Лекция 6. Тягово скоростные свойства автомобиля

План лекции

6.1. Тяговая сила и тяговая характеристика автомобиля

6.2. Тяговая характеристика автомобиля с дополнительной

коробкой передач

6.3. Скорость и ускорение автомобиля

6.4. Реакции дороги, действующие при движении на колеса автомобиля

6.5. Сила и коэффициент сцепления колес автомобиля

с дорогой

6.1. Тяговая сила и тяговая характеристика автомобиля

Тяговой силой называется отношение крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес автомобиля. Это толкающая ав­томобиль сила, которая передается от ведущих колес к несущей системе (рама, кузов). При увеличении тяговой силы на ведущих колесах автомобиль может развивать большие ускорения, преодо­левать более крутые подъемы, буксировать прицепы большей массы и иметь лучшие тягово-скоростные свойства.

Рекомендуемые материалы

Тяговая сила определяется экспериментально при испытаниях автомобиля или расчетным путем с использованием внешней ско­ростной характеристики двигателя по формуле

(6.1)

Из выражения (6.1) следует, что максимальное значение тя­говой силы ограничено, поскольку оно определяется максималь­ными значениями момента двигателя М_е и передаточного числа трансмиссии щ. Тяговая сила ограничена также вследствие дей­ствия силы сцепления между ведущими колесами и дорогой.

Рис. 6.1. Тяговая характерис­тика автомобиля со ступен­чатой коробкой передач: I — IV — передачи

Рис. 6.2. Тяговые характеристики автомо­билей с бесступенчатой (а) и гидромеха­нической (б) коробками передач: I, II — передачи

Изменение тяговой силы на ведущих колесах показывает тяго­вая характеристика автомобиля (рис. 6.1) — зависимость тяговой силы от скорости движения на различных передачах.

Характер изменения тяговой силы на ведущих колесах зависит от типа коробки передач в трансмиссии автомобиля. Так, меха­ническая ступенчатая коробка передач обеспечивает ступенча­тое изменение тяговой силы (см. рис.6.1), бесступенчатая — плав­ное (рис. 6.2, а), а гидромеханическая — и плавное, и ступенчатое (рис. 6.2, б).

6.2. Тяговая характеристика автомобиля с дополнительной коробкой передач

Представленная на рис. 6.1 тяговая характеристика соответствует автомобилю ограниченной проходимости с колесной формулой 4 х 2, в трансмиссии которого установлена только механическая ступенчатая коробка передач и отсутствует дополнительная ко­робка передач. Однако в трансмиссии полноприводных автомоби­лей, тяжелых грузовых автомобилей и автомобилей-тягачей, ра­ботающих с прицепами и полуприцепами, кроме основной уста­навливают еще и дополнительные коробки передач: делитель, демультипликатор или раздаточную коробку. Они позволяют улуч­шить тягово-скоростные свойства, повысить проходимость и топ­ливную экономичность автомобиля.

Делитель (мультипликатор) представляет собой повышающую коробку передач. Он устанавливается перед основной коробкой передач и увеличивает число ее передач в 2 раза. Обычно он имеет две передачи: прямую с передаточным числом и = 1 и повышаю­щую с и < 1.

Рис. 6.3. Тяговые характеристики автомобилей с дополнительными коробками передач:

а — с делителем; б — с демультипликатором; I—IV — передачи;----------вклю­чена повышающая передача;----------включена понижающая передача

Тяговая характеристика автомобиля с делителем представлена на рис. 6.3, а, где штриховыми линиями показано изменение тя­говой силы на ведущих колес автомобиля при включенной по­вышающей передаче делителя. Из рисунка видно, что делитель не увеличивает передаточные числа коробки передач и тяговую силу на ведущих колесах, а только уменьшает разрыв между переда­точными числами соседних передач и расширяет диапазон пере­дач и значений тяговой силы.

Демультипликатор является понижающей коробкой передач. Он устанавливается за основной коробкой передач и увеличивает в 2—3 раза ее передаточные числа и количество передач. Он имеет две или три передачи: прямую с передаточным числом и = 1 и понижающие с и > 1.

На рис. 6.3, б приведена тяговая характеристика автомобиля с демультипликатором. Штрих-пунктирными линиями показано из­менение тяговой силы при включенной понижающей передаче демультипликатора. Из тяговой характеристики следует, что де­мультипликатор увеличивает передаточные числа и количество передач, а также значения тяговой силы на ведущих колесах авто­мобиля, существенно расширяя их диапазон.

Раздаточная коробка представляет собой понижающую короб­ку передач. Она устанавливается в трансмиссии полноприводных автомобилей и увеличивает передаточные числа и количество пе­редач коробки передач, а также тяговую силу на ведущих колесах автомобиля. В автомобилях со всеми ведущими колесами раздаточ­ная коробка выполняет функции демультипликатора.

Тяговая характеристика автомобиля с раздаточной коробкой при включенной понижающей передаче раздаточной коробки имеет такой же вид, как у автомобиля с демультипликатором (см. рис. 6.3, б).

6.3. Скорость и ускорение автомобиля

Линейную скорость колеса, м/с, можно определить с помо­щью выражения

где r_к — радиус колеса, м;

_к — угловая скорость колеса, рад/с.

