Энергетика колесного движителя



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Энергетика колесного движителя



Структура сопротивления качению автомобиля.Колес­ный движитель преобразует крутящий момент подводимый к колесам, в продольное усилие приложенное к элементам подвески. Преобразующими элементами являются шины, через них передается воздействие от неровностей дороги на автомо­биль. Шины связывают упругую систему трансмиссии с систе­мой подрессоривания АТС. Поэтому потери в шинах зависят от множества взаимосвязанных свойств самих шин, трансмиссии, подвески и дороги, а сопротивление качению является функци­ей характеристик не только шин и дороги, но и АТС с его сис­темами подрессоривания и трансмиссией.

Мощность затрачиваемая на преодоление сопротивления качению АТС, обусловлена тремя факторами: гистерезисом уп­ругой деформации шин и дороги, внешним трением шин и дру­гих элементов движителя, а также пластической деформацией дороги (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Структура потерь качения колесного движителя

Гистерезисные потери, обусловленные упругой деформа­цией шин и дороги.Гистерезисные потери шин связаны с цик­лическим воздействием на их элементы, находящиеся в зоне контакта с дорогой:

· постоянной нормальной нагрузки Zcoстороны дороги;

· тангенциальной нагрузки X, вызываемой передаваемым крутящим моментом (тяговым или тормозным

· переменной нагрузки вследствие воздействия микро­рельефа дороги;

· боковой нагрузки Y, возникающей при повороте и крене.

Гистерезисные потери дороги обусловлены циклическим воз­действием на элементы ее полотна нормальной и касатель­ной сил .со стороны колеса.

Шина поглощает большое количество энергии в обратимой форме. Однако не вся энергия возвращается в фазе разгрузки деформированного фрагмента шины: часть ее, расходуемая на молекулярное и механическое трение в материалах, необрати­мо теряется. Для поддержания качения колеса необходимо по­полнять потери энергии, что и осуществляется приложением к оси колеса крутящего момента или толкающей силы. В конст­рукции шины около 30 % потерь энергии приходится на протек­тор и 70 % — на каркас.

Рис. 4.27. Упругие характеристики абсолютно жесткого (а), абсолютно эластичного(б) и эластичного(в) тел:Р — нагрузка;h — деформация;В — конечная точка нагружения

Абсолютно жесткое либо абсолютно эластичное колесо на абсолютно жесткой либо абсолютно эластичной дороге не ис­пытывает сопротивления качению. При абсолютно жестких колесе и дороге нагрузка Р не вызывает их деформацииh (рис. 4.27,а). У абсолютно эластичного тела при прекращении действия дефор­мирующих сил полностью восстанавливается форма (рис. 4.27,б). На практике, однако, реальному эластичному элементу соответ­ствует характеристика с петлей гистерезиса, изображенная на рис. 4.27,в.

Качение эластичного колеса по гладкой жесткой поверх­ности.Контакт колеса с гладкой жесткой поверхностью счи­тают плоским. Известны четыре вида радиуса колеса (рис. 4.28): три из них определяются геометрически, а один — кинематиче­ский — как отношение скорости поступательного движения ко­леса к его угловой скорости

Колесо преобразует вращательное движение в поступатель­ное с потерями мощности которые в случае и могут быть представлены в виде

где — мощность, подводимая к колесу, крутящий момент, приложенный к колесу; угловая скорость колеса; — мощность, передаваемая от колеса к автомобилю,

Силу X определим из схемы, выполненной на рис. 4.28, г, с учетом сноса равнодействующей нормальных реакций дорогиZ на величину плеча бесполезного момента сопротивления (по Кулону):

Тогда

Рис. 4.28. Свободный (а), статический (б), динамический (в) радиусы эластичного колеса и схема равномерного движения (г):

—нормальная нагрузка, — угловая скорость колеса; — крутящий мо­мент, приложенный к колесу;X — продольная составляющая реакции дорож­ного полотна;Z— равнодействующая нормальных реакций дороги; — снос реакцииZ; — скорость поступательного движения колеса

где момент и сила сопротивления качению колеса со-

ответственно.

