Качественная картина диссипации энергии движущимся автотранспортным средством

При преобразовании и передаче энергии в АТС теряется ее значительная доля. Для уменьшения потерь нужно иметь пред­ставление о рабочих режимах всех энергосиловых элементов (ЭСЭ), а также закономерностях происходящих в них процес­сов и использовать эти знания для оптимального управления.

Начнем с того, что рабочий процесс ТС носит, как правило, неустановившийся характер. Непрестанная смена скоростных и нагрузочных режимов снижает эффективность использования энергии. Кроме того, отношение максимального значения дви­гателя к минимальному гораздо ниже отношения наибольшей скорости движения ТС к наименьшей. Для изменения скорост­ного режима в более широких пределах, чем это можно осуще­ствить изменением только режима работы двигателя, служит КП.

Каждый процесс преобразования передаваемой энергии со­провождается ее диссипацией, причем КПД зависит от текуще­го режима работы ЭСЭ. Для муфты сцепления при неполной блокировке характерны потери на трение дисков; главной пере­дачи и КП — на трение зубчатых пар и перемешивание масла; карданной передачи — на трение в шарнирах (во всех этих эле­ментах, а также в ступицах колес имеет место трение в подшип­никах); для подвески — трение трущихся поверхностей шарни­ров, листов рессор и жидкостное трение в амортизаторах.

Взаимодействие эластичного ко­леса с поверхностью дороги сопро­вождается различными видами по­терь энергии. Это потери на внут­реннее трение, связанное с дефор­мацией материала шины и покрытия дороги. Значительная доля энергии рассеивается в результате внешнего трения скольжения, возникающего в месте соприкосновения ведущего ко­леса с дорогой.

Картина преобразования энергии в цепи двигатель — трансмиссия-движитель—подвеска—корпус до­полняется колебательными процесами, вызываемыми дорожными неровностями. Эти процессы развиваются в колебательной системе АТС, включающей в себя упругоэластичные колеса, валопроводы трансмиссии, элементы подвески и кузов.

Колебательному процессу присуще явление гистерезиса¹— неполного возврата энергии в течение обратного полупериода колебательного цикла (рис. 4.3). Диссипация энергии определя­ется площадью фигуры.

Гистерезис, характерный для элементов ТС, связан с погло­щением значительной части энергии, поставляемой двигателем. В ходе исследований установлено следующее:

• движение ТС, являющееся в основном неустановившимся, с непрерывной сменой режимов, носит колебательный характер;
• большинство функциональных характеристик ЭСЭ и зако­нов взаимодействия ТС с внешней средой носит нелинейный характер;
• при любом процессе преобразования и передачи энергии от двигателя к корпусу ТС происходит ее диссипация;
• любые колебания — движущихся масс, скоростного и нагру­зочного режимов движения ТС, макро- и микропрофиля доро­ги, режима движения транспортного потока, грузопотока, пас­сажиропотока — сопровождаются гистерезисом с безвозвратны­ми потерями энергии.

Количественная оценка влияния колебаний параметров ЭСЭ на потери энергии требует привлечения аппарата теории коле­баний.

Энергетика колебательных процессов

Основные понятия колебательных процессов

Колебания. Виды колебательных систем. Связь между вектором состояния системы и вектором воздействий на нее описывается с привлечением оператора

(4.2)

Попеременное возрастание и убывание величины во време­ни представляет собой колебательный процесс или колебания. Система, способная совершать колебания, называется колебательной.

' Гистерезис (от гр. hysteresis — отставание) — явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, деформация U), неоднозначно зависит от физической величины (например, механического напряжения а), характеризующей внешние условия. Упругий гистерезис возникает всегда при пластической деформации.

Колебания в механических системах называются ме­ханическими.

Число независимых параметров, определяющих положение всех материальных точек системы, носит название числа сте­пеней свободы. Системы с бесконечным числом степеней сво­боды называются распределенными. Замена распределенной массы конечным числом сосредоточенных масс приводит к си­стеме с конечным числом степеней свободы.

Система называется линейной, если для любых законов из­менения ее состояния и любых множителей оператор является линейным:

Если статистические моменты параметров системы первого и второго порядков не изменяются на некотором отрезке вре­мени, то ее называют стационарной на этом отрезке (рис. 4.4), при их изменении — нестационарной.

Система называется автономной, если в выражении (4.2) (колебания за счет внутренних источников), и неавто­номной, если

Система является консервативной, если при колебаниях ее полная механическая энергия остается постоянной, и неконсер­вативной — в противном случае. Среди неконсервативных си­стем важное место занимают диссипативные, для которых пол­ная механическая энергия при любом движении системы убы­вает. Неконсервативная система носит название автоколеба­тельной, если она стационарна и автономна и в ней возможно самовозбуждение колебаний.

Колебания, совершаемые при отсутствии внешнего воздей­ствия и без поступления энергии извне, называются свободны­ми. Они происходят лишь в автономных системах. Колебания, вызываемые внешним воздействием, являются вынужденными. Они характерны для неавтономных систем. Колебания, обусловленные изменениями во времени параметров системы, на­зываются параметрическими.

Рис. 4.4. Процессы в стационарной (а) и нестационарной (б) системах: — момент первого порядка; — среднеквадратичное отклонение

Гармонические колебания. Колебания называются перио­дическими, если существует такая величина Т (период колеба­ний), что для любого момента времени t выполняется равенство и Отношение называется частотой колебаний, а величина — угловой частотой.

Простейшие периодические колебания — гармонические:

где А — амплитуда; — начальная фаза; — виброперемеще­ние.

Для гармонических колебаний скорость (виброскорость)

а ускорение (виброускорение)

Сумма нескольких гармонических колебаний называется по­лигармоническим колебанием. Оно представимо рядом Фурье

(4.3)

Слагаемое характеризует среднее значение колеблющей­ся величины, коэффициенты — компоненту с основной частотой со (первая гармоника), при следуют высшие гар­моники. Упорядоченная совокупность частот называется час­тотным спектром, а совокупность амплитуд, упорядоченных по частотам, — амплитудным спектром (рис. 4.5).

Среднее значение величины

а среднеквадратичное —

Квадрат среднеквадратичного значения пропорционален

энергии процесса или его средней мощности. Для процесса, опи­сываемого уравнением (4.3) с а₀ =0, справедлива формула

Вибрации и их оценка. Колебания с частотой более 17 Гц называют вибрацией. Так как параметры вибрации могут отли­чаться на несколько порядков, используют логарифмическую шкалу, принимая за уровень вибрации десятичный логарифм отношения измеряемой величины к ее стандартному значению. Логарифмическая единица измерения называется белом (Б), ее десятая часть — децибелом (дБ). Возрастание уровня на 1 Б оз­начает увеличение параметра в 10 раз, на 1 дБ — приблизитель­но в 1,26 раза.

Энергетические величины оценивают логарифмическим уров­нем

где — значение нулевого уровня. Если измеряются вибропе­ремещение, виброскорость или виброускорение, то логарифми­ческий уровень

где — нулевой уровень. Стандартное значение виброускоре­ния = 9,81 акустического давления —

Часто ось частот разбивают на октавные полосы, например, 22...44 Гц (первая полоса), 44... 88 Гц (вторая) и т.д. и вычисля­ют уровни вибраций по полосам.