Основные эксплуатационные свойства транспортных машин

Теория автомобиля

(лекции для заочников)

 

Литература

 

1.Тарасик В.П. Теория движения автомобиля: Учебник для вузов. – СПб.:   

БХВ-Петербург, 2006. – 478 с.

 

2.Тарасик В.П., Бренч М.П. Теория автомобилей и двигателей: Учебное пособие. 

– Мн.: Новое знание, 2004. – 400 с.

 

3. Руктешель О.С.Выбор параметров и оценка тягово-скоростных и топливно-

экономических свойств автомобиля:учебно-методическое пособие для студен-

тов специальностей 1-37 01 02 “Автомобилестроение”, 1-37 01 06 “Техничес-

кая эксплуатация автомобилей”, 1-37 01 07“Автосервис”, 1-44 01 01 “Организа-ция перевозок и управление на автомобильном и городском транспорте”, 1-44 01 02 “Организация дорожного движения” /О.С.Руктешель. – Минск: БНТУ, 2015. – 80 с.  

 

4. Вахламов В.К. Техника автомобильного транспорта: Подвижной состав и

эксплуатационные свойства: Учебное пособие. – М.: Академия, 2004. – 528 с.

 

5. Умняшкин В.А., Сазонов В.В., Филькин Н.М. Эксплуатационные свойства 

автомобиля: Учебное пособие. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. – 180 с.

 

6. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. 

– М.: Машиностроение, 1989. – 240 с.

 

7. Кузьмин Н.А., Песков В.И. Теория эксплуатационных свойств автомобиля:

учебное пособие/ Н.А. Кузьмин, В.И. Песков. – М.: ФОРУМ; НИЦ ИНФРА-М,

2013. – 256 с. – (Высшее образование. Бакалавриат).

 

 

Введение

    Теория движения автомобиля (далее всюду «Транспортных машин»)  – это научная дисциплина, изучающая основные эксплуатационные свойства автотранспортных средств.

    Знание теории движения транспортных машин необходимо при проектировании и доводке новых моделей, а также при выборе типа транспортной машины в соответствии с требованиями эксплуатации. На выводах теории движения транспортных машин основаны расчёты их деталей на прочность и долговечность.

    Благодаря развитию теории движения транспортных машин удалось решить большинство вопросов по влиянию их конструкции на эксплуатационные свойства и наметить пути создания более совершенных машин.

Сила и коэффициент сцепления шин ТМ с дорожной поверхностью

Под силой сцепления понимают силу, противодействующую скольжению шин ТМ относительно поверхности дороги. Она равна силе трения, возникающей в месте контакта шины колеса с дорогой.

    При отсутствии поперечных сил величина силы сцепления определяется по

формуле: 

                                  F _φ = R_{z вщ} ∙φ или   F _φ = G _φ ∙ φ,                                                  

где R_{z вщ} – нормальная реакция дороги на ведущих колёсах ТМ;                          φ – коэффициент сцепления;   G _φ – сцепной вес ТМ, т.е. вес, приходящийся

на ведущие колёса машины.

   Если окружная сила F _к меньше силы сцепления F _φ, то ведущие колеса ТМ катятся без пробуксовки. Если же F _к > F _φ, то ведущие колёса пробуксовывают, и для движения используется лишь часть силы, равная F _φ. Остальная часть силы F _к вызывает ускоренное вращение колёс, которое продолжается до тех пор, пока мощность, затрачиваемая на буксование, не уравновесит избыток мощности, подводимый к колёсам.

Коэффициент сцепления φ во многом определяет величину силы сцепления. В зависимости от направления скольжения колёс относительно поверхности дороги различают коэффициенты продольного φ _x и поперечного φ _y сцепления. Эти коэффициенты сцепления зависят от одних и тех же факторов, и практически можно считать, что они равны между собой (φ _x = φ _y).