В анализе используют коэффициент сопротивления качению шины

где — составляющая коэффициента характеризующая си­ловые потери, связанные со сносомас реакцииZ,

составляющая коэффициента характеризующая кине­матические потери, связанные со скольжением колеса

приводящим к уменьшению скорости движения автомо­биля Коэффициенты называют­ся соответственноэнергетическим, силовым {динамическим)икинематическим коэффициентами сопротивления качению. Величина определяет дополнитель­ный снос равнодействующей нормальных реакцийZ. С учетом того, что можно записать

где — силовые и кинематические составляющие силы момента и мощности сопротивления качению колеса.

При наличии на колесе крутящего момента всегда имеет ме­сто частичное скольжение колеса относительно полотна доро­ги. Это обусловлено разницей продольных напряжений в шине (в набегающей на контакт и уходящей ее частях). Поэтому при малой нормальной нагрузке элементы беговой дорожки еще до выхода из пятна контакта скользят в пятне, причем с увеличением доля скользящих элементов растет. Проскальзывание шин ведущих колес на сухом асфальтобетонном покрытии в крейсерском режиме достигает 2...Ъ%.

Изменение радиуса качения колеса в зависимости от кру­тящего момента при условном отсутствии скольжения подчиняется линейной зависимости

где радиус качения ведомого колеса; — коэффициент тангенциальной эластичности по крутящему моменту (при = 0 см. штриховую линию на рис. 4.29). Зависимость при наличии скольжения элементов шины представлена на рис. 4.29 сплошной линией. Аналогично используют формулу

где — коэффициент тангенциальной эластичности по окруж­ной силе.

Потери при упругом скольжении выражаются формулой

Коэффициент сопротивления качению служит измерите­лем потерь мощности в шине колеса. Он численно равен выра­женной в ваттах мощности, теряемой при качении колеса, ко­торое находится под действием нормальной нагрузки = 1 Н при скорости = 1 м/с. Из уравнений (4.21) и (4.22) следует, что причинами потери мощности являются, во-первых, продольный снос реакцииZ и, во-вторых, неравенство радиусов т.е. наличие

Физические процессы, обусловливающие снос и суще­ственность коэффициента описываются следующим обра­зом. При входе в контакт элементы шины деформируются в

Рис. 4.29. Зависимость радиуса качения колеса от крутящего мо­мента

условный радиус соответствующий отсутствию скольжения;

наблюдаемый радиус — скольжение колеса

радиальном направлении. Сжатие радиально ориентированных элементов происходит в набегающей области колеса до момен­та прохождения элементом вертикальной оси колеса. Затем в сбегающей области происходит их распрямление до нормально­го состояния.

На рис. 4.30 деформируемые элементы представлены в виде элементарных колебательных контуров, имеющих массу пружину (связывающую массу с ободом) жесткостью и демп­фер с коэффициентом демпфировании

Такой элементарный контур в течение каждого цикла рабо­ты рассеивает энергию. В каждом вовлекаемом в контакт ради­альном срезе колеса непрерывно происходят вынужденные ко­лебания с рассеянием энергии. Движение элемента описывает­ся уравнением

где — деформация; — ускорение и скорость массы

—коэффициент сопротивления; — элементарная реакция дороги.

Элементарные реакции в набегающей области больше, чем в сбегающей Эпюра реакций, показанная на рис. 4.30,

несимметрична относительно середины контакта: их равнодей­ствующая Z смещена на расстояние Плечо тем больше, чем больше коэффициент и скорость

Выделяют семь режимов качения колеса: ведущий, свобод­ный, нейтральный, ведомый, тормозной, юз и буксование. В ведущем режиме вся подводимая энергия расходуется на гистерезисные потери шины, работу сил внешнего трения шины о дорогу и вентиляционные потери. В свободном режи­ме подводимый момент используется только для качения коле­са. Для нейтрального режима характерны В ве­домом режиме В тормозном режиме к колесу подводится тормозной момент направленный в сторону, противоположную а накопленная кинетическая энергия АТС расходуется на трение шины о дорогу и гистерезисные потери в полотне дороги.

