Продвижение и реализация потока энергии в автотранспортных средствах

Кроме перемещения объектов перевозки АТС выполняет функции сохранения и преобразования грузов, а также жизне­обеспечения.

Структура АТС представлена на рис. 4.1, где имена классов объектов приведены в традиционном описательном варианте, а для отображения системы отношений наследования и агрегации использованы обозначения UML. Автомобиль, автопоезд (АП), прицеп (полуприцеп) являются видами АТС. В то же время АП включает в себя автомобиль и прицеп. Автомобиль состоит из элементов (условно неделимых частей на данном уровне анализа системы): двигателя, трансмиссии, ходовой части, механизмов управления, кузова, электрического и специального оборудова­ния. При рассмотрении АТС выделяют и его компоненты (со­вокупности элементов, объединенных какой-либо комплексной функцией): силовой привод, силовую установку, силовой агре­гат и шасси. Энергосиловым будем называть элемент, преобра­зующий, передающий или поглощающий энергию.

Совокупность процессов возникновения, преобразования, продвижения, реализации потоков энергии в АТС с дизелем и управления ими представлена на рис. 4.2.

Для обеспечения определенной скорости движения и ус­корения АТС водитель регулирует подачу топлива, изменяя положение педали акселератора, оказывающей управляющее воздействие L_a через привод (ПР) на угол поворота рычага регулятора ТНВД (РТН). В соответствии с частотой вращения кулачкового вала, пропорциональной частоте вращения п_е ко­ленчатого вала (KB), РТН обеспечивает определенное положе­ние (ход) рейки ТНВД. Топливо поступает на вход ТНВД. Последний осуществляет цикловую подачу (в каждый цилиндр) дозированного количества топлива, зависящего от и а его избыток отводится в бак. Работа ТНВД сопровожда­ется шумом

Рис. 4.2. Схема возникновения, преобразования, продвижения, реали­зации потоков энергии и управления ими в АТС с дизелем:

—углеводороды топлива; — кислород воздуха; — отработавшие газы; ТН — топливный насос высокого давления; РТН — регулятор ТН; ПР — привод рычага — двигатель без РТН и ТН; С — сцепление; КП — коробка передач; — трансмиссия без сцепления и — ходовая часть без колес (несущая часть); — управляющие воздействия педали акселератора, воздушной заслонки, педали сцепления, рычага КП, рулевого колеса и тормозной педали; — угол поворота рычага РТН; ход рейки — цикловая подача топлива; крутящий момент, подводимый к трансмиссии; — момент на ведомом валу сцепления; — момент на Ведомом валу — момент на ободьях ведущих колес; — продольная сила воздействия движителя автомобиля на его несущую часть; — продольная сила воздействия несущей части прицепа на его колеса; — сила на крюке; — сила сопротивления воздуха для автомобиля (прицепа);

—мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха движению автомобиля (прицепа); — мощность, необходимая для ускорения вращающихся масс автомобиля (прицепа); — затраты мощности на качение по опорной поверхности колес автомобиля (прицепа);

—частоты вращения KB, ведомого вала сцепления, ведомого вала КП и ведущего колеса; — скорость и ускорение АТС; ПС — привод сцепления; РП — рулевой привод; ТП — тормозной привод;

—тепловые потери двигателя, сцепления, КП, трансмиссии без сцепления и КП, шин колес автомобиля (прицепа), несущей части автомобиля (прицепа) и кузова автомобиля (прицепа);

—шум, создаваемый ТН, двигателем, сцеп­лением, КП, трансмиссией без сцепления и КП, шинами колес автомобиля (прицепа), несущей частью автомобиля (прицепа) и кузовом автомобиля (при­цепа); — суммарная звуковая энергия, переходящая в теплоту возду­ха, для автомобиля (прицепа); потоки веществ; потоки механичес­кой энергии; -^— тепловые потоки; потоки звуковой энергии; уп­равляющие воздействия и сигналы обратной связи

В камере сгорания двигателя высвобождается энергия, доля которой по отношению к количеству теплоты, внесенной с топливом в цилиндр, оценивается индикаторным Применительно к полноразмерному двигателю (см. гл. 3)

Данный процесс характеризуется индикаторной мощностью кВт, и индикаторным удельным расходом топлива,

Энергия возвратно-поступательного движения поршней с помощью ЦПГ и КШМ преобразуется в энергию вращательно­го движения KBс маховиком. При этом теряется мощность и соответствующий КПД

В распоряжении потребителей энергии оказывается эффек­тивная мощность а эффективный КПД

эффективный удельный расход топлива,

Эффективные показатели определяются в стационарных стен­довых условиях. Для процесса эксплуатации характерно допол­нительное снижение мощности, связанное с ее затратами на при­вод вспомогательных агрегатов и потерями вследствие отклонения состояния двигателя и атмосферных усло­вий от стендовых, а также влияния Таким образом, мощность, подводимая к трансмиссии,

(4.1)

Двигатель выбрасывает ОГ, выделяет тепловую энергию и создает шум

Крутящий момент KBпередается на ведущие диски сцеп­ления и воспринимается ведомыми дисками. Мощность, рассе­иваемая дисками сцепления,