Коэффициент сцепления φ определяется при протягивании полностью затор-моженного колеса, т.е. при 100% скольжении, и малой скорости движения (3 км/ч).

 

Таблица 2.1 - Значения коэффициентов сцепления

 

№ п.п	Вид покрытия	Состояние покрытия	Коэффициент сцепления
1	Асфальтобетон и цементобетон	Сухое Мокрое	0,80…0,90 0,45…0,55
2	Булыжник	Сухое	0,40…0,55
3	Щебёнка	Сухое Мокрое	0,50…0,70 0,30…0,50
4	Грунт	Сухое Мокрое	0,40…0,60 0,20…0,45
5	Песок	Сухое Мокрое	0,20…0,40 0,35…0,50
6	Снег	Укатанное	0,15…0,25
7	Лёд	Гладкий	0,08…0,20

        

    Меньшие значения относятся к шинам высокого давления, а большие – к шинам низкого давления.

 

 

Определение полной массы ТМ

    Для характеристик массы ТМ приняты следующие определения:

1) масса сухого автомобиля m_c – масса ТМ без снаряжения, т.е. без инструмента, запасного колеса, дополнительного оборудования (например, радиоприёмника,

кондиционера и др.) и заправки (топлива, жидкого смазочного материала и воды). Сухая масса ТМ включает массу жидкости в амортизаторах, смазки в шарнирах, гидроусилителе руля, электролита в аккумуляторах; 2) масса снаряжённой ТМ m _о – масса ТМ с заправкой и снаряжением, но без полезной нагрузки, водителя и пассажиров;

3) полная масса   m _а .

    Полная масса ТМ m _а вычисляется по формуле: 

                                                     m _а = m _о + m _н ,                                   

где m _н – масса нагрузки, кг.

 

Автомобили

одна ось                                               тележка из 2-х осей

                                                                                         а

нагрузка (т)

нагрузка (т)

 

 

неведущая ось – 10 т                          1,0 < a < 1,3 м – 16 т         ведущая ось – 11,5 т                            1,3 ≤ a < 1,8 м – 18 т

                                                                    (при сдвоенных колесах и наличии                                                            пневмоподвески допускается 19 т)    

Прицепы и полуприцепы

   Тележка из 2-х осей                                 Тележка из 3-х осей

                   а                                                                          а                 а

нагрузка (т)

нагрузка (т)

 

      а < 1,0 м – 11 т                         а £ 1,3 м  – 21 т

     1,0 £ а < 1,3 м – 16 т                1,3 < a  £ 1,4 м – 24 т

     1,3 £ а < 1,8 м – 18 т

         а ³ 1,8 м  – 20 т

ТМ, у которых полная масса, осевая нагрузка или габаритные размеры превышают предельные значения, установленные нормативными документами, относятся к внедорожным.

Для внедорожных машин и легковых автомобилей нагрузка на одиночную ось не регламентируется.

     Распределение нагрузки от полной массы ТМ по мостам необходимо знать для того, чтобы подобрать соответствующие этой нагрузке шины и определить по их размерам радиус качения колёс, а также чтобы рассчитать максимально возможную по сцеплению окружную силу тяги.

 

Геометрической прогрессии.

   Если n -я передача имеет передаточное число u _n, то знаменатель геометрической прогрессии q определяется из выражения:

                                                        u _n = u ₁ · q ^{n –1},

т.е. q , подставляем это q в формулу для определения передаточного

числа u _m, тогда получим u _m = u ₁ · или

окончательно:

                                   u_m =   ,                                                 

где n – номер высшей передачи в КП.

Если в качестве высшей передачи выбрать прямую передачу, т.е. передачу с передаточным числом   u_n = 1, то последнее выражение трансформируется в выражение вида    u_m = , где n – номер прямой передачи.

