Динамичность автомобиля

1 Динамичность автомобиля Скоростная характеристика двигателя Автомобиль движется в результате действия на него различных сил. Эти силы разделяют на силы: движущие автомобиль, и силы оказывающие сопротивление движению. Основной движущей силой является сила тяги, приложенная к ведущим колёсам. Сила тяги возникает в результате работы двигателя и взаимодействия ведущих колёс и дороги. К силам сопротивления относятся: сила сопротивления дороги, сила сопротивления воздуха, сила трения в трансмиссии. Для определения силы тяги используют скоростную характеристику двигателя -зависимость эффективной мощности () и крутящего момента () от частоты вращения коленчатого вала () (Рисунок 1.1). Характеристика, получаемая при полной подачи топлива называется внешней скоростной характеристикой двигателя. Рис. 1.1- Внешняя скоростная характеристика двигателя. При отсутствии экспериментальных зависимостей используют эмпирические формулы, позволяющие по известным значениям и построить всю кривую. , (1.1) где a, b, c - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа двигателя. ( для четырёхтактных карбюраторных двигателей a=b=c=1; для четырёхтактных дизелей a=0,53 ; b=1,56; c=1,09 ). Значение крутящего момента определяется (в нм) , (1.2) где - мощность в кВт. Сила тяги на ведущих колёсах автомобиля. Равнодействующая всех сил, действующих со стороны дороги на колесо в области контакта, называется реакцией дороги. Её можно представить в виде трёх составляющих: нормальной Rz действующей перпендикулярно дороге (рис.1.2,а), касательной Rx действующий в плоскости дороги и в плоскости колеса, и поперечной Ry действующей в плоскости дороги и перпендикулярной колесу. Реакции Rx и Ry возможны лишь при наличии реакции Rz. Рис.1. 2- Реакции дороги действующие на колесо При вращении ведущего колеса под действием приложенного к нему крутящего момента Мт (рис.1. 2, б) , оно стремиться сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия. Со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила - касательная реакция дороги Rx2. Все силы, действующие на автомобиль, для удобства изучения делят на силы движущие и силы, оказывающие сопротивление движению. В соответствии с этим разделяем действительную силу Rx приложенную к колесу со стороны дороги, условно представляют в виде разности двух сил: силы тяги PT и силы, учитывающей потери энергии в шинах ведущих колёс Pк: Rx2=PT - Pк Сила тяги это отношение момента на полуосях к радиусу r ведущих колёс при равномерном движении: (1.3) При определении силы тяги не учитывается потери связанные с внутренним трением шины и потери связанные с деформацией дороги. Эти потери учитываются отдельно. Для определения силы тяги необходимо знать радиус r ведущего колеса и момент Mт. Различают следующие радиусы колеса: статический радиус rc- расстояние от поверхности колеса до оси неподвижного колеса; динамический радиус rд–расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса; радиус качения колеса rк (кинематический радиус) - отношение продольной составляющей скорости колеса , к его угловой скорости . (1.4) Разница между rд и rк в основном вызвана проскальзыванием в области контакта шины с дорогой. В случае полного буксования Vк=0 и Rк=0. При движении юзом так как . КПД трансмиссии При передаче мощности от двигателя к ведущим колёсам, часть мощности теряется в агрегатах и узлах трансмиссии. Эти потери можно разделить на две группы: механические и гидравлические. Механические потери связаны с трением в зубчатых зацеплениях, карданных шариках, подшипниках и сальниках. Эти потери зависят от величины передаваемого момента и не зависят от скорости вращения деталей. Гидравлические потери связаны с трением элементов агрегатов трансмиссии о масло и его разбрызгивание. Они почти не зависят от величины передаваемого момента, а зависят от скорости вращения, вязкости и количества масла в агрегате. Если момент передаётся от двигателя к ведущим колёсам, то потери оцениваются по величине прямого КПД: , (1.5) где - мощность потерь в трансмиссии. При торможении автомобиля двигателем момент передается от ведущих колёс к двигателю и потери оцениваются обратным КПД: , где - мощность, затрачиваемая на трение в двигателе (тормозная мощность). После выпуска автомобиля в период обкатки КПД увеличивается, затем в течение длительного времени остается постоянной, Н уменьшается к концу срока службы автомобиля из-за изнашивания деталей. Силы сопротивления движению К силам сопротивления движению автомобиля относятся: сила сопротивления качению Pк, сила сопротивления подъёму Pп, сила сопротивления воздуха РВ. Сила сопротивления качению. Эта сила зависит от деформации шин и дороги, и трения шин о покрытие. Во время качения колеса между частями шины возникает трение вследствие деформации, это приводит к потере энергии, так называемые гистерезисные потери. Потери энергии при качении колеса возникают также из-за деформации дороги ( образование колеи) и трения колёс о покрытие. При качении колеса деформация в передней её части больше, а в задней меньше (из-за гистерезисных потерь). Элементарные нормальные реакции в передней части контакта больше, чем в задней (рис. 1.3.) и их равнодействующая Rz- смещена относительно вертикального диаметра колеса вперёд на величину аш. Рис. 1.3- Качение колеса В результате смещения реакции Rz возникает момент Rz·aш, направленный против вращения колеса. Для компенсации этого момента необходимо приложить равный, но противоположно направленный момент М, или к оси колеса приложить силу Рк , которая создаст противоположно направленный момент: , (1.6) Отношение называется коэффициентом сопротивления качению и обозначается: - численно равен отношению силы, вызывающей равномерное качение колеса, к нормальной реакции дороги. Сила сопротивления качению: РХ = Если не учитывать влияние динамических нагрузок, то Rz равна весу G приходящему на колесо: , ( 1.7) где - угол подъёма дороги. На коэффициент сопротивления качению влияют: тип покрытия дороги и ее состояние, скорость движения, давления воздуха в шинах, температура шины, нагрузка на колесо, его размеры, конструктивные особенности шины, момент, передаваемый через колесо. Тип и состояние дорожного покрытия. Потери, связанные с деформациями опорной поверхности и возникающими при качении колеса динамическими нагрузками, зависят от типа и состояния дорожного покрытия. Чем больше деформируемость дорожного покрытия, тем больше сопротивление качению. Неровности дорожного покрытия создают динамические нагрузки, вызывающие дополнительные деформации шины и дополнительные гистерезисные потери. На булыжной дороге коэффициент f больше, чем на асфальтобетонной, даже если деформации опорной поверхности на обоих дорожных покрытиях одинаковы. Если на поверхности дороги имеется водная пленка или жидкая грязь, то сопротивление качению возрастает из-за гидравлических потерь на выдавливание этой пленки. Примерные границы изменения коэффициента f прогретой шины при рекомендуемых заводами – изготовителями внутреннем давлении, нагрузке и средней скорости движения приведены ниже. Сила сопротивления подъёму. Крутизну подъёма характеризуют углом в градусах или уклоном дороги i , который представляет отношение H/B (рис.1.4.) Разложим вес G автомобиля на две составляющие: направленную перпендикулярно дороге и параллельно ей. Эта составная и есть сила сопротивления подъёму: , (1.8) При небольших углах может быть заменен тангенсом или уклоном т.е. , , тогда: Рис. 1. 