7 тягово скоростные свойства автомобиля

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_zи момент М’ действуют на колесо со стороны автомобиля. Силы R_xи R_zдействуют 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).

Определение тягового усилия

Термин « тяговое усилие» часто определяется как начальное тяговое усилие , постоянное тяговое усилие и максимальное тяговое усилие . Эти термины относятся к различным условиям эксплуатации, но связаны общими механическими факторами: входной крутящий момент на ведущие колеса, диаметр колеса, коэффициент трения ( ц ) между ведущими колесами и опорной поверхностью, а вес наносят на ведущие колеса ( м ). Продукт из ц и т является фактором адгезии , который определяет максимальный крутящий момент , который может быть применен до наступления пробуксовки или wheelslip .

• Стартовое тяговое усилие : Стартовое тяговое усилие — это тяговое усилие, которое может быть создано в состоянии покоя. Этот показатель важен для железных дорог, потому что он определяет максимальный вес поезда, который локомотив может привести в движение.
• Максимальное тяговое усилие : максимальное тяговое усилие определяется как максимальное тяговое усилие, которое может быть создано при любых условиях, не причиняющих вред транспортному средству или машине. В большинстве случаев максимальное тяговое усилие развивается на низкой скорости и может быть таким же, как стартовое тяговое усилие.
• Непрерывное тяговое усилие : Непрерывное тяговое усилие — это тяговое усилие, которое может поддерживаться бесконечно, в отличие от более высокого тягового усилия, которое может поддерживаться в течение ограниченного периода времени до того, как система передачи мощности перегреется. Из-за взаимосвязи между мощностью ( P ), скоростью ( v ) и силой ( F ), описываемой как:

п знак равно v F {\ Displaystyle P = vF} или же п v знак равно F {\ displaystyle {\ frac {P} {v}} = F}

Тяговое усилие обратно пропорционально скорости при любом заданном уровне доступной мощности. Непрерывное тяговое усилие часто отображается в виде графика в диапазоне скоростей как часть кривой тягового усилия .

Транспортные средства, имеющие гидродинамическую муфту , гидродинамический мультипликатор крутящего момента или электродвигатель как часть системы передачи мощности, также могут иметь максимальное постоянное тяговое усилие , которое является наивысшим тяговым усилием, которое может быть создано в течение короткого периода времени без повреждения компонентов. Период времени, в течение которого может быть безопасно создано максимальное непрерывное тяговое усилие, обычно ограничивается тепловыми соображениями. например, повышение температуры в тяговом двигателе .

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).

Ссылки и примечания

Ноты

1. Графики обычно показывают сопротивление качению для поездов стандартной длины или веса на уровне или на подъеме.
2. Половина расстояния хода примерно равна радиальному расстоянию от муфты ведущей тяги до центра ведомого колеса.
3. Соотношение: Крутящий момент = Усилие _поршня x R (радиальное расстояние до точки соединения ведущей штанги) x cos ( A ), где A — угол, который ведущая штанга образует с касательной к радиусу от центра колеса до крепление ведущей тяги
4. Как и в любой физической формуле, единицы измерения должны быть согласованы: давление в фунтах на квадратный дюйм и длина в дюймах дают тяговое усилие в фунт-силах, а давление в Па и длина в метрах дают тяговое усилие в Н.
5. См. Объяснение в газовых законах .
6. Значение константы c для баллона низкого давления принимается равным 0,80, когда значение для баллона высокого давления принимается равным 0,85.

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.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта — 19 Центроиды или подпорки.

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.

Основы динамики автомобиля

Скоростная характеристика двигателя

Скоростная характеристика двигателя определяется зависимостями эффективной мощности N_e и крутящего момента M_к от частоты вращения n коленчатого вала.

Ведущие колеса автомобиля приводят его в движение в результате возникновения силы тяги, которая возникает при приложении крутящего момента к полуосям ведущих колес со стороны трансмиссии:

P_т = M_т/r,          (1)

где P_т – сила тяги, Н;M_т – крутящий (тяговый) момент на ведущем колесе, Нм;r – радиус колеса, м.

Крутящий момент на ведущих колесах зависит от величины момента, развиваемого двигателем на коленчатом валу, передаточного числа i_тр трансмиссии и ее КПД – η_тр:

М_т = М_кi_трη_тр.          (2)

Сила тяги P_т на ведущих колесах может быть определена не только по формуле (1), но и с учетом скорости v_i движения автомобиля на i-й передаче и развиваемой двигателем эффективной мощности N_е:

P_т = 3600N_еη_тр/v_i.          (3)

Скорость v_i движения автомобиля на i-й передаче пропорциональна частоте n вращения коленчатого вала, радиусу r ведущего колеса и обратно пропорциональна передаточному числу i_трi трансмиссии на i-й передаче:

v_i = 0,377nr/i_трi.          (4)

Таким образом, частота вращения n коленчатого вала является определяющим параметром для показателей эффективной мощности N_е, крутящего момента M_ки силы тяги на ведущих колесах P_т.

На рисунке 1 приведена внешняя скоростная характеристика двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке, которая определяет предельные возможности двигателя при значениях частоты вращения коленчатого вала от n_min до n_max.

Анализ графика показывает, что максимальная эффективная мощность и максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, доступен в узком интервале частот вращения коленчатого вала. При небольшой частоте вращения коленчатого вала величина этих динамических показателей недостаточна для появления на ведущих колесах требуемой для движения автомобиля силы тяги, а при превышении частотой вращения коленвала некоторого максимального порога двигатель начинает терять мощность и тяговые показатели, или, как говорят механики, начинает работать «вразнос».
По этой причине эффективная эксплуатация двигателя внутреннего сгорания возможна лишь в некотором узком диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Скоростная характеристика двигателя во многом зависит от типа двигателя: чем круче кривая эффективной мощности N_е, тем большей приемистостью обладает двигатель.

***

Тяговая характеристика автомобиля

Тягово-скоростные свойства автомобиля удобно оценивать с помощью тяговой характеристики, т. е. зависимостью силы тяги на ведущих колесах от скорости движения на различных передачах (рис. 2).

Используя скоростную характеристику и задавая частоты вращения коленчатого вала от n_min до n_max при соответствующих значениях эффективной мощности или крутящего момента для каждой передачи по формуле (4) находят значения скорости v, а по формуле (3) находят значение тяговой силы P_т.

Число кривых на тяговой характеристике (рис. 2) соответствует числу ступеней в коробке передач.

Тяговая характеристика позволяет быстро определить максимальное значение силы тяги на ведущих колесах, которая может быть обеспечена при данной скорости движения автомобиля, поскольку она рассчитывается по наибольшей для данной частоты вращения коленчатого вала мощности двигателя. Меньшее значение силы тяги получается при недоиспользовании мощности двигателя, т. е. при неполной подаче топлива. Следовательно, с помощью тяговой характеристики можно оценить предельные тяговые возможности автомобиля в фактическом интервале скоростей его движения.

***