Время движения ТМ на высших передачах составляет 80…90 % общего времени. Поэтому ряд передаточных чисел целесообразно скорректировать таким образом, чтобы перепад между передаточными числами высших передач был меньше, чем между низшими. У большинства современных ТМ передаточные числа на высших передачах уменьшены на 5…15 % по сравнению со значениями, полученными по геометрической прогрессии, а на низших – соответственно на 5…10 % увеличены.

    Средний шаг между передаточными числами в многоступенчатых состав-ых КП находится в пределах 1,2…1,4.

 

 

Уравнение движения ТМ

    Оценку тягово-скоростных свойств ТМ производят, решая уравнение её движения. Уравнение движения ТМ связывает движущую её силу, с силами сопротивления и позволяет определить характер прямолинейного движения ТМ, т. е. в каждый момент времени найти ускорение, скорость, время движения и пройденный транспортной машиной путь.

       Окружная сила на ведущих колесах F_к при движении ТМ затрачивается                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         на преодоление сил сопротивления воздуха F _в, качению F_f, подъему F _h и разгону F_а, т. е.

                               F _к – F _в – F_f ± F_h ± F _а = 0.                  

     Здесь знак “–” при силе F_h соответствует движению ТМ на подъеме, а знак “+” – движению на спуске; знак “–” при силе F _а соответствует разгону автомобиля, а знак “+” – торможению.

    Записав в этом уравнении вместо сил выражения, их определяющие, полу- чим:

 

Разрешив последнее выражение относительно ускорения ТМ, для случая её разгона будем иметь:         

Данное уравнение называется уравнением движения транспортной машины.

Здесь:	mтм	– полная масса ТМ, кг;
	Gтм	– сила тяжести ТМ, Н;
	ro	– расчетный радиус качения ведущих колес, м;
	u тр	– передаточное число трансмиссии ТМ;
	h тр	– коэффициент полезного действия трансмиссии;
	kв	– коэффициент сопротивления воздуха, Н с^2/м^4;
	Vтм	– скорость движения ТМ, м/с;
	Aв	– площадь лобового сопротивления ТМ, м^2;
	f	– коэффициент сопротивления качению;
	i	– коэффициент сопротивления подъему (тангенс угла наклона дороги по отношению к горизонту);
	a	– угол наклона продольного профиля дороги, град(рад);
	δ	– коэффициент учета вращающихся масс ТМ.

Это уравнение справедливо для неустановившегося движения ТМ.

                    δ = 1+                  

Решение уравнения движения ТМ в общем виде аналитическими методами практически невозможно, так как неизвестны точные функциональные зависимости, связывающие силы, действующие на ТМ, с её скоростью. Поэтому уравнение движения ТМ решают численными методами на ЭВМ или приближенно, используя графо-аналитические методы. Наибольшее распро-странение получили метод силового (тягового) баланса, метод мощностного баланса и метод динамической характеристики.

Разгон транспортной машины

 

    Показателями динамических свойств ТМ при разгоне служат величина ускорения, а также время и путь разгона ТМ.

4.6.1 Ускорение транспортной машины при разгоне

 Ускорение ТМ при разгоне (приемистость) характеризует её способность быстро трогаться с места и увеличивать скорость движения.

   Ускорение ТМ определяют экспериментально или рассчитывают применительно к горизонтальной дороге с твердым покрытием хорошего качества при условии максимального использования мощности двигателя и отсутствии буксования колес.

    Минимальное значение скорости при разгоне V_{тм min} соответствует мини-мальным устойчивым оборотам коленчатого вала двигателя n _{e min}. В интервале скоростей   0 – V_{тм min} машина трогается с места при пробуксовке сцепления и постепенном увеличении подачи топлива.

 

    Величину ускорения ТМ в м/с ² находят из уравнения, связывающего зна-чение динамического фактора с условиями её движения. Учитывая, что для горизонтальной дороги y = f _v, запишем:

               D – f_v= или = ,     

где g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/c ²).

        Определив на каждой передаче коэффициент учета вращающихся масс d, рассчитывают ускорения а_х на каждой из передач.