4 -Сила сопротивления подъему Сила сопротивления дороги Pд Эта сила определяется суммой сил Pк и Рп Сумма - называется суммарным коэффициентом сопротивления дороги. , (1.9) Сила сопротивления воздуха PВ. При движении автомобиля, в воздушной среде в каждой его точке поверхности возникают элементарные силы, нормальные и касательные к ней. Касательные силы являются силами трения. Нормальные силы создают давление на поверхность автомобиля. Для упрощения, элементарные силы сопротивления воздуха заменяют сосредоточенной силой сопротивления воздуха PВ, которая определяется: , (1.10) где К - коэффициент обтекаемости, он зависит от формы и качества отделки поверхности автомобиля, F – лобовая площадь (площадь Миделя), м2. За площадь F принимается площадь, равная площади проекции на плоскость, перпендикулярную продольной оси автомобиля. Приближенно она определяется: для грузовых автомобилей и автобусов : для легковых автомобилей (где -Вк ширина колеи, м; B и H -соответственно габаритная ширина и высота автомобиля, м). Нормальные реакции дороги Условия и режимы движения автомобиля непрерывно изменяются, вызывая изменения сил, действующих на автомобиль. Не остаются постоянными и нормальные реакции дороги на колеса, что следует учитывать при оценке таких эксплуатационных свойств, как торможение, управляемость, устойчивость, проходимость, а также при расчете мостов и подвески автомобиля. Рассмотрим силы, действующие на автомобиль, стоящем на горизонтальной дороге (Рис.1. 5,б) Рис. 1. 5-Силы и моменты, действующие на автомобиль: а) при движении; б) в статическом положении Нормальные реакции и действующие соответственно на передние и задние мосты, равны составляющим веса автомобиля и , приходящиеся на эти колеса. Составим уравнение моментов, относительно опорной точки заднего моста Спроектируем силы на ось перпендикулярно опорной поверхности Решая уравнение, получим. При движении автомобиля нормальные реакции изменяются под действием сил и моментов (силы сопротивления подъему , силы инерции , моментов сил сопротивления качению и др.) Для определения и составим уравнении моментов, относительно опорных точек переднего и заднего мостов автомобиля (Рис.5,а). uде h-высота ценра тяжести автомобиля. Найдём и . Полученные уравнения показывают, что нормальные реакции на передние колеса автомобиля уменьшаются, а на задние увеличиваются с увеличением силы сопротивления воздуха, интенсивность разгона и с увеличением крутизны подъема. Изменение нормальных реакций учитывается коэффициентом изменения нормальных реакций () который представляет собой отношение нормальных реакций, действующих на мост автомобиля при его движении, к реакциям, действующим на тот же мост автомобиля стоящего на горизонтальном участке дороги. Во время разгона , а То есть, при разгоне нагрузка на передний мост уменьшается, а на задний увеличивается. При торможении автомобиля происходит обратное явление. Сила тяги по сцеплению шин с дорогой Силой сцепления шин с дорогой называется максимальное значение горизонтальной реакции пропорциональное вертикальной нагрузке на колесо, (1.11) Где - коэффициент сцепления, численно равный отношению силы, вызывающей равномерное скольжение колеса, к нормальной реакции дороги. В зависимости от направления скольжения колеса различают коэффициенты продольного и поперечного сцепления. Для движения без продольного и поперечного скольжения необходимо чтобы: (1.12) При отсутствии поперечных сил: При равномерном качении ведущего колеса: ; Поскольку (много больше), то Если сила тяги меньше силы сцепления () ведущее колесо катится без пробуксовывания, если , ведущее колесо пробуксовывает и для движения используется лишь часть силы тяги, равная . Остальная часть силы вызывает ускоренное вращение колес. Основными факторами, влияющими на силу тяги по сцеплению, являются: • Нагрузка на ведущие колеса и её распределение по колесам; • Качество и состояние дорожного покрытия; • Конструкция шин; • Состояние протектора шин; • Удельное давление; • Скорость движения автомобиля; Качество и состояние дорожного покрытия оказывают решающее влияние на коэффициент сцепления φ . При смачивании твердого покрытия φ резко снижается из-за образования пленки между дорогой и шиной. При движении по мокрым дорогам с большой скоростью толщина пленки (состоящей из воды или жидкой грязи) может привести к полному отсутствию контакта шины с дорогой (Рис.1.6). Такое явление называется аквапланирование или глиссирование. Рис.1.6 Взаимодействия колеса и мокрой дороги. Значения коэффициента сцепления φ приведены в таблице 1 Таблица 1-Значение коэффициента сцепления Тип дорожного покрытия Состояние поверхности сухая мокрая Асфальтированное или бетонное покрытие Щебеночное покрытие Грунтовое покрытие Снег Лед Для безостановочного движения автомобиля необходимо выполнение условия: Силовой баланс автомобиля. С помощью уравнений силового и мощностного балансов можно находить все параметры, характеризующие тягово-скоростные свойства автомобиля (Vmax ,jmax ,αmax,Vср на участке и др.). Разработаны как графические, так и аналитические методы решения уравнений силового и мощностного балансов. Основная трудность применения аналитического метода связана с отсутствием точных аналитических выражений внешних характеристик двигателя. Достоинством графического метода является возможность использования в качестве входных характеристик зависимости Ne=f(ne) и Me=f(ne) (внешней характеристики двигателя), задаваемой графически, и большая наглядность. Рассмотрим графический метод решения силового баланса. Запишем уравнение движения автомобиля. (1.13) Знак «-» перед РИ означает замедление автомобиля. Вначале построим тяговую характеристику, т.е. зависимость силы тяги от скорости (рис.) для каждой передачи, используя выражения: (1.14) Далее определяем силу РД: (1.15) И наносим на графики. Рис.1.7-Силовой баланс автомобиля К силе РД добавим силу РВ. Пересечение кривых РТ и РД+ РВ позволяет определить максимальную скорость автомобиля (Vmax). Если кривая РТ проходит выше кривой РД + РВ , то отрезок РЗ заключенных между этими кривыми представляет запас силы тяги, которую можно использовать для преодоления повышенного сопротивления дороги (например, подъема) или для разгона автомобиля. Для определения максимального сопротивления дороги, которое может преодолеть автомобиль при равномерном движении, например со скоростью V1, нужно из ординаты РТ вычесть отрезок в, равный в выбранном масштабе силе РВ. Сумма отрезков а и с в том же масштабе представляет собой силу РД при максимальном сопротивлении дороги ψmax. Чтобы учесть возможность буксования ведущих колес, нужно, определив для заданного коэффициента сцепления φx силу сцепления , провести горизонтальную линию (рис.). В зоне, расположенной ниже этой линии, соблюдается условие РТРСЦ, а в зоне выше нее длительное движение автомобиля невозможно. Мощностной баланс. Для анализа динамичности автомобиля можно вместо силового баланса использовать мощностной баланс. По аналогии с уравнением силового баланса уравнение мощностного баланса можно записать в следующем виде: NT=NE - NTP=NK+NП+NB+NИ (1.16 ) Где NT- тяговая мощность (мощность снимаемая с ведущих колес) NK – мощность, затрачиваемая на сопротивление качению ( в КВт) NП – мощность, затрачиваемая на преодоление подъема ) NB- мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлению воздуха NИ- мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления разгону Сумма двух величин NK и NП представляет мощность Ng , затрачиваемую на преодоление сопротивления дороги Уравнение мощностного баланса примет вид: (1.17) Уравнение мощностного баланса устанавливает соотношения между мощностью, проводимой к колесам автомобиля и мощностью, необходимой для преодоления сопротивления движению