Мощностной баланс автомобиля

Равенство мощности двигателя и мощностей сопротивления движению представляет собой мощностной баланс автомобиля.

Записывается он следующим образом

                               N_e = (N_f + N_h + N_w + N_j) × ,                   (48)

где N_е – мощность двигателя;  N_f  – мощность сопротивления качению колес;

N_w – мощность сопротивления воздуха;  N_j  – мощность сопротивления инерции автомобиля; h_тр – кпд трансмиссии.

В развернутом виде мощностной баланс (кВт) можно записать

, (49)

 где  Р_Т – сила тяги, создаваемая колесами автомобиля, Н; V – скорость автомобиля, м/с; G_а – вес автомобиля, Н; g – ускорение свободного падения, м/с². 

Остальные обозначения приводились ранее.  

    Мощность измеряется в ваттах, киловаттах или в лошадиных силах: 1 кВт = 1,36 л.с. или 1 л.с. = 0,736 кВт. Один ватт равен  произведению силы в одии  ньютон на скорость в один метр за секунду, что соответствует тепловой энергии 1 дж/с. (1 джоуль равен 0,239 калориям). За час работы двигателя для создания мощности в 1 кВт нужно теплоты 3600 кдж. Но с  учетом потерь тепла, оцениваемых эффективным кпд двигателя, тепла нужно в 3-5 раз больше.

Как и другие тягово-скоростные характеристики автомобиля, мощностной баланс часто выражается графически. На рис.49 показано изменение мощности N_к1, N_к2 , N_к3 , N_к4 , N_к5  на ведущих колесах автомобиля на 1-ой, 2-ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой передачах в коробке передач, а также  мощности сопротивления качению колес N_f1, N_f2 и воздуха N_w в зависимости от скорости движения автомобиля V.

     Графическое представление мощностного баланса позволяет иметь наглядную картину скоростных возможностей автомобиля в различных дорожных условиях, быстро определить максимальную скорость дви-     Рис. 49. Мощностной баланс автомобиля     

        

жения и запас мощности двигателя на всех передачах в коробке передач, иметь наглядную картину скоростных возможностей автомобиля в различных дорожных условиях 

       На рис. 49 показаны изменения мощности N_к1, N_к2 , N_к3 , N_к4 , N_к5  на ведущих колесах автомобиля на 1-ой, 2-ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой передачах в коробке передач, мощности сопротивления качению колес N_f1, N_f2 и воздуха N_w при различной скорости движения V.      

    Максимальные значения мощности для всех передач на рис.49 располагаются на одном уровне.   В действительности же из-за снижения кпд при высокой скорости мощность несколько снижается.

  Скорость автомобиля  для построения графика мощностного баланса может быть найдена с помощбю  выражения

                                                V = 0,377× ,                                              

где V – скорость автомобиля, км/ч;  r_к – радиус качения колеса, м; n_е – частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; и_тр – передаточное число трансмиссии, равное произведению передаточного числа передачи в коробке передач – и_кп , в раздаточной коробке  – и_рк; главной передачи – и_гп .

Тягово-скоростные качества автомобиля характеризуются его  у д е л ь н о й м о щ н о с т ь ю,   т.е. мощностью двигателя, приходящейся на 1 тонну полной массы автомобиля.  Удельная мощность легковых автомобилей равна 20...120 квт/т; грузовых – 8...30 квт/т, автопоездов – 4...10 квт/т, автобусов – 7...15 квт/т.

Удельная мощность должна быть достаточно высокой. Считается, если удельная мощность ниже 5-7 квт/т, автомобиль сдерживает движение на подъемах и создает опасную обстановку из-за необходимости обгонять его другими автомобилями.

  На высоте из-за ухудения наполнения цилиндров максимальная мощность двигателя снижается и может быть определена по следующей зависимости:

N_в = N_emax ×(1 – ),

где  N_в – мощность двигателя на высоте; N_emax – мощность двигателя на уровне моря; h_м – механический кпд двигателя (0,7- 0,8); m – отношение давлений возжуха на высоте и на уровне моря; b – отношение температур на высоте и на уровне моря.

На каждые 500 метров высоты мощность двигателя уменьшается в среднем  на 8 %,

 

Тяговый расчет автомобиля

Тяговый расчет автомобиля делается с целью определения его тягово-cкоростных качеств. Тяговый расчет может быть проектировочным, когда автомобиль создается вновь, или проверочным, служащим для оценки уже существующего автомобиля.