В зависимости от типа и состояния опорной поверхности, эластичности шины и режима качения колеса изменяются доли составляющих потерь. При качении ведомого колеса по асфаль­тобетонной дороге 90...95 % общих потерь — гистерезисные по­тери, 3...5 % — потери на трение шины об опорную поверхность, 2...3 % — потери на деформацию упругой поверхности, осталь­ное — аэродинамические потери вращающегося колеса. У веду­щего и тормозящего колес потери увеличиваются в результате трения в контакте [17].

Качение колеса по деформируемой опорной поверхнос­ти.При качении по деформируемой опоре контакт осуществля­ется по сложной поверхности. Наблюдаются потери на деформа­цию опоры, обусловливающие дополнительный снос реакцииZ.

Представим качение абсолютно жесткого колеса по опоре, для которой характерна лишь упругая деформация (рис. 4.31, а). Подминая поверхность, колесо вынуждено постоянно «выби­раться» из лунки, испытывая воздействие продольной составля­ющей равнодействующейZ элементарных нормальных реак­цийN. Эпюра элементарных нормальных сил в опорном слое соответствует его деформации: рост от краев лунки А: и я к кра­евым точкам ит пятна контакта с колесом и значительное увеличение нагрузки под пятном, причем со смещением равно-

Рис. 4.31. Схема сил, действующих на колесо при движении по дефор­мируемой опорной поверхности для случая =const:

качение абсолютно жесткого колеса по упругодеформируемой опоре; б — качение шины по мягкой опоре, подверженной упругопластической дефор­мации; /,т — краевые точки пятна контакта;к, п — краевые точки лунки; — глубина колеи в набегающей и выходящей части колеса; — снос реакцииZ; — дополнительный снос реакцииZ; — крутящий момент, приложенный к колесу действующейZна плечо и формированием коэффициента упругого сопротивления грунта

Деформация обычной шины при движении на мягкой доро­ге на 30...50 % меньше, чем на твердом покрытии [31]. Колесо, преодолевая силы, возникающие при упругопластической де­формации, продавливает колею глубиной (рис. 4.32,б), но после его прохождения упругие силы частично распрямляют полотно, уменьшая глубину колеи до величины Общее со­противление грунта качению может быть представлено суммой — коэффициент сопротивления сил пласти­ческой деформации грунта качению колеса.

И упругая, и пластическая деформация полотна дороги проис­ходит за счет энергии привода АТС. Общий коэффициент сопротив­ления качению можно представить в виде суммы

Взаимодействие колеса с твердым микрорельефом до­рожного покрытия.Сопротивление качению зависит от разме­ров и характера неровностей дороги, которые вызывают допол­нительную деформацию шины и затраты энергии. В табл. 4.5 приведены значения коэффициента сопротивления качению шины при скорости, близкой к нулю, для дорожных покры­тий различных типов.

Коэффициент для любого покрытия можно выразить че­рез значение для гладкого покрытия и добавку

Коэффициент сопротивления качению шины для любого по­крытия и микрорельефа изменяется пропорционально квадра­ту скорости' [28]:

где — коэффициент, зависящий от характеристик микро­рельефа.

.

Рис. 4.32. Характеристики колеса при боковой нагрузке:

а, б — формы пятна контакта и эпюры поперечных напряжений соответственно для неподвижного и движущегося колес;в — зависимость угла бокового увода от боковой реакции коэффициент сцепления

Потери в шине при наличии боковой нагрузки.Приложении к колесу боковой силы шина и пятно контакта теряют симметрию, и возникает боковая реакция (рис. 4.32,а Деформация новых участков шины приводит к перемещению плоскости колеса в направлении действия силы Колесо катится уже в направлении вектора его скорости подуглом бокового увода к плоскости вращения (рис. 4.32,б).

По мере удаления от входа в контакт напряженность элементов шины возрастает, в задней части площадки поперечные элементарные силы возрастают, и начинается проскальзывании элементов шины. При этом эпюра сил принимает форму, при веденную на рис. 4.32,б.

Характер зависимости угла от боковой реакции иллюстрирует рис. 4.32,в. При малых угол изменяется пропорционально Однако с ростом прогрессирует процесс скольжения, и зависимость становится нелинейной уже при угла; увода 2...4°.