автомобиля. Используя уравнение (1.16 ) построим график мощностного баланса (рис.1.8 ). Для этого построим скоростную характеристику двигателя, в координатах N-V. Построим кривую мощности NT. Затем наносим кривую мощности Ng, значения которой определяем по выражению ( ). Вверх от кривой Ng откладываем значения мощности сопротивления воздуха NB. Отрезки мощности Nз, заключенные между кривыми NT и Ng+ NB, характеризуют запас мощности, который можно использовать для преодоления повышенного сопротивления дороги или разгона автомобиля. При равномерном движении мощность NT расходуется только на преодоление сопротивления дороги и воздуха, и при полной подаче топлива (полный газ). Наибольшая скорость достигается, когда мощность NT равна сумме мощностей NД и NB (точка А). График мощностного баланса для всех передач строят таким же образом, только вместо одной пары кривых Nе и NT строят столько кривых, сколько передач в коробке скоростей. Рис.1.8- Мощностноой баланс Отношение мощности необходимой для движения автомобиля, к мощности, которую может развить двигатель при полной подаче топлива, называется степенью использования мощности двигателя. И = Или И= Динамический фактор автомобиля. Практическое использование методов силового и мощностного балансов затруднительно, так как для разных значений на графиках приходится наносить несколько кривых РД и РВ или NД и NВ. Кроме того, по силовому и мощностному балансу нельзя сравнивать динамичность автомобилей, имеющих различные массы, так как при движении их в одинаковых условиях сила и мощность, необходимые для движения, различны. Более удобно пользоваться безразмерной величиной D - динамическим фактором. (1.18 ) В уравнение ( 1.13) перенесем силу РВ в левую часть и разделим обе части на вес автомобиля G, получим: Подставив значения сил РД и РИ согласно формулам ( ) и ( ), получим ( 1.19 ) При равномерном движении ускорение равно нулю (j=0), следовательно: Для длительного безостановочного движения необходимо соблюдение условия: Графическую зависимость D от скорости движения V (D=fcV) называют динамической характеристикой автомобиля (рис.1.9). По динамической характеристике можно судить о тягово-скоростных свойствах автомобиля. Рис.1.9 Динамическая характеристика автомобиля Если линия (прямая 1 – 1 по рис.1.9 ) пересекает кривую динамического фактора, то максимальная скорость равна V1, так как при этой скорости соблюдается условие . Если кривая Da проходит выше линии ( прямая 2-2), то равномерное движение при полной подачи топлива невозможна, так как Da даже на высшей передаче во всем диапазоне скоростей больше , и происходит разгон автомобиля. Для обеспечения равномерного движения необходимо уменьшить подачу топлива. Линия 3-3 соответствует случаю, когда . движение с постоянной скоростью невозможно, и автомобиль может двигаться только замедленно. Если прямая пересекает кривую в двух точках (линия 4-4), то автомобиль может двигаться равномерно как со скоростью V2, так и со скоростью V3. Максимальный динамический фактор Dmax на низшей передаче определяет максимальное дорожное сопротивление, преодолеваемое автомобилем. Поскольку то максимальный подъем по заданной дороге при V=const и следовательно j=0, определиться откуда Динамический фактор позволяет определить ускорение автомобиля j при заданной скорости движения и заданном сопротивлении движения по формуле: (1.20) Динамический паспорт автомобиля. Динамическую характеристику строят для автомобиля полной нагрузкой. С изменением веса автомобиля от Ga до G динамический фактор изменяется, и его можно определить по формуле: Чтобы не пересчитывать при каждом изменении нагрузки величину D, динамическую характеристику дополняют номограммой нагрузок, которую строят следующим образом. Ось абсцисс продолжают влево (рис.1.10 ) и на ней откладывают отрезок произвольной длины. На этом отрезке наносят шкалу нагрузки Н в процентах (для грузовых автомобилей) или число пассажиров ( для легковых автомобилей и автобусов). Через нулевую точку шкалы нагрузок проводят прямую, параллельную оси Da, и на ней наносят шкалу динамического фактора D0 для автомобиля без нагрузки. Масштаб шкалы D0 определяют по формуле: , Где аа- масштаб шкалы для автомобиля с полной нагрузкой (масштаб шкалы Da) G0- вес автомобиля в снаряженном состоянии (без нагрузки), включая вес водителя. Равнозначные деления шкал D0 и Da соединяют прямыми линиями (рис.1.10 ). Наклонные линии на номограмме нагрузок обычно проводят через «круглые» значения динамического фактора, а промежуточные значения определяют интерполированием. Рис.1.10 Динамический паспорт автомобиля Приемистость Способность автомобиля быстро увеличивать скорость движения называется его приемистостью. Оценочными параметрами приемистости являются: максимально возможное ускорение; время и путь разгона. В случае работы двигателя с полной подачей топлива ускорение j определяется уравнением ( .1) (1.21 ) Ускорение зависит от коэффициента дорожного сопротивления ,скорости V и передаточного числа включенной передачи, поскольку Д зависит от скорости V и включенной передачи, а - от передаточного числа трансмиссии. Если известны значения Д и , можно для различных значений построить график зависимости ускорения от скорости на различных передачах (рис1.11) Рис. 1 .11 Зависимость ускорения от скорости: 1-4 номер включенной передачи. Точная оценка приемистости автомобиля по зависимости при равных значениях затруднительна, из-за различных максимальных ускорений на каждой передачи, разных зависимостей ускорения от скорости () , количества передач (ступеней) в трансмиссии. Более удобными оценочными показателями приемистости являются: время разгона и путь разгона в заданном диапазоне скоростей. При определении и расчетным путем пренебрегают пробуксовкой сцепления при трогании с места и считают, что после включения передачи колесам передаются мощность, соответствующая полной подаче топлива. Графоаналитический метод состоит в том, что расчетный диапазон скоростей разбивают на мелкие участки (Рис 1 .11) и на каждом участке определяют ускорение. Где и - ускорение начале и конце участка. Точность расчетов зависит от количества участков, чем меньше интервал скорости на участке, тем выше точность расчетов. Скорость в конце участка определяется: ( 1.22) Где - скорость в начале участка - время изменения скорости от до Из уравнения (1 .22) (1. 23) Полное время разгона от скорости до , равно сумме Путь за время разгона на каждом участке: (1.24) Где - средняя скорость на участке С учетом выражения ( .3) получим: (1.25) Полный путь от скорости до Время и путь разгона будет минимальным, если переключение передач происходит при скоростях, соответствующих взаимному пересечению кривых (при наличии регулятора при скоростях соответствующих частоте ) Уменьшение скорости во время переключения передач будет (из уравнения движения накатом) ( 1.26) где - время переключения передач (для бензиновых двигателей , для дизельных двигателей ) Путь, пройденный автомобилем за время переключения передач ( 1.27) Где - средняя скорость автомобиля за время переключения - скорость в момент начала переключения Тормозная динамичность автомобиля Торможение – процесс создания искусственного сопротивления движению для уменьшения скорости или удержания автомобиля на дороге Основными одиночными параметрами тормозной системы являются: 1) установившееся замедление 2) минимальный тормозной путь Для автопоездов дополнительный оценочный параметр – время срабатывания тормозного привода. Торможение может быть: 1) служебным 2) экстренным 3) аварийным Служебное торможение применяется для остановки автомобиля в заранее намеченном месте, замедление автомобиля . Экстренное торможение используется для максимально быстрой остановки. Аварийное - для предотвращения ДТП, замедление автомобиля j при таких торможениях достигает Тормозная сила - возникает между колесом и дорогой в результате действия тормозного момента , создаваемого тормозным механизмом, и направленным в сторону, противоположную вращению. Максимальная тормозная сила равна силе сцепления шин с дорогой: Для двухосного автомобиля Где и - тормозные силы на передних и задних колесах. Уравнение движения автомобиля при торможении. Спроецируем все силы, дествующие на автомобиль при торможении (рис 1.12 ), на плоскость дороги: Рис. 1.12 Силы действующие на автомобиль при торможении Где - сила сопротивления дороги а, - сила трения в двигателе, приведенная к ведущим колесам. - сила трения в трансмиссии при работе на холостом ходу, приведенная к ведущим колесам. Рассмотрим случай торможения автомобиля с использованием только тормозной системы, когда сила . При торможении скорость автомобиля снижается, можно считать .