Устройство автомобилей

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:

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 :

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 :

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_тр i трансмиссии на i -й передаче:

Таким образом, частота вращения n коленчатого вала является определяющим параметром для показателей эффективной мощности N_е , крутящего момента M_к и 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.

Силы и моменты, действующие на ведущие колеса

На ведущие колеса автомобиля действуют силы со стороны автомобиля (т. е. со стороны двигателя посредством агрегатов трансмиссии), а также силы со стороны дороги. Обозначим силы, действующие со стороны автомобиля, буквой Р , а со стороны дороги – буквой R (рис. 3).

Реактивные силы, действующие на колеса

Тяговый момент М_т на ведущих колесах стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия, в результате чего со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила R_x – горизонтально направленная касательная реакция дороги.

Так как на автомобиле используются эластичные пневматические шины, то неизбежна частичная потеря момента М_т , поэтому продольную (горизонтальную) реакцию со стороны дороги, обеспечивающую качение колеса, можно записать как разность между силой тяги и потерями в шине:

где Р_ш – сила, учитывающая потери энергии в шинах ведущих колес.

Таким образом, касательная реакция дороги создает силу тяги.

Автомобиль своим весом G действует на каждое колесо, передавая усилие на дорогу, и, соответственно, вызывая нормальную реакцию дороги R_z . Следует учитывать, что при наличии на колесе крутящего момента нормальная реакция R_z прикладывается не к оси симметрии опорной площадки колеса, а на некотором расстоянии α_ш от нее, поскольку имеет место смещение центра давления из-за эластичности шины.

Эпюра элементарных нормальных реакций дороги, показанная на рисунке 4, объясняет причину смещения точки приложения реакции R_z . Это происходит из-за того, что нормальные реакции на переднем и заднем участках опорной площадки колеса различны по величине, так как силы, возникающие в упругом материале шины при приложении и снятии нагрузки неодинаковы.
Это объясняется действием сил внутреннего трения между взаимно перемещающимися частицами материала шины. При приложении нагрузки эти силы и силы упругости направлены в одну и ту же сторону, а при снятии – в противоположные стороны.

Боковая сила Р_y значительно увеличивается при криволинейном движении автомобиля или при движении по косогору. Боковая реакция R_y со стороны дороги удерживает колеса автомобиля от бокового скольжения (заноса) при движении автомобиля поперек косогора или при выполнении маневра.

Сила тяги на ведущих колесах

Сила тяги Р_т на ведущих колесах может быть определена, как отношение крутящего (тягового) момента M_т , подводимого к колесам, к их радиусу r :

При этом не учитываются затраты энергии на деформацию дорожного покрытия, трение внутри шины и силы инерции, обусловленные ускорением вращающихся масс колес и деталей трансмиссии в случае неравномерного движения.

Следует учитывать, что радиус колеса вследствие эластичности шины является переменной величиной.
Различают следующие радиусы автомобильных колес:

• статический радиус колеса r_ст – расстояние от поверхности дороги до оси неподвижного колеса, воспринимающего вертикальную нагрузку, обусловленную силой тяжести, действующей на автомобиль (т. е. его весом G ). Значения статического радиуса приводятся заводом-изготовителем шины в технических характеристиках;
• динамический радиус колеса r_д – расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса. Динамический радиус колеса во время движения может превышать его статический радиус, поскольку в результате нагрева шины давление внутри нее увеличивается.
  Кроме того, под действием центробежных сил с возрастанием скорости автомобиля шина растягивается в радиальном направлении, вследствие чего динамический радиус увеличивается. Динамический радиус, также, зависит от величины вертикальной нагрузки P_z .
• радиус качения колеса r_к – радиус условного недеформирующегося катящегося без скольжения колеса, которое имеет с данным эластичным колесом одинаковую угловую и линейную скорости.

Радиус качения колеса определяется по формуле:

где S – путь, пройденный колесом; n_к – число оборотов колеса на пути S .

Если проскальзывание колеса относительно дороги отсутствует, что характерно для ведомого колеса, то радиусы r_д и r_к почти равны между собой. В случае полного буксования колеса его пройденный путь будет равен нулю, и тогда (согласно приведенной выше формуле) его радиус качения тоже будет равен нулю.
В случае движения колеса юзом (скольжение без вращения) число оборотов будет равно нулю, и, соответственно, радиус качения r_к будет стремиться к бесконечности.

Различают еще и свободный радиус колеса r_св , который является половиной диаметра ненагруженного колеса при отсутствии его контакта с опорной поверхностью.

