоление сопротивления движению.
При построении графика мощностного баланса (рис. 9.1) сначала наносят кривые эффективной Ne и тяговой NT мощностей в зависимости от скорости движения автомобиля на различных передачах. Далее строят кривую мощности, теряемой на преодоление сопротивления дороги NД. Потом от кривой мощности NД откладывают вверх значения мощности NB, затрачиваемой на преодоление сопротивления воздуха при разных значениях скорости движения.
Рис. 9.1. График мощностного баланса автомобиля:
N’Т — тяговая мощность на III передаче при уменьшенной подаче топлива; vx — значение скорости автомобиля; I — III — передачи
Кривая суммарной мощности определяет тяговую мощность, необходимую для равномерного движения автомобиля. При любой скорости движения вертикальный отрезок N3 заключенный между кривыми NТ и NД + NB характеризует запас мощности. При данной скорости запас мощности может быть израсходован на разгон автомобиля, преодоление дополнительного дорожного сопротивления (например, подъема) или увеличение грузоподъемности путем буксировки прицепа. При одной и той же скорости движения запас мощности на низших передачах больше, чем на высших. Следовательно, при увеличении передаточного числа трансмиссии запас мощности возрастает. Поэтому повышенные дорожные сопротивления преодолевают на низших передачах.
Отрезок, заключенный между кривыми Nе и NТ характеризует механические и гидравлические потери мощности в трансмиссии на трение, которые учитываются коэффициентом полезного действия трансмиссии.
С помощью графика мощностного баланса можно оценить тягово-скоростные свойства автомобиля, решая различные задачи. Рассмотрим некоторые из этих задач.
Определение максимальной скорости движения автомобиля. Максимальная скорость движения vmax определяется точкой пересечения кривой тяговой мощности NT и суммарной кривой мощностей NД + NB В этой точке запас мощности равен нулю и, следовательно, ускорение также равно нулю. Скорость максимальна, так как ее дальнейшее увеличение невозможно.
Определение максимальной мощности, необходимой для преодоления сопротивления дороги. Максимальная мощность, которую расходует автомобиль на преодоление сопротивления дороги, двигаясь равномерно, при любой скорости представляет собой разность ординат тяговой мощности и мощности сопротивления воздуха:
Определение максимального подъема, преодолеваемого автомобилем. Для нахождения максимального подъема, который может преодолеть автомобиль при заданной постоянной скорости движения на любой передаче, строят суммарную кривую мощностей, затрачиваемых на преодоление сопротивлений качению и воздуха (NК + NB ,и определяют мощность, расходуемую на преодоление сопротивления подъему:
Зная мощность, необходимую для преодоления сопротивления подъему, можно найти максимальный угол αтах этого подъема.
Определение ускорения автомобиля. Для оценки ускорения, которое может развить автомобиль при выбранной скорости на до-
роге с заданным сопротивлением, необходимо найти мощность, расходуемую на разгон автомобиля:
Приведенный на рис. 9.1 график мощностного баланса является типичным для легковых автомобилей и автобусов, выполненных на шасси легковых автомобилей, на которых установлены бензиновые двигатели без ограничителей угловой скорости (частоты вращения) коленчатого вала.
Рис. 9.2. График мощностного баланса автомобиля на высшей
На рис. 9.2 представлен график мощностного баланса (на высшей передаче), характерный для грузовых автомобилей и автобусов, на которых применяются бензиновые двигатели с ограничителем угловой скорости коленчатого вала или дизели. Этот график соответствует случаю движения автомобиля по ровной горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием и постоянным значением коэффициента сопротивления.
Из рис. 9.2 видно, что по достижении максимальной скорости движения vmax грузовой автомобиль имеет некоторый запас мощности, равный N3, благодаря которому он способен преодолевать дополнительное сопротивление дороги (подъем), а также буксировать прицеп. Тем не менее развивать ускорение и увеличивать скорость движения автомобиль не может, так как этому препятствует ограничитель угловой скорости коленчатого вала двигателя.
9.2. Степень использования мощности двигателя
График мощностного баланса автомобиля строится при работе двигателя на внешней скоростной характеристике, т.е. при полной подаче топлива (при полной нагрузке двигателя). В этом случае скорость движения автомобиля будет возрастать до некоторого максимального значения.
Для равномерного движения автомобиля с меньшей скоростью на той же передаче необходимо уменьшить подачу топлива, чтобы тяговая мощность NT изменялась по кривой N‘T, показанной на рис. 9.1, т.е. нужно изменить степень использования мощности двигателя.