Сила много меньше силы и её можно приберечь (), тогда уравнение ( .2) примет вид: Или Где - замедление автомобиля. Разделив обе части на G получим: Тогда замедление: (1 .28) При торможении с отсоединенным от трансмиссии двигателя , на горизонтальной дороге и много меньше уравнение (1 .28 ) примет вид: (1.29) Время торможения. Изменение скорости и замедления при торможении представлены на рис 1.13 Рис 1.13 Тормозная диаграмма Время торможения до полной остановки: где - время реакции водителя (время от момента обнаружения опасности, до начала торможения). Время реакции зависит от его индивидуальных особенностей, степени квалификации, утомленности и т.д (в расчетах принимается ); - время срабатывания тормозного привода. В течение этого времени происходит перемещение подвижных деталей тормозного привода. - зависит от типа тормозного привода и его технического состояния: 1) Для механизмов с гидравлическим приводом 2) При использовании дисковых тормозных механизмов 3) При использовании барабанных тормозных механизмов 4) Для систем с пневмоприводном 5) У Автопоездов - время нарастания замедления, когда увеличивается от нуля, до максимального значения. зависит от: 1) типа автомобиля 2) состояния дороги 3) тормозной системы 4) нагрузки на автомобиль Среднее значение : 1) Для легковых автомобилей 2) Для грузовых автомобилей с гидроприводом 3) Для грузовых автомобилей с пневмоприводном и автобусов Меньшее значение соответствует дорогам с малым коэффициентом сцепления, больше – движение автомобиля с полной нагрузкой по дорогам с большим коэффициентом сцепления. - время торможения с максимальной интенсивностью (с установившимся замедлением). В этот отрезок времени замедления автомобиля практически постоянно. Уменьшение скорости за время будет: В начале торможения с установившимся замедлением скорость: Остановочное время: ( 1.30) Тормозной путь – расстояние, проходимое автомобилем от момента нажатия на педаль до остановки. Он не учитывает расстояния, которое проходит автомобиль за время . Для определения пути, умножают время на скорость движения. При равнозамедленном движении средняя скорость за время будет равняться 0,5V Тогда используя уравнение (1 . 23) найдём (1 .31) Остановочный путь - расстояние, проходимое автомобилем от момента обнаружения водителем опасности до его остановки. Он равен сумме тормозного пути и пути, проходимого за время реакции водителя. Используя уравнение (1 .23) При торможении автомобиля сила инерции , действующая на плече (рис1.11 . ) нагружает передний мост, и разгружает задний. Эти изменения учитываются коэффициентами и изменения реакций. При торможении на горизонтальном участке Максимальная интенсивность торможения достигается при условии полного использования сцепления всеми колесами автомобиля. Коэффициент распределения тормозной силы между мостами определятся: (1 .32) При оптимальном распределении тормозной силы передние и задние колеса автомобиля могут быть доведены до блокировки одновременно. В этом случае: (1 .33) Блокировка колес приводит к нарушению устойчивости. Коэффициент может быть постоянным или меняться в зависимости от изменения давления в тормозной системе или изменения нормальных реакций. С целью сохранения эффективности и улучшения устойчивости при торможении, многие автомобили имеют устройства, обеспечивающие изменение в процессе торможения. Для эффективного торможения и сохранения управляемости автомобиля, необходимо чтобы колеса не блокировались при торможении. Это достигается установкой на автомобиль антиблокировочной системы (АБС), которая автоматически поддерживает скольжение всех колес в оптимальном режиме. АБС оснащаются большинство выпускаемых автомобилей. Способы торможения автомобиля. Правильное использование различных способов торможения в значительной степени определяет безопасность движения, долговечность и надежность тормозной системы. К таким способам можно отнести: 1) Торможение двигателем. Торможение возникает в результате возникновения сил трения в двигателе, при уменьшении или прекращении подачи топлива. Данный способ применяется, когда требуется небольшое замедление. 2) Торможение с отсоединенным двигателем. Такой способ применяют при полном торможении 3) Совместное торможение двигателем и тормозными механизмами. При таком способе увеличивается долговечность тормозных механизмов, повышается эффективность торможения, уменьшается вероятность заноса на дорогах с малым значением 4) Торможение с использованием вспомогательной тормозной системы. Такой способ применяют для поддержания желаемой скорости на спусках. Особенности торможения автопоезда. При торможении автопоезда возможны три варианта взаимодействия тягача и прицепа: 1) Синхронное торможение тягача и прицепа. Такой вариант является идеальным, но достичь одновременного торможения тягача прицепа с пневматическим приводом не удается. 2) Когда начало торможения тягача происходит раньше, чем прицепа. При таком торможении прицеп накатывается на тягач, это может привести к складыванию автопоезда. 3) Когда прицеп начинает тормозить раньше тягача. Такой вариант исключает складывания автопоезда и, следовательно, способствует повышению устойчивости. Это достигается искусственным увеличением времени срабатывания тормозной системы тягача. Тормозные системы автопоездов с пневматическим приводом рассчитаны в основном для третьего варианта. Стояночная тормозная система – предназначена для удержания автомобиля на уклоне определенной величины, в зависимости от категории автотранспортных средств в АТС (табл.2) Таблица 2- Категории автотранспортных средств. Категория Полная масса АТС, т Тип АТС Не нормируется Легковые автомобили. Автомобили с числом мест не более 8 До 5 Автобусы Свыше 5 Автобусы До 3,5 Грузовые автомобили, автопоезда Св 3,5 до 12 Грузовые автомобили, автопоезда Св 12 Грузовые автомобили, автопоезда До 0,75 Прицепы и полуприцепы Св 0,75 до 3,5 Прицепы и полуприцепы Св 3,5 до 10 Прицепы и полуприцепы Св 10 Прицепы и полуприцепы Для автомобилей находящихся в эксплуатации, стояночная система должна удерживать автомобиль с полной массой на уклоне 16%. Для новых автомобилей с полной массой на уклоне: 1) 25% - категории M 2) 20% - категории N 3) 18% - категории О и автопоездов 2. Устойчивость автомобиля Устойчивость - свойство автомобиля, обеспечивающее сохранение направления движения и противодействие силам, стремящимся вызвать занос и опрокидывание автомобиля. Под потерей устойчивости подразумевают опрокидывание или скольжение автомобиля. В зависимости от направления опрокидывания и скольжения различают продольную