На дорогах с сухим покрытием скольжение ведущих колес и изменение радиуса незначительны. Поэтому радиусы статический r_ст , динамический r_д и качения r_к при расчетах считаются одинаковыми и обозначаются буквой r .

Тяговая сила ведущих колес

Крутящий момент двигателя М_д передается через трансмиссию к ведущим колесам АТС. Приводимые в справочной литературе и технических характеристиках автомобилей данные внешних характеристик двигателей (N_e, M_e) соответствуют условиям их стендовых испытаний, значительно отличающихся от условий, в которых двигатели работают на автомобилях. При стендовых испытаниях по ГОСТ 14846-81 внешние характеристики двигателя определяют при установке на него только основного оборудования (воздухоочистителя, генератора и водяного насоса), т. е. без оборудования, необходимого для обслуживания шасси (например, компрессора, гидроусилителя руля). Поэтому для определения М_д числовые значения М_е необходимо умножить на коэффициент K_c:

. (6.2)

Для отечественных грузовых двухосных автомобилей К_с = 0,88, а для многоосных – К_c= 0,85.

Условия стендовых испытаний двигателей за границей отличаются от стандартных. Поэтому при испытаниях:

по SАЕ (США, Франция, Италия) – К_с = 0,81–0,84;

К колесам передается крутящий момент М_к> М_д. Увеличение М_д пропорционально общему передаточному числу трансмиссии. Часть крутящего момента, учитываемая коэффициентом полезного действия трансмиссии, расходуется на преодоление сил трения. Общее передаточное число трансмиссии и является произведением передаточных чисел агрегатов трансмиссии

(6.3)

где u_кu_рu_r – соответственно передаточные числа коробки передач, раздаточной коробки и главной передачи. Значения u_к, u_ри u_r приводятся в технической характеристике АТС.

Коэффициент полезного действия трансмиссии η является произведением КПД ее агрегатов. Для расчетов можно принимать: η= 0,9 – для грузовых двухосных автомобилей с одинарной главной передачей (4´2); η= 0,88 –для грузовых двухосных автомобилей с двойной главной передачей (4´2); η= 0,86 – для автомобилей повышенной проходимости (4´4);
η = 0,84 – для грузовых трехосных автомобилей (6´4); η= 0,82 – для грузовых трехосных автомобилей повышенной проходимости (6´6).

Суммарная тяговая сила P_к , которую может обеспечить двигатель на ведущих колесах, определяется по формуле

(6.4)

где r_D – динамический радиус колеса.

Динамический радиус колеса в первом приближении равен статическому радиусу, т.е. r_{D =} r_ст. Значения r_ст приводятся в ГОСТах на пневматические шины. При отсутствии этих данных радиус r_D тороидных шин вычисляется по формуле

, (6.5)

где d – диаметр обода; λ – 0,89 — 0,9 – радиальная деформация профиля; b_ш– ширина профиля.

Диаметр обода d и ширина профиля определяются из обозначения шины.

Использование силы P_к (6.4) для движения АТС зависит от способности автомобильного колеса, находящегося под воздействием нормальной нагрузки G_нg воспринимать или передавать касательные силы при взаимодействии с дорогой. Это качество автомобильного колеса и дороги принято оценивать силой сцепления шины с дорогой P_φn или коэффициентом сцепления φ.

Силой сцепления шины с дорогой P_φn называют максимальное значение горизонтальной реакции Т_n (рис. 6.2), пропорциональное нормальной реакции колеса R_n:

; (6.6)

; (6.7)

(6.8)

Для движения колеса без продольного и поперечного скольжения необходимо соблюдать условие

. (6.9)

В зависимости от направления скольжения колеса различают коэффициенты продольного φ_х и поперечного φ_у сцепления. Коэффициент φ_х зависит от типа покрытия и состояния дороги, конструкции и материала шины, давления воздуха в ней, нагрузки на колеса, скорости движения, температурных условий, процента скольжения (буксования) колеса.

Рис.6.2. Схема сил, действующих на колесо автомобиля

Величина коэффициента φ_х в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия может изменяться в очень широких пределах. Это изменение обусловлено не столько типом, сколько состоянием верхнего слоя дорожного покрытия. Причем тип и состояние дорожного покрытия оказывает на величину коэффициента φ_х значительно большее влияние, чем все другие факторы. Поэтому в справочниках φ_х приводится в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия.

К основным факторам, связанным с шиной и влияющим на коэффициент φ_х, относятся удельное давление (зависит от давления воздуха в шине и нагрузки на колесо) и тип рисунка протектора. Оба они непосредственно связаны со способностью шины выдавливать в стороны или прорывать пленку жидкости на дорожном покрытии для восстановления с ним надежного контакта.