Степенью использования мощности двигателя называется отношение мощности, необходимой для равномерного движения автомобиля, к мощности, развиваемой двигателем при той же скорости и полной подаче топлива.
Степень использования мощности двигателя определяется по формуле
Данная величина зависит от дорожных условий, скорости движения и передаточного числа трансмиссии. Так, чем лучше дорога, меньше скорость движения и больше передаточное число трансмиссии, тем меньше степень использования мощности двигателя. Это приводит к увеличению расхода топлива и снижению топливной экономичности автомобиля.
9.3. Разгон автомобиля
В процессе эксплуатации автомобиль движется равномерно сравнительно непродолжительное время. Большую часть времени он перемещается неравномерно. Так, в условиях города автомобиль движется с постоянной скоростью 15. 25% времени работы, а ускоренно (при разгоне) — 30. 45%.
Разгон автомобиля во многом зависит от его приемистости, т.е. способности быстро увеличивать скорость движения.
Показателями разгона автомобиля являются ускорение при разгоне j, м/с 2 , время разгона tp, с, и путь разгона Sp, м.
Показатели разгона определяются экспериментально при дорожных испытаниях автомобиля. Они также могут быть получены расчетным способом.
Ускорение при разгоне
Ускорение, определяемое из уравнения силового баланса автомобиля, представленного в безразмерной форме, имеет
(9.2)
Для расчета ускорения при разгоне выберем на динамической характеристике автомобиля пять-шесть значений скорости v, определим соответствующие им значения динамического фактора D и коэффициента сопротивления дороги ψ. Затем, решив уравнение (9.2), найдем значения ускорений при разгоне на различных передачах. По результатам расчетов построим график ускорений при разгоне автомобиля.
На рис. 9.3 представлен график ускорений, характерный для легковых автомобилей. Из рисунка видно, что ускорение на низших передачах больше, чем на высших. Это связано с более высоким динамическим фактором на низших передачах.
Область графика ускорений при v 2 : у легковых автомобилей с механической трансмиссией они составляют 2,0. 2,5, у грузовых — 1,7. 2,0, у автобусов — 1,8. 2,3, у автомобилей с гидромеханической трансмиссией — 6. 8.
Рис. 9.3. График ускорений легкового автомобиля:
Рис. 9.4. График ускорений грузового автомобиля:
а, е — начальная и конечная точки разгона; б—г — точки переключения передач; j1 и j2 — ускорения в начале и конце интервала скоростей от v1, до v2; I — IV — передачи
Графики ускорений позволяют сравнить приемистость различных автомобилей на дорогах с одинаковым сопротивлением движению. Однако такое сравнение не совсем точно, так как различные автомобили имеют неодинаковое максимальное ускорение на каждой передаче и разное число передач в коробке передач. Поэтому более точное сравнение приемистости обеспечивают графики времени и пути разгона.
Время и путь разгона
Время и путь разгона определяют следующим образом. Кривые графика ускорений (см. рис. 9.4) разбивают на ряд отрезков, соответствующих определенным интервалам скоростей, км/ч: на низшей передаче — 2. 3, на промежуточных — 5. 9 и на высшей — 9. 15. Полагают, что в каждом интервале скоростей разгон происходит с постоянным, средним ускорением
где j1 и j2 — ускорения в начале и конце некоторого интервала скоростей.
Среднее ускорение можно также рассчитать, зная значения скорости в начале и конце интервала. Так, например, при изменении скорости от v1 до v2 среднее ускорение
где t — время разгона в заданном интервале скоростей.
Из последнего выражения определяем время разгона в интервале скоростей от v1 до v2:
(9.3)
Время разгона автомобиля определяется в такой последовательности (см. рис. 9.4): на I передаче — по кривой аб, на II передаче — по кривой бв, на III передаче — по кривой вг и на IV передаче — по кривой де. Скорости, соответствующие точкам б, в и г, являются оптимальными для переключения передач.
Вычислив значение времени разгона в каждом интервале скоростей, находим общее время разгона на п интервалах от минимальной vmin до максимальной скорости: tp=t1 +t2 +…+tn
Зная значения времени разгона в различных интервалах скоростей, строим кривую времени разгона (рис. 9.5). Изломы этой кривой соответствуют моментам переключения передач.
Рис. 9.5. Графики времени и пути разгона автомобиля:
vmin — минимальная скорость автомобиля
При переключении передач в течение некоторого времени (времени переключения) происходит разъединение двигателя и ведущих колес. При этом разрывается поток мощности и уменьшается скорость движения автомобиля за счет действия сил сопротивления движению.
Время переключения передач зависит от типа двигателя, коробки передач и квалификации водителя.