и поперечную устойчивость. Более вероятна и более опасна потеря поперечной устойчивости. Оценочными показателями устойчивости автомобиля являются: - максимальная (критическая) скорость движения по окружности (на повороте), соответствующая началу его опрокидывания; - максимальная (критическая) скорость автомобиля по окружности (на повороте), соответствующая началу его скольжения; - максимальный (критический) угол наклона, при котором начинается опрокидывание автомобиля; - максимальный (критический) угол наклона, при котором начинается скольжение колёс. Рассмотрим движение автомобиля на повороте (рис.2.1 ), приняв, что автомобиль является плоской фигурой и движется по горизонтальной дороге, а шины не деформируются в поперечной плоскости. Рис. 2.1 Движение автомобиля на повороте При равномерном движении по дуге постоянного радиуса на автомобиль действует центробежная сила , (2.1) где m-масса автомобиля, кг;  - угловая скорость ,рад/с;  - расстояние от центра поворота (точка 0) до центра тяжести автомобиля, м. Так как : ; (2.2) где - скорость движения автомобиля, м/с ; - угол между радиусом  поворота центра тяжести и продолжением оси заднего моста: ; (2.3) Потеря устойчивости особенно опасна при большой скорости, в этих случаях угол поворота управляемых колёс незначителен, и можно считать . Центробежная сила при равномерном движении: . (2.4) Поперечная составляющая центробежной силы: (2.5) При движении по переходным кривым(2-3) рис.2.1, на автомобиль действует также сила, вызванная изменение кривизны траектории. Поперечная составляющая этой силы пропорциональна скорости автомобиля и угловой скорости поворота управляемых колёс . В результате поворота автомобиля, возникает инерционный момент , которым можно пренебречь из-за незначительного его влияния. Определим критические скорости автомобиля по условиям опрокидывания и заноса. (Рис. 2.2. ) Рис 2.2 Схема к расчёту показателей поперечной устойчивости: а - критической скорости; б - критического угла. Под действием силы автомобиль может опрокинуться или начаться боковое скольжение. Для определения критической скорости по условию опрокидывания Vо , составим уравнение моментов сил относительно оси, проходящей через центры контактов шин наружных колес с дорогой. (рис 2.2 , а) В момент опрокидывания , тогда Подставим вместо силы РУ её значение из формулы (7.5) ; (2.6) Для определения (критической скорости по условиям скольжения) спроектируем силы на поперечную плоскость дороги (рис 2.2 , а) Сумма поперечных реакций и при этом равна сумме сил сцепления с дорогой всех шин автомобиля, ; (2.7) Критический угол по условию опрокидывания определим составив уравнения моментов относительно составим уравнение моментов сил относительно оси, проходящей через центры контактов шин наружных колес с дорогой (рис. 2.2, б): В момент опрокидывания , тогда ; Разделим обе части уравнения на , , . (2.8) Критический угол по условию скольжения определим спроектировав все силы на плоскость дороги: Сумма поперечных реакций . тогда (2.9) Отношение - называется коэффициентом поперечной устойчивости Опрокидывание автомобиля опаснее его заноса, поэтому для безопасного движения должны выполняться условия: ; ; Одновременный занос обоих мостов происходит довольно редко. Чаше начинают скользить колёса одного моста. Занос заднего моста более вероятен. Для устранения заноса необходимо повернуть управляемые колёса в сторону начавшегося заноса. Занос переднего и заднего мостов Одновременный занос обоих мостов происходит кране редко. Чаще начинает скользить колеса одного моста, поэтому рассмотрим устойчивость не всего автомобиля в целом, а одного из его мостов. Качение колеса без скольжения возможно при условии (2.10) Поперечная сила, которую можно приложить к колесу, не вызывая его скольжения, тем больше, чем больше сила сцепления и чем меньше касательная реакция дороги. Колесо погруженное силой тяги (ведущие колеса) или тормозной силой, хуже противостоит заносу, чем колесо ненагруженное этими силами. На рис.2.3 показан автомобиль, у которого передние колеса движутся поступательно со скоростью , скользят в поперечном направлении со скоростью . В результате, задний мост перемещается со скоростью , что вызывает поворот автомобиля вокруг центра О, хотя передние колеса при этом находятся в нейтральном положении. Поперечная составляющая возникает при этой центробежной силы действует в направлении скольжения заднего моста, увеличивая его занос Рисунок 2.3 Схема заноса заднего моста (а) и гашения заноса (б). При заносе переднего моста (рис 2.3,б ) поперечная составляющая центробежной силы направлена в сторону, противоположную скольжению, в результате чего скольжение передних колес прекращается. Для того чтобы устранить занос заднего моста (для заднеприводного автомобиля), следует убавить силу тяги на ведущих колесах прекратить торможение и повернуть передние колеса в сторону заноса (рис 2.3, в). При этом центр поворота сместится из точки О в точку . Радиус поворота при этом увеличивается, что уменьшит центробежную силу. Рис. 2.4 Занос переднего моста. Если автомобиль переднеприводный, то для устранения заноса заднего моста, необходимо повернуть передние колеса в сторону заноса, также как и заднеприводного, добавить подачу топлива, при этом направление скорости заднего моста будет меньше отличаться от заданного, что приведет к уменьшению заноса заднего моста. 3. Управляемость автомобиля Управляемость - свойство автомобиля изменять или сохранять направление движения, заданное водителем. 3.1. Увод колеса Боковая сила Py вызывает деформацию шин в зоне контакта колёс с дорогой. Под действием этой силы в плоскости дороги возникает равная ей боковая реакция Ry (рис. 3.1). В результате действия этих сил происходит деформация упругой шины, и линия следа ав будет наклонена к линии аб под некоторым углом увода . Отклонение вектора скорости колеса от плоскости его вращения при действии боковой силы, называется боковым уводом (или просто уводом), а угол между этим вектором и увод колеса плоскостью вращения - углом увода. Рис 3.1. Увод колеса Боковая сила, вызывающая увод, связана с углом увода соотношением: , (3.1) где - коэффициент сопротивления уводу, н/рад, показывающий какую по величине поперечную силу надо приложить к колесу, чтобы оно катилось с углом увода, равным 1 рад. Поворачиваемость автомобиля Свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колёс называется поворачиваемостью автомобиля. В зависимости от соотношения углов увода колёс передней и задней оси различают нейтральную, недостаточную и избыточную поворачиваемость. При нейтральной поворачиваемости углы увода передней и задней оси равны . Автомобиль будет двигаться под углом к траектории своего прежнего движения (рис.8.2) Рис. 3.2 Схема движения автомобиля с нейтральной поворачиваемостью. При избыточной поворачиваемости ( углы увода передней оси меньше задней), для движения по кривой управляемые колёса необходимо повернуть на угол меньший, чем при жёстких шинах. При движении по прямой и возникновении поперечной силы Py, поперечная составляющая центробежной силы направлена в ту же сторону, что и Py. (рис. 3.3). В результате увод возрастает, что увеличивает кривизну траектории, а это приводит к увеличению Pцy. Этот процесс может прогрессировать вплоть до потери устойчивости, если водитель не повернёт управляемые колёса в прямом направлении. Рис 3.3 Схема движения с избыточной поворачиваемостью. При недостаточной поворачиваемости (рис 3.4), для движения по кривой, управляемые колёса необходимо повернуть на больший угол, чем при жёстких шинах. При движении по прямой под действием поперечной