где — мощность на выходе сцепления,

Мощность поступает на вход КП. Функция КП — согла­сование нагрузки, обусловленной сопротивлением движению АТС, с характеристиками двигателя. Водитель осуществляет сту­пенчатое управление с помощью рычага КП. Работа КП со­провождается потерей мощности в связи с трением и ге­нерацией высокочастотных колебаний в зубчатых парах и под­шипниках, трением в уплотнениях и перемешиванием масла:

где — мощность на выходе

Далее поток энергии проходит карданную и главную переда­чи, а также ряд других звеньев оставшейся части трансмиссии Т*. Их работа сопряжена с трением в зубчатых парах, шарнирах, подшипниках и уплотнениях, перемешиванием масла, генера­цией высокочастотных колебаний в зубчатых парах, шарнирах и подшипниках, развитием и поглощением этих колебаний в валопроводах. Все эти процессы сопровождаются потерями мощности с выделением тепловой энергиии энергии

звуковых волн

где — остаток мощности, подводимый к ободьям ведущих колес,

Рабочий процесс отдельного колеса сложен: на него влияют характеристики шин, свойства дорожного полотна, нагрузки, крутящий момент, скорость движения, крутизна траектории по­ворота, сцепление с дорогой и другие факторы. Процесс, про­суммированный по всем колесам, сопровождается диссипацией энергии, связанной с деформацией и нагревом дороги и шин, а в конечном итоге — нагревом воздуха а также генерацией шума Он вызывает потери мощности

где — остаток мощности, подводимый к балкам мостов, — толкающее усилие со стороны ступиц.

Движитель соединен с несущей частью. Эта объединенная конструкция вызывает паразитную циркуляцию мощности в си­стеме трансмиссия — ходовая часть. Энергетически весомым яв­ляется колебательный процесс подвески.

Подвеска должна обеспечивать плавность хода рамы с кузо­вом, грузом и людьми в процессе движения автомобиля по не­ровной дороге, что возможно только при наличии колебаний неподрессоренной массы относительно подрессоренной. Эти колебания нужно непрестанно гасить. На демпфирование зат­рачивается энергия а работа элементовсопровождает­ ся шумом

Соответствующие потери мощности

где — остаток мощности, подводимый к раме автомобиля для формирования толкающего усилия

При исследовании движения АТС его распределенную систе­му масс заменяют материальной точкой, приписывая ей массу, скорость и ускорение. В эту точку (центр масс) перенесем тол­кающее усилие (опрокидывающим моментом пренебрежем), припишем ей скорость и ускорение Силу сопротивления воздуха приложенную в центре парусности, и силу на крю­ке (при наличии прицепа) также перенесем в центр масс автомобиля. Мощность необходима для преодоления автомобилем сопротивления воздушной среды (раздвигание и турбулизация слоев воздуха).

У

¹Диссипация (от лат. dissipatio — рассеяние) — переход части энергии упо­рядоченного процесса (например, трения) в энергию неупорядоченного про­цесса (например, в теплоту).

равнение баланса продольных сил в центре масс автомоби­ля запишем в виде

где — сила, обусловливающая ускорение автомобиля. Дл* обобщенной скорости выполняется баланс мощностей:

где — мощность, затрачиваемая на разгон автомобиля,

—мощности, необходимые для обеспече­ния ускорения поступательного движения автомобиля массой т. и раскручивания вращающихся деталей соответственно; мощность, поступающая на прицеп,

Баланс мощностей прицепа представим в следующем виде:

где — мощность, расходуемая на преодоление сопротивле­ния воздуха движению прицепа; — потери мощности, свя­занные с процессами, происходящими в подвеске прицепа

—мощность, затрачиваемая на качение колес прицепа, — мощность, необходимая для разгона прицепа, — мощности, обеспечивающие ускорение поступательного движе­ния прицепа массой и раскручивание его колес.

Шум агрегатов звеньев оказывает вредное физиологическое воздействие и, гасимый средой, наращивает et тепловую энергию.

При торможении АП с отсоединенным двигателем источни­ком энергии торможения являются тормозные пары, режим ра­боты которых регулирует водитель с помощью управляющегс воздействия Тормозные моменты на колесах преобразуютс* в продольные силы, направленные на балки мостов. Затем уси­лия передаются через подвески автомобиля и прицепа наш рамы. Схема продвижения потоков мощности аналогична рас­смотренной схеме передачи усилий.

Таким образом, наблюдается картина движения потоков, по­чти обратная той, которая характерна для схемы их движения iтяговом режиме. При работе ДВС в режиме тормоза-замедлите­ля поток мощности продвигается по пути, соответствующему основной схеме.

На повороте водитель контролирует движение АП с помощьк управляющего воздействия рулевого колеса рулевой привод (РП) передает усилие на управляемые колеса. Дополнительны* затраты энергии АТС в этом случае обусловлены работой сш трения, связанных с уводом колес.

Что касается обратных связей, то водитель управляет АТС сообразуясь с информацией о режимах агрегатов АТС, состоя­нии дороги и воздушной среды. Кроме того, водитель направляет энергоресурсы на обеспечение безопасности движения и сохранности грузов, а также на жизнеобеспечение: контролиру­ет освещение, сигнализацию, отопление, вентиляцию и холо­дильное оборудование.