Тягово-скоростные свойства автомобилей

Лекция 1. Тягово-скоростные свойства автомобилей Тягово-скоростными свойствами назы­вают совокупность свойств, определяющих возможные по характеристикам двигателя или сцепления ведущих колес с дорогой диапазоны изменения скоростей движения и предельные интенсивности разгона авто­мобиля при его работе на тяговом режиме в различных дорожных условиях. Тяговым принято считать режим, при котором от двигателя к ведущим коле­сам подводится мощность, достаточная для преодоления сопротивления движе­нию. Выполняй транспортную работу, води­тель выбирает скорость движения, исходя из эксплуатационных условий. Этот выбор ограничен диапазоном скоростей от макси­мальной, определяемой максимальной мощностью двигателя или сцеплением ве­дущих колес с дорогой, до минимальной по условиям устойчивой работы двигате­ля. Чем тяжелее дорожные условия, тем более узок этот диапазон и меньше возможные ускорения. В некоторых усло­виях диапазон снижается до единственно возможного значения скорости - такие дорожные условия являются предельными. В более тяжелых дорожных условиях дви­жение невозможно. Методы оценки тягово-скоростных свойств могут быть использованы для ре­шения двух задач: анализа — определения скоростей, ускорений и предельных дорож­ных условий, в которых возможно движе­ние автомобиля с заданными конструктив­ными параметрами, и синтеза — определе­ния конструктивных параметров, которые могут обеспечить заданные значения скоростей и ускорений в заданных дорож­ных условиях движения, а также нахож­дения предельных дорожных условий. Ре­шение первой задачи называют повероч­ным тяговым, расчетом, а второй — проектировочным тяговым расчетом. Возможно также сравнение автомобилей по показателям тягово-скоростных свойств и оценка их технического уровня и ка­чества по степени соответствия нормиру­емым или рекомендуемым значениям этих показателей. 1.1 Оценочные параметры Наиболее употребительные и достаточными для сравнительной оценки являются следующие параметры: 1) Vamax - максимальная скорость движения автомобиля; 2) tvp – время разгона до заданной скорости; 3) tsp – время разгона на заданном пути; 4) скоростная характеристика «разгон-выбег»; tp, Sp – время и путь разгона а/м; tв, Sв – время и путь выбега а/м; tп – время переключения передач; Sп – путь, проходимый за время переключения передач; Vп – падение скорости за время переключения передач. 5) характеристика разгона на высшей передаче; 6) Рт – тяговая сила на крюке; 7) Д – динамический фактор; 8) ja – величина ускорения при разгоне; 9) Рт.кр – сила тяги на крюке. 1.2 Силы и моменты, действующие на автомобиль На автомобиль действуют три группы сил: 1) Сила тяжести; 2) Силы, вызывающие движение; 3) Силы, препятствующие движению. При рассмотрении сил и моментов, действующих на автомобиль принимаются ряд допущений: 1) Автомобиль приводится к плоской схеме; 2) Исключается упругая связь, подвеска и автомобиль представляются жесткой системой, совершающей движение без колебаний. 3) Автомобиль представляется, как система с сосредоточенными массами и линейными характеристиками. 1.2.1 Силы тяжести ma – полная масса автомобиля, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; mag – сила тяжести, Н; Rz1, Rz2 – нормальные реакции в контакте передних и задних колес, Н; а, в – расстояния от осей автомобиля до ц.м., м; hц – высота центра масс, м; О1, О2 – центры пятен контактов колес. Σ Мо1 = 0, , Σ Мо2 = 0, , 1.2.2 Силы и моменты, вызывающие движение 1 – ДВС; 2 – сцепление; 3 – КПП; 4 – карданный вал; 5 – главная передача; 6 – дифференциал; 7 - полуось Сила, вызывающая движение называется тяговая сила (РТ), подводимая к ведущим колесам. Моментом, вызывающим движение называется тяговый момент (МТ), подводимый к ведущим колесам. Кроме этого при рассмотрении движения автомобиль используют понятие «тяговой мощности» (NТ). Ne – эффективная мощность двигателя; Me – эффективный крутящий момент двигателя. NТ – мощность затрачиваемая на преодоление трения в трансмиссии. КПД трансмиссии: КПД трансмиссии характеризует затраты мощности на преодоление трения в трансмиссии автомобиля. Мощность, подводимая к ведущим колесам, при равномерном движении автомобиля: Тяговый момент, подводимый к ведущим колесам, при равномерном движении: (4х2, 6х4) где Uо – передаточное число главной передачи; Uкп – передаточное число коробки передач. (4х4, 6х6) где Uдк – передаточное число дополнительной коробки. Передаточное число трансмиссии: (4х4, 6х6) (4х2, 6х4) rд – динамический радиус колеса, м. Формулы, выше приведенные для расчета NТ, МТ, РТ справедливы для равномерного движения, т.е. jа = 0. Практическая эксплуатация автомобиля показывает, что равномерный режим движения составляет 40...60% от общего движения. Если автомобиль движется с ускорением, то мощность, подводимая к ведущим колесам, определяется по формуле: где IM – осевой момент инерции маховика; M - угловая скорость вращения маховика двигателя; dM/dt = M – угловое ускорение маховика коленчатого вала; - мощность, затрачиваемая на развитие углового ускорения вращающихся частей двигателя. где К - угловая скорость колес. где - момент, затрачиваемый на раскручивание. 