силы Py в результате увода автомобиль начинает двигаться под углом к своей продольной оси, поворачиваясь вокруг центра О, (рис. 4.4). В результате возникновения поперечной составляющей Pц центробежной силы Ру , направленной в противоположную сторону от силы Ру, автомобиль сохраняет прямолинейное движение. Рис. 3.4 Схема движения с недостаточной поворачиваемостью. Чтобы обеспечить недостаточную поворачиваемость, уменьшают давление в шинах передних колёс и немного смещают центр масс в направлении переднего моста, что снижает коэффициент сопротивления увода передних колёс и увеличивает центробежные силы, действующие на управляемые колёса. Соотношение углов поворота управляемых колёс. При повороте автомобиля его управляемые колёса должны катиться в плоскости своего вращения бокового скольжения. Для обеспечения этого условия векторы скоростей центров всех колёс должны быть перпендикулярны радиусам, проведённым из центра поворота (рис. 3.5) Рис.3.5 Соотношение углов поворота управляемых колёс Соотношение между углами поворота и соответственно наружного и внутреннего колёс определяется из и , ; Вычитая из первого равенства второе, получим , где - расстояния между центрами шкворней. Из данного равенства следует, что внутреннее колесо должно быть повёрнуто на больший угол, чем внешнее, что обеспечивается рулевой трапецией. 4 Колебания управляемых колес. Основными причинами возникновения колебаний являются: неуравновешенность (дисбаланс) управляемых колес; взаимодействие колес с неровностями дороги; особенности кинематического взаимодействия передней подвески и рулевого управления. Может возникнуть особый вид незатухающих колебаний (автоколебания). Управляемые колеса могут поворачиваться и при неподвижном рулевом колесе за счет упругости деталей рулевого управления и зазоров в его механизмах. Если колесо уравновешено, то элементарные центробежные силы инерции, действующие в каждой его точке, взаимно уравновешиваются, т.е. равна нулю как их сумма (статическая балансировка), так и сумма их моментов (динамическая балансировка). Если центр масс колеса не совпадает с его осью вращения, то нарушается статическая балансировка (рис.4.1,а). Если центр масс совпадает с осью вращения, но масса расположена несимметрично относительно плоскости вращения, то нарушается динамическая балансировка(рис.4.1,б). Рисунок 4.1 Схема возникновения неуравновешенных моментов Неуравновешенность удобно оценивать условной неуравновешенной массой, сосредоточенной в одной точке. Центробежная сила РЦ создаваемая в результате вращения этой массы вместе с колесом, непрерывно изменяет свое положение относительно оси шкворня. Составляющая РЦХ силы РЦ, создает момент МН=РЦХ·lц(рис3.6,г.), стремящийся повернуть колесо относительно шкворня. Значение и направление силы РЦХ, а следовательно и момента МН зависят от расположения неуравновешенной массы. В соответствии с рис.4.1,в Момент, стремящийся повернуть колесо относительно шкворня , где mН – неуравновешенная масса; rm – плечо ее приложения; – угловая скорость колеса. В результате неуравновешенности при вращении колеса возникает синусоидальный момент, стремящийся вызвать его колебания относительно шкворня. Частота колебаний равна частоте вращения колеса, а амплитуда пропорциональна моменту дисбаланса и квадрату скорости движения. Поскольку управляемые колеса связаны между собой рулевой трапецией, то моменты на каждом из колес складываются. Наиболее неблагоприятным является случай, когда неуравновешенные массы колес расположены под углом 180° друг к другу (рис.4.1,г). Дисбаланс дополнительно нагружает детали рулевого привода, увеличивает износ шин и расход топлива. Для устранения дисбаланса, колеса подвергаются балансировке, после которой дисбаланс не должен превышать 5Н·м у легковых и 20..30Н·м у грузовых автомобилей. Автоколебания – колебания, возникающие в определенном диапазоне скоростей даже на гладкой дороге относительно шкворней при неподвижном рулевом колесе. Возникновение автоколебаний затрудняет управление автомобилем, приводит к ускоренному износу шин и шарниров рулевого управления. Одна из основных причин возникновения автоколебания – наличие гироскопической и упругой связей между колебаниями управляемого моста в поперечной плоскости и поворотом колес относительно шкворней. Управляемые колеса являются гироскопами. Если мост с вращающимися колесами поворачивать в плоскости, перпендикулярной опорной (рис.), то на колесах возникнут гироскопические моменты Мr1 (рис.4.2), поворачивающие колеса относительно шкворней. Поворот колес возможен, когда рулевое колесо остается неподвижным, за счет упругости элементов рулевого управления. Причиной начального поворота управляемого моста может быть случай наезда одного из колес на неровность, порыв ветра и др. В этом случае момент Мr2 повернет управляемый мост в плоскости перпендикулярной опорной. Основным способом уменьшения автоколебаний является применение независимых подвесок передних колес. Стабилизация управляемых колес – свойства этих колес сопротивляться отклонению под действием внешних сил от положения, соответствующего прямолинейному движению (нейтрального положения), и автоматически Рисунок 4.2Схема возникновения гироскопических моментов возвращаться в это положение после прекращения действия этих сил. Стабилизация управляемых колес происходит в основном по двум причинам: особенностей процессов, происходящих в контакте колеса, катящегося с уводом, и наклонным расположением шкворней. Во время увода колеса в передней части шины менее деформированы чем в задней, и эпюра элементарных боковых реакций близка к треугольнику (рис.4.3). Результирующая реакция RЦ на плече e создает упругий стабилизирующий момент, стремящийся вернуть колесо в нейтральное положение. Рисунок 4.3-Стабилизация передних колес Если при прямолинейном движении управляемые колеса случайно повернутся, то в первое мгновение автомобиль по инерции будет продолжать движение в прежнем направление. В результате несовпадения векторов скоростей колес с плоскостями их вращения возникнут реакции RУ, направленные так , как показано на рис.4.4 .Моменты, создаваемые этими реакциями, стремятся вернуть колеса в нейтральное положение , т.е. являются стабилизирующими. Рисунок 4.4Схема возникновения стабилизирующих моментов Момент М CШ не всегда оказывается достаточным для стабилизации. Он значительно снижается на скользкой дороге и при действии на колесо продольных сил. Дополнительно стабилизирующие моменты получают в результате наклона шкворня в продольной и поперечной плоскостях. Продольный наклон шкворня (рис.4.5) создает дополнительное плечо e’ реакции RУ, равного расстоянию от центра контакта до оси шкворня. Это приводит к возникновению стабилизирующего момента. Рис.4.5 Схема установки шкворня где βш – угол наклона шкворня в продольной плоскости. Чаще всего βш=0..5°. В некоторых случаях, шкворень смещают вперед или назад без наклона (рис.4.5 б). Моменты Меш и МеЦ зависят от скорости, при повышении скорости стабилизирующие моменты также повышаются. Для обеспечения стабилизации при движении с небольшими скоростями при больших углах поворота управляемых колес αК, шкворень наклоняют в поперечной плоскости (рис.4.6). Рис.4.6 Стабилизация передних колес поперечным наклоном шкворня Если ось шкворня n-n (рис.4.6а ) наклонить в поперечной плоскости на угол β , то при повороте колеса оно должно опуститься ниже плоскости дороги (условный поворот на 180° показан штрихпунктирной линией), но в действительности он приподнимется. При этом сила тяжести автомобиля, приходящаяся на переднюю ось на плече а, образует стабилизирующий момент, называемый весовым. Плечо а – называется плечом обкатки колес – расстояние между точкой пересечения с дорогой центра беговой дорожки колеса и точкой пересечения с дорогой продолжения оси шкворня. У некоторых легковых автомобилей плечо обкатки делают отрицательным (рис.). Угол β=6..12° при положительном плече а и β=11..19° при отрицательном плече обкатки колес. 