   Тяговый расчет выполняется в следующем порядке:

1. Определяется необходимая мощность двигателя, чтобы полностью груженый втомобиль на горизонтальной дороге с покрытием мог развить требуемую максимальную скорость движения.

2. Расчетным путем строится внешняя скоростная характеристика двигателя.

3. Определяются передаточные числа агрегатов трансмиссии автомобиля.

4. Строятся характеристики автомобиля:

   – тяговая;

   – динамическая;

   – график ускорений;

   – график времени и пути разгона;                       

   – график мощностного баланса автомобиля.

Способы построения этих характеристик были рассмотрены ранее. При выполнении проверочного тягового расчета используются  данные проверяемого автомобиля.

Гидродинамические передачи

В трансмиссиях некоторых автомобилей и автобусов применяются гидромеханические передачи (рис. 50), в которых крутящий момент передается за счет кинетической энергии жидкости (обычно – масла), находящейся между лопастными колесами, одно из которых соединяется с двигателем  и называется насосным а другое – с выходным валом гидродинамической передачи и называется турбинным.

 

 

Рис. 50. Гидродинамическая передача

Рис. 51. Схема гидромуфты               Рис. 52. Схема гидротрансформатора

   Гидродинамическая передача, выполненная по схеме, приведенной на рис. 51, называется гидромуфтой. Если между насосным и турбинным колесами установлено еще лопастное колесо (реактор), передача называется гидротрансформатором (рис. 52, 53).  Реактор  нужен для изменения направления потока масла, выходящего из межлопаточного пространства турбинного колеса. 

     На современных автомобилях гидромуфты практически не применяются, но устанавливаемые на автомобилях гидротрансформаторы, как правило, могут работать в режиме гидромуфты. Такие гидротрансформаторы называются комплексными. Они имеют значительные преимущества по сравнению с гидромуфтами, хотя и былее сложные. На режим гидромуфты гидротрансформатор выходит после разгона автомобиля.

Рис. 53. Колеса гидротрансформатора

   При холостых оборотах коленчатого вала двигателя передаваемый на турбинное колесо крутящий момент, величина которого зависит от оборотов насосного колеса в квадрате, имеет небольшое значение. Это дает возможность затормаживать автомобиль до полной остановки без выключения передачи в коробке передач, а в дальнейшем разгонять автомобиль практически с любой передачи, что облегчает условия работы водителя.   

    Важнейшее свойство   гидротрансформатора состоит в том, что крутящий момент двигателя после прохождения через гидротрансформатор увеличивается в 2...3 раза, иногда более. Гидромуфта крутящий момент не изменяет и служит для уменьшения количества переключений передач в коробке передач за счет скольжения турбинного колеса относительно насосного. Кроме того, она   снижает вибрации, передаваемые от двигателя на трансмиссию и кузов. 

       Параметры гидротрансформатора выражаются его так называемой безразмерной характеристикой (рис. 54). Безразмерная характеристика включает изменение коэффициента трансформации K, коэффициента входного момента l и коэффициента полезного действия h от передаточного числа гидротрансформатора i, равного отношению чисел оборотов n_т турбинного и на сосного ко лес n_н.   Под коэффициентом трансформации гидротрансформатора понимается отношение крутящего момента на турбинном валу гидротрансформатора к крутящему моменту на валу насосного колеса. С помощью коэффициента входного момента оценивается нагрузочная возможность гидротрансформатора, его лопаточная система.

                                                                                   

                                                 

Рис. 54. Безразмерная характеристика

гидротрансформатора                          

                                                                                    

   Безразмерная характеристика строится по результатам испытаний гидротрансформатора на стенде и используется для оценки возможности работы гидротрансформатора с конкретным двигателем, а также для выполнения тягового расчета автомобиля.

       В точке А (рис. 54) гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты. Заторможенное  муфтой свободного хода реакторное колесо гидротрансформатора в начале разгона турбинного колеса при переходе на режим гидромуфты освобождается т.к. поток жидкости ударяет теперь о лопатки реакторного колеса с другой стороны, чем было в начале разгона. Реакторное колесо начинает вращаться в том же направлении, что и насосное и турбинное колеса, предотвращая падение кпд гидротрансформатора. Если реакторное колесо не освободить, то из-за того, что при изменении направления потока жидкости лопатки реакторного колеса становятся на пути  потока жидкости, создается большое сопротивление движению потока жидкости  и кпд падает. Передаточное число при переходе на режим гидромуфты   – 0,7...0,85. После освобождения реактороного колеса (точка А) кпд изменяется по прямой зависимости от передаточного числа до блокировки гидротрае\нсформатора, когда кпд резко увеличивается до 1.