Так, для водителей высшей квалификации время переключения передач составляет 0,5. 1 с при бензиновом двигателе и 1 . 4 с — при дизеле. Увеличение времени переключения передач при дизеле объясняется более медленным снижением угловой скорости коленчатого вала, чем при использовании бензинового двигателя. У менее квалифицированных водителей время переключения передач на 25. 40% больше, чем у высококвалифицированных.
Уменьшение скорости, км/ч, автомобиля при переключении передач, зависящее от дорожных условий, скорости движения и параметров обтекаемости, определяется по формуле
где vп — время переключенияпередач, с.
Для нахождения пути разгона используют те же интервалы скоростей, которые были выбраны при определении времени разгона. При этом считается, что в каждом интервале скоростей автомобиль движется равномерно со средней скоростью
При разгоне от скорости v< до скорости v2 (см. рис. 9.4) путь разгона в этом интервале скоростей
или с учетом выражения
Путь разгона автомобиля от минимальной vmin до максимальной vmax скорости
Зная значения пути разгона, соответствующие различным интервалам скоростей, строим кривую пути разгона (см. рис. 9.5). Изломы этой кривой, так же, как и у кривой времени разгона, отвечают переключению передач.
За время переключения передачавтомобиль проходит путь
где vП — скорость в момент начала переключения передач.
Рассмотренный метод определения времени и пути разгона автомобиля является приближенным. Поэтому полученные при расчете результаты могут несколько отличаться от действительных.
9.4. Динамические нормальные реакции на колесах автомобиля
При движении нормальные реакции дороги, действующие на колеса автомобиля, не остаются постоянными по величине, а изменяются в зависимости от действия на автомобиль различных сил и моментов.
При равномерном движении на горизонтальной дороге нормальные реакции дороги, действующие на колеса автомобиля, можно определить по следующим формулам:
для передних колес
для задних колес
для автомобиля, стоящего на горизонтальной дороге (рис. 9.33),
где G — вес автомобиля; G1 G2— вес, приходящийся на передние и задние колеса в статическом положении; L — база автомобиля; hц — высота центра тяжести; l1 , l2 — расстояния от центра тяжести до осей передних и задних колес.
Из приведенных выражений следует, что нормальные реакции Дороги, действующие на колеса, отличаются от нагрузок, приходящихся на колеса в статическом состоянии. При этом реакция RZ1 на передних колесах уменьшается, а реакция Rz2 на задних колесах увеличивается.
Рис. 9.6. Нагрузки на колеса неподвижного автомобиля:
ЦТ — центр тяжести автомобиля
Такое изменение реакций наиболее существенно при возрастании сил сопротивления движению, крутизны подъема и интенсивности разгона.
Изменение реакций RZ1 и RZ2 при движении по сравнению с нагрузками в статическом состоянии оценивается с помощью коэффициентов изменения реакций, или перераспределения нагрузки.
Коэффициентом изменения реакций называется отношение нормальной реакции, действующей на колеса при движении, к нагрузке, действующей на те же колеса автомобиля, стоящего на горизонтальной дороге.
Коэффициенты изменения реакций для передних и задних колес соответственно могут быть представлены в виде
Эти коэффициенты имеют следующие значения: mР1( = 0,65. 0,70, mР2= 1,20. 1,35.
9.5. Динамическое преодоление подъемов
Автомобиль может преодолевать подъем под действием только тяговой силы, двигаясь равномерно (длина подъема в этом случае неограниченна), а также с разгона, используя кроме тяговой силы накопленную при разгоне кинетическую энергию. В этом случае преодолеваемый подъем может быть круче того подъема, который автомобиль проходит при равномерном движении, но его длина ограниченна.
Прохождение подъема с разгона и называется динамическим преодолением подъема.
Рассмотрим схему движения автомобиля при динамическом преодолении подъема (рис. 9.7). На участке дороги АБ, перед подъемом, автомобиль движется с постоянной скоростью v. На участке
Рис. 9.7. Схема движения автомобиля при динамическом преодолении
А—Д — точки изменения режима движения автомобиля; ψ1 — коэффициент сопротивления дороги на участке АГ; ψ 2, ψ3 — коэффициенты сопротивления
дороги на участке ГД
БВ происходит разгон до максимально возможной скорости vmax. На участке ВТ автомобиль движется с максимальной скоростью vmax, и на этой скорости он выходит на подъем. На участке ГД, на подъеме, скорость автомобиля уменьшается и движение становится замедленным.