1.2.3 Силы, препятствующие движению Рк1, Рк2 – силы сопротивления качению передних и задних колес; Рв – сила сопротивления воздуха; Ри – сила инерции; Рп – сила сопротивления подъема. и 1.3 Силы сопротивления качению 1.3.1 Кинематика и динамика автомобильного колеса 1.3.1.1 Кинематика Кинематика автомобильного колеса оценивается следующими параметрами: 1) Радиус колеса; 2) Скорость колеса; 3) Ускорение колеса. Радиус колеса Различают следующие виды радиусов: 1) r0 – свободный радиус колеса (расстояние от центра, ненагруженного норм. нагрузкой, неподвижного колеса до опорной поверхности) 2) rст – статический радиус колеса (расстояние от центра, нагруженного норм. нагрузкой, неподвижного колеса до опорной поверхности) 3) rд – динамический радиус колеса (расстояние от центра, нагруженного норм. нагрузкой, подвижного колеса до опорной поверхности) 4) rкин – кинематический радиус. где Vк – линейная скорость качения колеса; к – угловая скорость колеса. Скорость колеса где к – угловая скорость колеса. Передаточное отношение трансмиссии: , где nе – частота вращения коленвала, об/мин. где Vк – скорость колеса, км/ч; rд – радиус динамический, м; ne – частота вращения коленвала, об/мин. Так как каждая точка колеса перемещается в продольном направлении со скоростью Vк, а каждая точка принадлежит как колесу, так и автомобилю, то выше приведенные формулы справедливы для определения скорости движения автомобиля. Ускорение колеса , . 1.3.1.2 Динамика автомобильного колеса Pz – нормальная сила; Rz – результирующая норм. реакций. При неподвижном колесе RZ направлена по линии действия Pz. Если колесо нагрузить ступенчато нормальной нагрузкой и для каждой нагрузки фиксировать деформацию шин, а затем также ступенчато разгрузить шину и фиксировать величину деформации, то получим упругую характеристику колеса. Площадь между линиями нагрузки и разгрузки характеризует необратимые потери энергии в шине (гистерезиса). Необратимые потери энергии обусловлены следующим: 1) при деформации шин за счет межмолекулярного трения происходит нагрев шин и полученное тепло отдается в окружающую среду; 2) чем меньше давление воздуха в шине, тем больше площадь между линиями нагрузки и разгрузки, следовательно больше величина необратимых потерь. 1.4 Характеристика, определяющая тягово-скоростные свойства автомобиля Характеристикой, определяющей ТСС, является внешне-скоростная характеристика двигателя (ВСХ). ВСХ – зависимость эффективной мощности, эффективного крутящего момента и удельного эффективного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала. nmin, nmax – минимально и максимально устойчивая частота вращения коленвала; nМ – частота вращения при максим. моменте; nN – частота вращения при максим. мощности; nд – частота вращения при миним. расходе топлива. Тягово-скоростные свойства зависят от эффект. мощности и эффективного момента, будем рассматривать следующее: . А зависимость расхода топлива от частоты вращения, характеризующая топливную экономичность двигателя будем рассматривать при оценке топливной экономичности двигателя. Диапазон nM…nN характеризует устойчивую работу двигателя, т.к. в этом диапазоне изменение частоты вращения приводит к увеличению или эффективной мощности или эффективного момента, что обеспечивает устойчивость работы. ВСХ можно определить экспериментальным и расчетным методами. ВСХ эксперим. методом определяется в соответствии с ГОСТом 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы испытания». Для определения ВСХ расчетным методом используется формула Лейдермана: где Nei – текущее значение мощности, соответствующее частоте вращения nei; Nemax – максимальная эффективная мощность; a, b, c – постоянные коэффициенты. Алгоритм определения ВСХ 1) Из справочника или паспортный данных выбирается Nemax и nN; 2) Определяется диапазон частоты вращения коленвала; Для автомобилей без ограничителя числа оборотов: nmin=(0,1...0,2) nN, nmax=(1,1...1,2) nN Для автомобилей с ограничителя числа оборотов: nmin=(0,1...0,2) nN, nmax= nN 3) Полученный диапазон частоты вращения коленвала разбивается на 5-10 равных интервалов; 4) По формуле Лейдермана определяется Ne для каждого интервала; 5) Для каждого интервала определяется Me; 6) Строится ВСХ. 1.5 Уравнение силового и мощностного баланса и методы их решения Уравнение силового баланса: Уравнение силового баланса при равномерном движении: Наиболее наглядно решение уравнения силового баланса можно представить графическим методом, т.е. строится ТСХ. Уравнение мощностного баланса: Уравнение мощностного баланса при равномерном движении: Для решения уравнения мощностного баланса используют графический метод, т.е. строится диаграмма мощностного баланса. 1.6 Динамический фактор и динамическая характеристика Д показывает сколько свободной тяговой силы приходится на единицу силы тяжести. Для равномерного движения: Динамическая характеристика: Д=f(Va) Условие движения автомобиля по динамическому фактору: 1.7 Ускорение, время и путь разгона автомобиля Ускорение автомобиля: Диаграмма ускорения: ja=f(Va) jн1 – ускорение начальное в 1 интервале; jк1 – ускорение в конце 1 интервала; jн2 – ускорение начальное во 2 интервале; Vн1 – скорость в начале 1 интервала; Vк1 – скорость в конце 1 интервала; Vн2 – скорость в начале 2 интервала; Для определения пути и времени разгона используется графоаналитический метод. Для этого диаграмму ускорений разбивают (каждую кривую на 5-10) и принимают следующие допущения: 1) в каждом интервале автомобиль движется с постоянной средней скоростью; 2) в каждом интервале автомобиль движется с постоянным средним ускорением. I интервал Время разгона на n-ом интервале: Время разгона на 1 передаче: Путь разгона на n-ом интервале: Путь разгона на 1 передаче: tn – время переключения передач; Vn – падение скорости за время переключения передич; Sn – путь, проходимый за время переключения передач. Время переключения передач составляет: tn =0,5...3 с.