 

 

Vтм min

Vтм max

Vтм

Vax max

a х max,5

160

Vaх max,5

км/ч

Vmin

Vmin

Рисунок 4.4 – Ускорения транспортной машины на передачах

 

    У грузовых автомобилей и автобусов максимальное ускорение а_{х max,1} на 1-ой передаче может быть ниже, чем на 2-ой или примерно одинаковым. Это объясняется большой величиной передаточного числа трансмиссии на этих передачах, вследствие чего резко увеличивается коэффициент учета вращающихся масс автомобиля d.

 

Рисунок 4.6 – Разгон машины на 1-ой и 2-ой передачах

 

     В процессе переключения передач скорость ТМ уменьшается.

     Величину уменьшения скорости V _{П, j} за время движения ТМ накатом в процессе переключения передач, можно найти, решая уравнение силового баланса:

                           F _к = F_f ± F _а ± F_h + F _в .

        

     При движении накатом окружная сила на ведущих колесах F_к = 0; так как ТМ движется по горизонтальной дороге, то сила сопротивления подъему F _h = 0. Пренебрегая сопротивлением воздуха за время переключения передач, т. е. принимая F_в = 0, окончательно получим:   F_f ± F _а = 0.

   Так как ТМ движется накатом, т. е. с замедлением, то сила сопротивления разгону F_а принимает отрицательное значение.

    Следовательно, можно записать, что F_f = F _а или в развернутом виде:

где d _н - коэффициент учета вращающихся масс ТМ при её движении накатом, которыйв этом случае может быть принят равным 1,03... 1,05.

    Тогда

    Считаем, что за время переключения передач сила сопротивления качению ТМ не изменяется, т. е. коэффициент сопротивления качению f_v остается постоянным и равным коэффициенту сопротивления качению f_v,полученному при скорости, соответствующей моменту переключения передач.

Отсюда V _П = 9,3 ∙ f_v ∙ t _П  [ м/с ] или V _П = 33,5 ∙ f_v ∙ t _П  [ км/ч ].              

                  

Рисунок 5.2 – Топливная характеристика установившегося движения

    6 – Топливно-скоростная характеристика на магистрально-холмистой дороге определяется на участке длиной 13... 15 км, имеющем переменный про-дольный профиль с чередующимися подъемами и спусками длиной до 800 м

 и продольными уклонами до 4 %; радиусы кривых в плане не менее 1000 м.

Уравнение расхода топлива

г   кВт∙ч

Удельный расход топлива  g_e связан с часовым расходом топлива G _Т соот-ношением:                                                                                          

 

    Здесь часовой расход топлива G _Т выражен в кг/ч, а мощность двигателя, установленного на автомобиле, Р_е – в кВт.

Отсюда

где Р_к – мощность, подведенная к ведущим колёсам в кВт;

  η_тр – к. п. д. трансмиссии.

    Выразим часовой расход топлива в л/ч. Для этого разделим правую часть последнего выражения на плотность топлива r _Т, имеющую размерность кг/м³; учитывая,

л   ч

что 1 м³ = 1000 л, получим:

        

л   100 км

Чтобы определить путевой расход топлива Q_s, разделим правую и левую части последнего выражения на скорость автомобиля V_а, выраженную в км/ч. Это приводит к получению расхода топлива в л на 1 км пробега; умножаем на 100, чтобы получить расход топлива в л/100 км пробега, т. е. путевой расход топлива:

    Подставив вместо Р_к составляющие, на которые расходуется мощность, подведенная к ведущим колесам, окончательно получим:

Это выражение называют уравнением расхода топлива.         