Характеристикой бокового увода является коэффициент со­противления боковому уводу шины Величина за­висит от множества факторов. С ростом нормальной нагрузки

шина становится жестче и повышается. При увеличении тяговой силы сопротивляемость шин боковому уводу уменьша­ется. При возрастании тормозной силы она сначала повышает­ся, а затем падает.

При боковой нагрузке из-за увода, дополнительной деформа­ции и скольжения шины возрастают потери на ее качение. До­полнительный коэффициент сопротивления качению

где — удельная боковая сила, принято, что

Для шин автомобилей КамАЗ 260 —508Р, например, при на­грузке 2000 дан Нетрудно под­считать, что для этого автомобиля при нагрузке на переднее колесо = 2000 дан и угле его увода (0,1 рад) коэффи­циент сопротивления качению колеса увеличивается на величи­ну Это значение получено при

Влияние эксплуатационных и конструктивных факторов на сопротивление качению колеса.Зависимость радиуса колеса от давления воздуха в шине имеет вид [28]

где — свободный радиус при номинальном давлении воздуха; — константа для шин одной модели; — соответственно номинальное и текущее давления воздуха в шине. Для шин 260 —508 модели И-252Б = 519 мм, = 1,45

Нормальный прогиб шины в функции внутреннего дав­ления и нормальной нагрузки определяется по формуле

где — постоянный для данной шины коэффициент,

—нормальная нагрузка, даН; — атмосферное давление — давление воздуха в шине, [28].

Нормальная жесткость шины зависит от числа слоев корда в брекере, рисунка протектора, шага и угла наклона грунтозацепов и других факторов.

Оценка сопротивления качению колеса в ведомом режи­ме при на сухой плоской твердой поверхностив зависи­мости от давления и нагрузки носит базовый характер для представления всех других режимов колеса и условий дви­жения.

Известна формула [28]

где а, — постоянные для шин одной модели; величина вы­ражена в даН/см2.

Для разогретой шины 260 — 508 модели И-252Б, например, в условиях ее работы в составе задней тележки При

установке же ее на переднем мосту

Увеличение давления воздуха приводит к снижению потерь на качение шины по твердому основанию: повышается ее жест­кость и уменьшается радиальная деформация, что вызывает снижение гистерезисных потерь.

Зависимости сопротивления качению и энергозатрат от скорости движения монотонно возрастающие: гистерезисные потери с увеличением числа циклов нагружения возрастают в большей мере, чем уменьшаются из-за нагрева шины. Достаточ­ную для практики Точность обеспечивает формула

где — коэффициент при — скорость, м/с [17]. Применяется также модификация последней формулы:

где скорость выражена в км/ч. Тогда для шины 260 — 508 при

на скорости 80 км/ч в ведомом ре­жиме

Конструктивные параметры шины оказывают большое влияние на коэффициент и, следовательно, на количество по­глощаемой ею энергии.

Увеличение толщины протектора повышает коэффициент, особенно у диагональных шин. При износе шин сопротивление качению падает (у полностью изношенных — на 20...25 %) [17].

Увеличение отношения ширины обода к ширине профиля шины иуменьшение* отношения высоты профиля шины к его ширине приводят к снижению коэффициента сопротивления качению.

Внутреннее строение каркаса шины оказывает влияние на коэффициент сопротивления качению. При коэффициент радиальных шин меньше, чем у диагональных, на 15... 20 %.

Увеличение диаметра колеса приводит к уменьшению коэф­фициента Чем больше размеры и число неровностей на до­роге и чем выше на таких дорогах скорость движения,, тем зна­чительнее влияние Диаметра колеса на коэффициент [31].

Увеличение ширины колеса на дорогах с твердым покрыти­ем незначительно повышает коэффициент но на деформиру­емых опорных поверхностях существенно снижает его. На АТС со сдвоенными колесами из-за неравномерного распределения нормальных нагрузок и крутящих моментов между шинами воз­никают дополнительные потери на качение.