5 Проходимость автомобиля Проходимость – свойство автомобиля двигаться по ухудшенным и плохим дорогам, бездорожью, пересеченной местности вне дрог и преодолевать различные препятствия. Проходимость является одним из основных эксплуатационно-технических качеств автомобиля, определяющих его эффективное использование в тяжелых дорожных условиях. В зависимости от проходимости автомобили условно делятся на три группы. К первой группе относятся автомобили с ограниченной проходимостью. Конструктивным признаком таких автомобилей являются: неполноприводность (с колесной формулой – 4х2 ;6х4;6х2;), шины с дорожным или универсальным протектором, неблокируемые межколесные дифференциалы. Ко второй группе относятся автомобили повышенной проходимости имеющую колесную формулу 4х4, 6х6, т.е. полноприводные. Они предназначены для работы как на дорогах с твердым покрытием, так и вне дорог. К третьей группе – автомобили высокой проходимости. Они имеют полный привод, самоблокирующиеся межколесные дифференциалы (или дифференциалы повышенного трения), шины с регулируемым давлением, а также дополнительные устройства для преодоления различных препятствий (лебедки, водяной движитель и т.д.). Такие автомобили предназначены преимущественно для использования в условиях бездорожья. На проходимость автомобиля оказывает влияние различные факторы: геометрические; тягово-динамические и опорно-сцепные; и конструктивные, которые взаимосвязаны. Геометрические факторы проходимости определяют способность автомобиля не задевать за препятствия, ограничивающие пространство для движения (профильная проходимость). Они определяются конструкцией и компоновкой автомобиля. Основными показателями профильной проходимости являются: дорожный просвет; углы свеса (передний и задний); продольный радиус проходимости; поперечный радиус проходимости ; маневренность автомобиля; радиус колёс и другие. Дорожный просвет (клиренс) c – это расстояние между плоскостью дороги и нижней точкой автомобиля (рис 5.1.), которое характеризует возможность движения автомобиля без задевания выступающих препятствий и мягким грунтам. С увеличением дорожного просвета увеличивается проходимость автомобиля. Углы переднего и заднего свеса, а также передний а и задний b свесы определяют проходимость по неровным дорогам, при въезде на препятствие или съезде с него. Чем больше угол γ , и , тем более крутое препятствие сможет преодолеть автомобиль. Продольный радиус проходимости R1 определяет очертания препятствия, которое, не задевая, , может преодолеть автомобиль. Он равен радиусу окружности проведенной касательно к внешним окружностям шин и наиболее низкой точке автомобиля, в пределах базы. Чем меньше R1, тем более крутые неровности автомобиль может преодолеть. Для уменьшения R1 необходимо уменьшить базу L и увеличить дорожный просвет. Рис 5.1. Геометрические показатели проходимости Поперечный радиус проходимости R2 определяет проходимость через неровности, ширина которых суммарна с колеей автомобиля. Для повышения проходимости должен быть, возможно, меньшим. Маневренность автомобиля определяется минимальным радиусом поворота переднего наружного колеса Rн ( рисунок 5.2); шириной полосы движения A, которую автомобиль занимает при повороте ; максимальным выходом отдельных частей за пределы траектории переднего и заднего колес с расстоянии a и b. Радиус колеса r определяет проходимость через рвы и пороги. Чем больше r, тем выше проходимость. Рис. 5.2 Маневренность автомобиля Тяговые и опорно-сцепные показатели проходимости. Тяговыми показателями проходимости являются максимальные сила тяги и динамические фактор, а опороно-сцепными массы автомобиля, сцепной вес, давление колес на дорогу и коэффициент сцепления. Масса автомобиля – определяет возможность движения по мягким грунтам, ледяным переправам и мостам. Удельное давление колес на дорогу в значительной степени определяет проходимость по легко деформируемым грунтам. Динамический фактор определяет сопротивление, которое автомобиль может преодолеть на данной передаче. Чем больше динамический фактор, тем выше его проходимость. Коафициент сцепной массы - отношение сцепной массы к его полной массе. Условием возможности движения по сцеплению является: , Где и - соответственно вес, приходящийся на ведущие колеса и полный вес. Откуда Чем больше , тем выше сила тяги по сцеплению и меньше вероятность потери проходимости в трудных дорожных условиях. Конструктивными факторами проходимости являются: Тип силовой передачи; подвеска автомобиля; колесная формула; конструкция дифференциалов, тип и конструкция шин и другие. При использовании гидромеханических силовых передач и использования раздаточных коробок передач с понижающим рядом способствует повышению проходимости. Подвеска автомобиля не должна допускать отрыва колес от дороги при движении, что характеризуется перекосом мостов. Больший перекос мостов обеспечивает независимые подвески. Конструкция дифференциала существенно влияет на проходимость автомобиля. Для повышения проходимости необходимо использовать дифференциалы повышенного трения (кулачковые, червячные) или принудительно блокировать межколесные дифференциалы с малым внутренним трением. При использовании шин с регулирующим давлением можно повысить проходимость при движении по рыхлому снегу, песку и болотистому участку путём снижения давления в шинах. Проходимость можно увеличить, используя лебедки (для самовытаскивания), цепей противоскольжения и других приспособлений. 6 Плавность хода автомобиля Плавность хода – свойства автомобиля двигаться по неровным дорогам без сильных сотрясений кузова. О плавности хода зависят скорость движения, расход топлива, комфортабельность и сохранность грузов. Колебания кузова автомобиля сильно утомляют пассажиров и водителя, а также отражается на сохранности перевозимого груза и самого автомобиля. Основными устройствами, защищающими автомобиль, груз и пассажиров с водителем от чрезмерно больших вибронагрузок со стороны дороги является подвеска и шина, а для пассажиров и водителя также упругие сидения. Колебания кузова характеризуются следующими показателями: 1) Период колебаний t – время, в течение которого кузов совершает полное колебательное движение 2) Угловая частота - величина, численно равная произведению частот колебаний на ; Угловая частота соответствует фазе колебаний без начальной фазы в момент времени Частота колебаний Где: m – масса тела; – жесткость подвески Статическая деформация подвески под действием веса : Тади Таким образом, чем больше статический прогиб подвески, тем меньше частота собственных колебаний. Для повышения комфортабельности автомобиля, используют мягкие подвески, уменьшают частоту собственных колебаний. При движении автомобиля его кузов совершает сложное колебательное движение (рис. 6.1). При этом он может перемещаться поступательно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей X,Y,Z и одновременно иметь угловые перемещения относительно каждой из этих осей (т.