Кпд гидротрансформатора h_гт может быть выражено                                                

                                      h_гт  = .                                  (62)

где N_т – мощность на турбинном колесе; N_н – мощность на насосном колесе; M_т – крутящий момент на турбинном колесе; M_н – крутящий момент на  насосном  колесе; n _т – частота вращения турбинного колеса;  n _н – частота вращения насосного колеса; К – коэффициент трансформации гидротрансформатора; i _гт – передаточное число гидротрансформатора.

В гидромуфте M_т = M_н. Использую выражение (62), запишем кпд гидромуфты   

                     h_гм  =  = i _гм,                                                     (63)

где i _гм – передаточное число гидромуфты.

Таким образом, кпд определяется величиной относительного проскальзывания насосного и турбинного колес для гидромуфты и произведением этого числа на коэффициент трансформации  для гидротрансформатора. Относительное проскальзывание обычно бывает в пределах  2,5 % при скорости выше 40 км/ч, 7,5 % при скорости порядка 20 км/ч и 25 % на тяжелых грунтовых дорогах.

    Из-за низкого  кпд гидротрансформатора мощность двигателя в гидромеханческих коробках передач иногда передается двумя потоками: через гидротрансформатор и механический редуктор, как показано на рис. 55. Такие коробки называются коробками передач с параллельным потоком мощности.

 

Рис. 55. Гидромеханические коробки передач с параллельным потоком мощности

 

   Для повышения кпд и снижения расхода топлива гидротрансформатор блокируется или  переводится на режим гидромуфты. На современных рузовиках, самосвалах с целью экономии топлива гидротрансформатор обычно используется только при трогании автомобиля с места и разгона. После достижения средних оборотов коленчатого вала гидротрансформатор автоматически блокируется. Дальнейшая работа происходит при заблокированном гидротрансформаторе. Если в коробке передач имеется сухое сценление, то гидромуфта ставится для сохранения сцепления за счет резкого уменьшения работы буксования при разгоне автомобиля.

Изменение частоты вращения коленчатого вала в зависимости от нагрузки на колесах автомобиля определяется " прозрачностью " гидротрансформатора.

Если при увеличении сопротилення движению частоты вращения коленчатого вала не уменьшается, гидротрансформатор ''непрозрачный". Непрозрачные гидротрансформаторы на изменения нагрузки не реагируют.

   При трогании автомобиля с места его двигатель с использованием непрозрачного гидротрансформатора может быть сразу выведен на максимальную частоту и, следовательно, развить максимальную мощность, тогда как при использовании прозрачного гидротрансформатора частота растет медленно и мощность при разгоне может быть значительно меньше максимальной.

На легковых автомобилях, автобусах и небольших грузовых автомобилях применяют прозрачные гидротрансформаторы. На тяжелых грузовиках с дизелями, удельная мощность которых обычно небольшая,  применяются малопрозрачные и практически непрозрачные гидротрансформаторы.

Прозрачность гидротрансформатора оценивается коэффициентом прозрачности П, равным отношению значения коэффициента входного момента l₁, взятого из безразмерной характеристики при   i _гт = 0 к значению l₂, соответствующему переходу на режим работы гидромуфты:

П = .

Численное значение коэффициента П = 1,6...2,2 –  прозрачных гидротрансформаторов, П = 1,3...1,6 – малопрозрачных и П =1,0...1,2 – практически непрозрачных гидротрансформаторов.

В "стоповом" режиме работы (автомобиль заторможен,  в коробке передач включена последняя передача), частота вращения коленчатого вала двигателя при полной подаче топлива составляет от максимальной частоты: легковые автомобили  –  0,3...0,4; грузовые автомобили и городские автобусы с бензиновыми двигателями  –  0,5…0,75; грузовые автомобили и городские автобусы с дизелями – 0,74...0,85.

      Т я г о в ы й р а с ч е т автомобиля с гидротрансформатором отличается от тягового расчета автомобиля без гротрансформатора дополнительным построением графиков входной и выходной характеристик гидротрансформатора. Остальные этапы те же, но кривые на графиках начинаются при скорости автомобиля, равной нулю, т.к. из-за буксования колес гидротрансформатора движение автомобиля с места возможно на любой передаче. Ниже рассотрены способы  построения входной и выходной характеристик гидротрансформатора.