При отсутствии поперечных сил P_φn и Y_n коэффициент φ_х возрастает с увеличением проскальзывания (буксования) шины по дороге. Максимум φ_х достигается при 20 – 25 % проскальзывания. При полном буксовании ведущих колес (или юзе тормозных колес) коэффициент φ_х может быть на 10 – 25 % меньше максимального (рис. 6.3, а).

С увеличением скорости движения автомобиля коэффициент φ_х обычно уменьшается (рис. 6.3, б). При скорости 40 м/с он может быть в несколько раз меньше, чем при скорости 10 – 15 м/с.

Определяют φ_х обычно экспериментально методом буксирования автомобиля с заблокированными колесами. При эксперименте регистрируют силу тяги на крюке буксира и нормальную реакцию заблокированных колес. Поэтому справочные данные по φ_х относятся, как правило, к коэффициенту сцепления при буксовании (юзе).

Коэффициент поперечного сцепления φ_у обычно принимают равным коэффициенту φ_х и при расчетах пользуются средними значениями коэффициента сцепления φ (табл. 6.1).

Рис. 6.3. Влияние на коэффициент φ_х различных факторов:

а – изменение коэффициента φ_х в зависимости от проскальзывания; б – изменение
коэффициента φ_х в зависимости от скорости качения колеса: 1 – сухая дорога
с асфальтобетонным покрытием; 2 – мокрая дорога с асфальтобетонным покрытием;
3 – обледеневшая ровная дорога

Дорожное покрытие	Состояние покрытия	Давление в шине
высокое	низкое	регулируемое
Асфальт, бетон	Сухое Мокрое	0,5–0,7 0,35–0,45	0,7–0,8 0,45–0,55	0,7–0,8 0,5–0,6
Щебеночное	Сухое Мокрое	0,5–0,6 0,3–0,4	0,6–0,7 0,4–0,5	0,6–0,7 0,4–0,55
Грунтовое (кроме суглинка)	Сухое Увлажненное Мокрое	0,4–0,5 0,2–0,4 0,15–0,25	0,5–0,6 0,3–0,45 0,25–0,35	0,5–0,6 0,35–0,5 0,2–0,3
Песок	Сухое Влажное	0,2–0,3 0,35–0,4	0,22–0,4 0,4–0,5	0,2–0,3 0,4–0,5
Суглинок	Сухое В пластическом состоянии	0,4–0,5 0,2–0,4	0,4–0,55 0,25–0,4	0,4–0,5 0,3–0,45
Снег	Рыхлое Укатанное	0,2–0,3 0,15–0,2	0,2–0,4 0,2–0,25	0,2–0,4 0,3–0,45
Любое	Обледенелое	0,08–0,15	0,1–0,2	0,05–0,1

При расчетах тягово-скоростных свойств АТС различием в коэффициентах сцепления колес пренебрегают и максимальную тяговую силу, которую могут обеспечить ведущие колеса по сцеплению с дорогой, определяют по формуле

(6.10)

где R_n – нормальная реакция n-го ведущего колеса. Если тяговая сила ведущих колес превышает максимальную тяговую силу, то ведущие колеса автомобиля буксуют. Для движения АТС без буксования ведущих колес необходимо выполнение условия

, (6.11)

Выполнение условия (6.11) позволяет уменьшить время следования ПА к месту вызова в основном за счет уменьшения времени разгона t_r. При разгоне ПА важно реализовать максимально возможное по дорожным условиям Р_к. Если ведущие колеса ПА при разгоне пробуксовывают, то для движения реализуется меньшая Р_к и, как следствие, увеличивается t_r. Уменьшение Р_к при буксовании ведущих колес и объясняется тем, что при появлении скольжения колес относительно дороги на 20 – 25 % уменьшается φ_x (см. рис. 6.3). Уменьшение φ_x приводит к уменьшению P_φ (6.10) и, следовательно, к уменьшению реализуемой Р_к (6.11).

При движении ПА с места выполнить условие (6.11) только за счет правильного выбора частоты вращения коленчатого вала двигателя и номера передачи не удается. Поэтому разгон ПА от v=0 до v_min должен происходить при частичной пробуксовке муфты сцепления. Дальнейший разгон ПА от v_min до v_max без пробуксовки ведущих колес ПА с механической коробкой передач обеспечивается за счет правильного выбора положения педали подачи топлива (частоты вращения коленчатого вала двигателя) и момента переключения на высшую передачу.