Совершенствование качества резины позволяет снизить сопротивление качению. Около 60 % потерь на качение связа­но с гистерезисом резины. Разница в сопротивлении качению высоко- и низкогистерезисных резин может превышать 40 %.

Износ рисунка протектора снижает сопротивление каче­нию, особенно у диагональных шин. У шины с полностью из­ношенным рисунком сопротивление качению при скорости 130 км/ч меньше на 25 % по сравнению с сопротивлением но­вой шины [31].

Тепловые явления при работе шины.Шина при работе нагревается в результате трения в материалах шины и в плоско-

тангенциальной эластичности и как следствие — уменьшению гистерезисных потерь и сопротивления качению. На рис. 4.33 приведены экспериментально полученные зависимости двух параметров шины 260 — 508 от ее температуры [28].

Снижение сопротивления качению шины с учетом роста дав­ления в ней, сопровождающего прогрев шины, существенно. Например, у шины 1220x400—533 при прогреве ее от 20 до 100 °С сопротивление качению снижается за счет уменьшения гистерезисных потерь на 26%, за счет прироста давления воз­духа — на 10 %, а всего — на 36 % [28].

Общие энергозатраты колесного движителя.Суммарные энергозатраты колесного движителя обусловлены сопротивле­нием качению колес, затратами мощности на колебания АТС и ее дополнительными потерями, возникающими на повороте.

Сопротивление качению и затраты мощно­сти на колебания ATС. Работа шин в системе движи­теля сопровождается дополнительными затратами мощности, вызываемыми неодинаковыми условиями работы шин, нерав­номерным распределением крутящих моментов по колесам и колебаниями АТС. Под силой сопротивления качению ТС под­разумевают потери силы при качении всех колес, приведенные к условной силе, действующей в направлении, противополож­ном движению ТС [28]:

где — сила сопротивления качению колеса; — нор­мальная нагрузка на колесо; — коэффициент сопротивле­ния качению колеса.

Потери на качение шин в составе движителя оценивают еди­нообразно — обобщенным коэффициентом сопротивления ка­чению АТС

где — вес автомобиля.

После замены отдельных значений осредненным имеем

Кроме сил деформации и скольжения в контактных зонах колес с дорогой имеются силы, вызываемые колебаниями колес, а также циркуляцией мощности. Эти дополнительные силы не­прерывно изменяются по величине и направлению, но в сред­нем их сумма всегда приводит к увеличению мощности по­терь на величину что может быть учтено соответству­ющим увеличением коэффициента

При средних скоростях движения на изношенном асфальто­вом шоссе составляют 5...10 %, на ровном бу­лыжнике — 30...50 %, на хорошей грунтовой дороге — 10...30 % значений

Например, при движении КамАЗа по асфальтобетонному шоссе с сильно разжиженным битумом = 0,019, а по сухой грунтовой накатанной степной дороге = 0,032 [28].

Энергия АТС при движении по неровной дороге затрачива­ется как на преодоление основной горизонтальной составляю­щей реакции дороги, так и на возбуждение колебаний подрес­соренных и неподрессоренных масс. Это потери в амортизато­рах рессорах и шинах [28].

Влияние поворота. При боковой нагрузке на АТС углы увода шин могут отличаться. Тогда для расчета силового балан­са АТС используют приведенный коэффициент например,

где L — база,а и b — расстояния от центра масс автомобиля до осей [17]. Дополнительная состав­ляющая коэффициента сопротивления качению АТС определяется по формуле (4.23) с учетом На рис. 4.34 приведена зависимость коэффициента сопротивления качению грузово­го автомобиля от скорости и радиуса кривизны траектории дви­жения [28].

Общий КПД силовой установки.КПД силовой установки (СУ) ТС, содержащей двигатель, трансмиссию и движитель,

где сомножители в правой части уравнения представляют собой соответствующие

Таблица 4.6 КПД преобразователей энергии

среднеэксплуатационные значения КПД, ре­ализуемые на множестве эксплуатационных режимов. В табл. 4.6 приведены диапазоны значений КПД СУ и ее элементов легко­вых и грузовых автомобилей, а также для сравнения — КПД других ТС [14].



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.236.232.99 (0.017 с.)