Кривую динамического фактора (рис. 9.7) для передачи, на которой автомобиль преодолевает подъем с разгона, разбивают на интервалы скоростей и по тем же формулам, что и для случая разгона, находят ускорение, время и путь движения на подъеме. При этом если коэффициент сопротивления дороги ψ 2 на подъеме меньше, чем максимальный динамический фактор по тяге Dmax на данной передаче, то точка пересечения D2 кривой с горизонталью ψ 2 определяет скорость v2, по достижении которой автомобиль движется равномерно. Если же на подъеме коэффициент сопротивления дороги ψ3 больше, чем Dmax на данной передаче, то скорость движения автомобиля быстро падает. Чтобы не произошло его остановки, необходимо перейти на низшую передачу. Длина подъема, проходимая автомобилем до достижения критической скорости по тяге vT, может считаться равной длине пути, в конце которого движение автомобиля прекращается (останавливается двигатель).
Рис. 9.8. Динамическая характеристика автомобиля, соответствующая передаче, выбранной для преодоления подъема:
ψ 1 — коэффициент сопротивления дороги на горизонтальном участке (перед подъемом), где автомобиль разгоняется до максимальной скорости vmax; ψ 2, ψ 3— коэффициенты сопротивления дороги на подъеме (ψ 1 0) — выше оси абсцисс, а для пологих спусков, прямолинейных участков Дороги и подъемов (i
Мощностной баланс автомобиля
При движении автомобиля тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам, затрачивается на преодоление сопротивления движению. По аналогии с уравнением силового баланса можно записать уравнение мощностного баланса автомобиля:
(4.8) |
Представленное уравнения выражает соотношение между тяговой мощностью на ведущих колесах и мощностями, теряемыми на преодоление сопротивления движению. Уравнение позволяет определить режим движения автомобиля в любой момент.
С помощью уравнения (4.8) строят график мощностного баланса автомобиля, включающий в себя зависимости от скорости движения эффективной и тяговой мощностей, а также мощностей, затрачиваемых на преодоление сопротивления движению.
График мощностного баланса начинают строить с кривых эффективной Nеи тяговой Nтмощностей в зависимости от скорости движения автомобиля на различных передачах (рис. 4.3, а). Далее строят кривую мощности сопротивления дороги Nд. От кривой мощности Nдоткладывают вверх значения мощности Nв,затрачиваемой на преодоление сопротивления воздуха при разных значениях скорости движения.
Кривая суммарной мощности (Nд + Nв)определяет тяговую мощность, необходимую для равномерного движения автомобиля. При любой скорости движения отрезок Nз,заключенный между кривыми Νти(Nд + Nв),характеризует запас мощности.
Запас мощности может быть израсходован на разгон автомобиля, преодоление дополнительного дорожного сопротивления, буксировки прицепа.
График мощностного баланса (на высшей передаче), характерный для случая движения автомобиля с ограничителем по ровной горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием и постоянным значением коэффициента сопротивления имеет свои особенности (рис. 4.3, б).
а | б |
Рисунок 4.3 – Мощностной баланс автомобиля при движении на различных передачах (а) и (б) – на высшей передаче
По достижении максимальной скорости движения vmax автомобиль имеет некоторый запас мощности – Nз, благодаря которому он способен преодолевать дополнительные сопротивления и буксировать прицеп. Однако развивать ускорение и увеличивать скорость движения автомобиль не может, из-за вступления в работу ограничителя
С помощью графика мощностного баланса можно также оценить тягово‑скоростные свойства автомобиля аналогично графику силового баланса.
Максимальная скорость движения vmaxопределяется точкой пересечения кривой тяговой мощности Νт и суммарной кривой мощностей (Nд + Nв). Вэтой точке запас мощности равен нулю и, следовательно, ускорение также равно нулю. Скорость максимальна и ее дальнейшее увеличение невозможно.
Максимальная мощность, которую расходует автомобиль на преодоление сопротивления дороги, двигаясь равномерно, при любой скорости представляет собой разность ординат тяговой мощности и мощности сопротивления воздуха: Nд max = Nт – Nв = Nд + Nз.
Для нахождения максимального подъема, который может преодолеть автомобиль, строят суммарную кривую мощностей (Nк+Νв).
Затем определяют мощность, расходуемую на преодоление сопротивления подъему: Nп = Nт– (Nк + Νв). Зная мощность, необходимую для преодоления сопротивления подъему, можно найти максимальный угол αmax этого подъема.
Для оценки ускорения, которое может развить автомобиль при выбранной скорости на дороге с заданным сопротивлением, необходимо найти мощность, расходуемую на разгон автомобиля: Nи = Νт – (Nд + Nв ).
http://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/1815-avtomobili/35542-10-uravnenie-moschnostnogo-balansa.html
http://helpiks.org/9-18884.html