 Пользуясь этим выражением, можно найти путевой расход топлива для заданных режимов движения,

 

 

Продольная устойчивость ТМ

В случае потери продольной устойчивости ТМ может скользить в продольном направлении или опрокинуться вокруг точек соприкосновения перед-них либо задних колёс. У современных ТМ с низким расположением центра тяжести С опрокидывание в продольной плоскости маловероятно. Гораздо чаще наблюдается буксование ведущих колёс и сползание ТМ назад. Сползание наступит в тот момент, когда сила сопротивления подъёму F_i становится больше силы сцепления F_φ ведущих колёс с дорогой, т.е. F_i > F_φ.

Va

                                     

hg

O

Rx1

C

Rz2

Rz1

Fi

а

Gтм · cos α

Rx2

Gтм · sin α

 

 

в

Gтм

α

L

                       

 

            

Рисунок 8.4 – Схема для определения максимального угла подъёма,

преодолеваемого ТМ в продольной плоскости

 

 В связи с этим показателем продольной устойчивости ТМ является критический угол подъёма по буксованиюα_б.

С целью его определения рассмотрим равномерное движение ТМ на максимальном подъёме (рисунок 8.4), так как разгон на нём невозможен. При пре-одолении максимального подъёма скорость движения ТМ небольшая, поэтому силой сопротивления воздуха F _в в данном случае пренебрегаем. При этом сцепление ведущих колёс с дорогой полностью используется касательной реакци-ей дороги (R_{x 2} = F_φ = R_{z 2} ∙φ _x), а касательной реакцией дороги R_{x 1} на передних ко-лёсах пренебрегаем, так как она мала по сравнению с касательной реакцией R_{x 2}.

Из условия равновесия ТМ имеем:

              R_{z 2} ∙ L = G _тм ∙ sin α ∙ h_g + G _тм ∙ cos α ∙ a;

и R_{x 2} = G _тм ∙ sin α.

Максимальная величина касательной реакции дороги на ведущих колёсах автомобиля ограничена сцеплением колёс с дорогой, т.е.;

                               R_{x 2} = R_{z 2} ∙φ _x.

Подставим в это выражение значения реакций дороги R_{x 2} и R_{z 2} и разделим обе части уравнения на cos α:

 

            G _тм ∙ sin α = G _тм ∙(sin α ∙ h_g + cos α ∙ a)∙φ _x / L;

    tg α ∙ L = tg α ∙ h_g ∙φ _x + a ∙φ _x   или tg α ∙(L - h_g ∙φ _x) = a ∙φ _x  .

Учитывая в данном случае, что α = α_б , определим критический угол подъёма по буксованию для ТМ с колёсной формулой 4х2:

 

a ∙φ x

L - hg ∙φ x

a ∙φ x

L - hg ∙φ x

                       

          tgα_б =                или α_{б 4х2}=arctg                          

 

Критическим углом подъёма по буксованию называется угол, при превышении которого возникает буксование ведущих колёс ТМ.

 

Критический угол подъёма по буксованию во многом зависит от коэффици-ента сцепления φ _x. Так, например, при φ _x = 0,3 (асфальт мокрый и грязный или покрытый снегом) для ТМ с колёсной формулой 4х2 угол α_{б 4х2} = 10…15°, а при φ _x = 0,8 (асфальтобетон в хорошем состоянии) этот угол α_{б 4х2} = 25…30°.

 

Для ТМ со всеми ведущими колёсами:

                                     F_φ = G _тм ∙ cos α ∙ φ _x,

в тоже время максимальная величина касательной реакции дороги на колёсах ТМ R_x = R_{x 1} + R_{x 2} ограничена сцеплением колёс с дорогой F_φ   и равна предельному значению силы сопротивления подъёму F_i, т.е.:

                      F_φ = G _тм ∙ sin α.

    Приравнивая правые части вышеприведенных уравнений и разделив обе части на G _тм ∙ cos α, окончательно получим, что для ТМ со всеми ведущими колёсами критический угол подъёма по буксованию

                          α_{б 4х4} =arctg φ _x    .                                                   

 

 

Следовательно, такого типа ТМ может преодолевать крутые подъёмы без потери продольной устойчивости.

Так,