е. иметь шесть степеней свободы). Рис. 6.1 Схема колебаний автомобиля. • поступательные движения вдоль оси Z - подпрыгивание • поступательные продольные вдоль оси X - подергивание • поступательные поперечные вдоль оси Y – шатание • угловые относительно оси Y – галопирование • угловые относительно оси X - покачивание • угловые относительно оси Z – виляние Главное влияние на самочувствие человека и плавность хода автомобиля оказывают два вида колебаний: поступательное вертикальное (подпрыгивание) и угловое относительно оси Y (галопирование). Другими колебаниями можно пренебречь, для упрощения. Для смягчения вертикальных колебаний кузова используют мягкую повеску. Так как упругий элемент подвески после наезда на препятствие продолжает колебания, то для гашения этих колебаний устанавливают амортизаторы. Подбирая характеристику упругого элемента к конкретной модели автомобиля, добиваются необходимой плавности хода в вертикальной плоскости. Более сложное влияние на плавность хода оказывает галопирование. Если возмущающая сила P приложена не к центру упругости (ЦУ), а в другой точке, то возникает как линейное, так и угловое перемещение (рис. 6.2) Рис. 6.2. Схема для определения положения центра упругости. Определим величину X – расстояния от центра упругости до центра тяжести. Условия системы относительно центра тяжести (у.т.) Где и - реакции опор Заменив реакции на жесткость и деформацию упругих элементов и , получим: Подставим в выражение для определения X значения , и Если сила P приложена к центру упругости (Ц.У.), то (6.1) Применим полученное выражение к колебаниям кузова, заменив подрессоренную массу кузова mк(рис. )тремя массами: m1, m2 и m3, связанными между собой невесомым стержнем. 1) m1 - Масса приходящаяся на переднюю подвеску 2) m2 - Масса приходящаяся на заднюю повеску 3) m3 - Масса, находящаяся в центре тяжести Чтобы система из трех масс соответствовала в динамическом отношении действительной массе подрессоренной части автомобиля, необходимо соблюдение следующих условий: mк= m1+ m2+ m3 (6.2) Центр тяжести системы должен совпадать с ценром тяжести кузова (6.3) Момент инерции системы относительно оси Y должен быть равен моменту инерции подрессорной массы относительно той же оси: (6.4 ) Где - радиус инерции подрессорной месса автомобиля. Определим массы , , из уравнения 5.2 -5.4 (6.5) (6.6) (6.7) Если вывесим стержень из состояния равновесия, а затем отпустить, то он начнет колебаться(рис 6,3в ).Во время колебаний появляется сила инерции , которая создает момент относительно центра упругости. Момент ,если или плечо силы равно нулю. Из уравнения + следует, что масса , если Если плечо, т.е. центр тяжести совпадает с центром тяжести упругости, то Рисунок 6.3 Схема расчета колебаний кузова: а)-схема подвески кузова; б)- система, эквивалентная подрессоренной массе; в)-положение центров тяжести и упругости Тогда или Жесткость подвесок необходимо выбирать таким образом, чтобы она была обратно пропорционально расстоянием центра тяжести от передней к задней осей. Тогда при одинаковых прогибах передней и задней подвесок кузов автомобиля будет перемещаться без галопирования. На плавность хода оказывает влияние также упругие свойства шин (конструкция, ширина профиля и давление воздуха). При использование независимых подвесок уменьшается галопирования. Использования пневматических подвесок обеспечивает высокую плавность хода благодаря небольшой жесткости и возможности регулирования жесткости подвески и высоты кузова в широких пределах. 7 Топливная экономичность. Топливной экономичностью называют совокупность свойств автомобиля, определяющих расходы топлива при выполнении транспортной работы в различных условиях эксплуатации. Топливная экономичность в значительной степени определяется такими показателями двигателя, как часовой расход топлива - Масса топлива за один час работы двигателя, и удельный расход - масса топлива, расходуемая за один час на единицу мощности Основным показателем топливной экономичности автомобиля является расход топлива на 100 км пробега (путевой расход) Для оценки эффективности использования топлива при выполнении транспортной работы используют расход топлива на единицу транспортной работы Удельный расход топлива связан с часовым. (7 .1) Используя уравнение мощностного баланса, получим: (7 .2) Подставим в уравнение ( .1) и определим (7 .3) Часовой расход топлива связан с путевой зависимостью: (7 .4) Где - плотность топлива, Подставив уравнение (7 .3) в уравнение (7.4), получим: (7 .5) Если зависимость неизвестна, то определяется по формуле: Где и -коэффициенты учитывающие соответственно зависимость от частоты вращения n и степени использования мощности И. Значит и приведены по рис ( 7 .2) Выражение (7 .5) называется уравнением расхода топлива. Основным оценочным показателем топливной экономичности является – Контрольный расход топлива (КРТ), его используют для сравнения топливной экономичности разных автомобилей. КРТ определяют при движении автомобиля на высшей передаче по горизонтальному участку дороги при заданной скорости. Для определения расхода топлива в различных условиях движения используется топливно-экономическая характеристика, которая представляет собой зависимость путевого расхода топлива от скорости движения в различных дорожных условиях. (рис. 7 .1) Рис. 7 .1 График топливной экономичности График позволяет определить расход топлива по скорости автомобиля и коэффициенту сопротивления дороги (). Так при скорости 1 на дороге, сопротивление которой характеризуется коэффициентом , расход топлива будет Можно решить обратную задачу: определить максмально-возможную скорость при данном расходе топлива, что позволяет выбрать оптимальный скоростной режим автомобиля. Топливно-экономическая характеристика может быть построена по результатам дорожных или стендовых испытаний, или по результатам расчетов. Факторы, влияющие на топливную экономичность. Существенное влияние на расход топлива оказывают конструктивные и эксплуатационные факторы, а также техническое состояние автомобиля. К основным конструктивным факторам, влияющим на топливную экономичность являются: тип двигателя тип и параметры трансмиссии автомобиля, масса автомобиля, тип и конструкция шин, аэродинамические свойства автомобиля (обтекаемость) и др. Так при использовании дизельного двигателя расход топлива уменьшается на (большие значения относится к грузовым автомобилям). Установка механической трансмиссии уменьшает расход топлива на (по сравнению с гидравлическими и электрическими трансмиссиями). Снижение массы на 10% даёт экономию топлива , а в горной местности до 10%. При использовании автопоездов, общий расход топлива увеличивается, но расход топлива на единицу транспортной работы меньше, чем у одиночного автомобиля. Это объясняется тем, что грузоподъемность автопоезда в раза больше, а масса автопоезда возрастает только на . На расход топлива оказывает влияние стиль вождения. Для экономии топлива можно рекомендовать следующие приемы вождения: 1) Скорость движения на горизонтальном участке на меньше максимальной 2) Частота вращения на ниже номинальной 3) На горизонтальном участке использовать прямые и высшие передачи 4) Избегать резких разгонов и торможений 5) Реже использовать тормозные системы На расход топлива оказывает влияние техническое состояние автомобиля. Увеличение расхода топлива может являться следствием различных неисправностей двигателя (нарушение системы питания и зажигания, неправильная регулировка газораспределительного механизма, нарушение системы охлаждения и т.д.) К повышенному расходу приводит снижение давления в шинах и нарушение установки управляемых колес, неправильная регулировка подшипников и зубчатых колес главной передачи, чрезмерное уменьшение зазоров в тормозных механизмах и другие неисправности. Рис. 7.2 Вспомогательные графики для расчёта удельного расхода топлива при различных частотах вращения и нагрузках: 1 – дизелем; 2 карбюраторным двигателем.