Скорость автомобиля при его прямолинейном движении равна линейной скорости колеса, т.е. v = v_K.

Так как скорость автомобиля v обычно выражается в км/ч, а скорость колеса v_K — в м/с, то для получения скорости автомо­биля v в км/ч необходимо ввести переводной коэффициент 3,6. С учетом этого коэффициента скорость автомобиля, км/ч:

Аналогично при прямолинейном движении ускорение автомо­биля равно линейному ускорению колеса:

 (6.2)

6.4. Реакции дороги, действующие при движении на колеса автомобиля

При движении автомобиля его колеса могут катиться в различ­ных режимах: тяговом, ведомом и тормозном. При этих режимах качения со стороны дороги на колеса действуют силы, называе­мые реакциями. Для определения их величины рассмотрим каче­ние колеса автомобиля по жесткой (недеформируемой) дороге. Схема сил, действующих в этом случае на ведущее колесо, пред­ставлена на рис. 6.4.

Силы Р_х и P_z и момент М' действуют на колесо со стороны автомобиля. Силы R_x и R_z действуют на колесо со стороны дороги и представляют собой ее реакции.

Рис. 6.4. Силы, действу­ющие на ведущее колесо при качении по недефор-мируемой дороге: О — центр колеса

Рассмотрим указанные силы и момент.

P_z — вертикальная нагрузка на коле­со, направленная вниз перпендикулярно поверхности дороги.

Р_х — продольная сила, параллельная поверхности дороги. В зависимости от ре­жима качения колеса она может быть на­правлена как в сторону движения авто­мобиля, так и в противоположную.

М' — момент, подводимый к колесу от полуоси или тормозного барабана (тор­мозного диска). Иногда момент может быть равен нулю (не подводится к коле­су). Момент считается положительным, если его направление совпадает с направ­лением вращения колеса, и наоборот.

R_z — нормальная реакция дороги, направленная вверх перпенди­кулярно поверхности дороги. Точка приложения нормальной реак­ции смещена относительно оси колеса на некоторую величину а_ш из-за большей деформации шины в набегающей на дорогу части, чем в сбегающей с дороги. Это подтверждает эпюра элементарных сил, действующих в месте контакта колеса с дорогой, для кото­рых нормальная реакция является результирующей силой.

R_x — касательная реакция дороги. Это сила, которая действует в плоскости дороги и в зависимости от режима качения колеса мо­жет быть направлена в сторону движения автомобиля или в про­тивоположную. Касательная реакция считается положительной, если она направлена в сторону движения, и наоборот.

Составим уравнение моментов относительно оси колеса:

 (6.3)

где j_к — момент инерции колеса относительно оси вращения. Из выражения (6.3) находим касательную реакцию дороги:

Обозначим отношение   символом f и, выразив величину

- с помощью формулы (6.2)  через ускорение автомобиля j,

Для касательной реакции дороги получим в общем случае (при любых режимах качения колеса)

 (6.4)

Рассмотрим типичные режимы качения колеса.

Тяговый режим характерен для ведущего колеса. Момент М' подводится к колесу через полуось, и направление момента со­впадает с направлением вращения колеса. В этом случае момент называется крутящим. Подставляя в выражение (6.4) вместо М' выражение для крутящего момента М_к, подводимого к ведущим колесам, для ведущего колеса получим

где— тяговая сила.

Для ведущего колеса касательная реакция R_x > 0. Следователь­но, она направлена в сторону движения, как показано на рис.6.4.

Ведомый режим характерен для ведомого колеса. Момент М' к колесу не подводится, и, следовательно, он равен нулю. Для ве­домого колеса касательная реакция дороги

Знак «-» показывает, что у ведомого колеса касательная реак­ция дороги направлена против движения (рис. 6.5, а).

Рис. 6.5. Силы, действующие на ведомое (а) и тормозящее (б) колеса

при качении по недеформируемой дороге:

О — центр колеса

Тормозной режим является характерным для тормозящего ко­леса (ведущего, ведомого). Момент М' подводится к колесу от тормозного барабана или тормозного диска и направление его про­тивоположно направлению вращения колеса. В этом случае мо­мент называется тормозным (М_тор). Подставив в выражение (7.4) вместо М' тормозной момент   (М' = -М_тор), для тормозящего ко­леса получим

Знак «-» свидетельствует о том, что у тормозящего колеса каса­тельная реакция дороги направлена против движения (рис. 6.5, б).

6.5. Сила и коэффициент сцепления колес автомобиля с дорогой

Значение тяговой силы, необходимой для движения, ограни­чено вследствие действия силы сцепления колес с дорогой.

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

Сила сцепления

Р_сц = R_zφ,

где R_z — нормальная реакция дороги; φ — коэффициент сцепле­ния.

Равномерное качение колеса без скольжения и буксования воз­можно только при выполнении условия Р_Т < Р_сц Если тяговая сила

больше силы сцепления (Р_т > Р_си), то автомобиль движется с про­буксовкой ведущих колес. Это происходит, например, тогда, ког­да при движении по сухой дороге он попадает на участок со скольз­ким покрытием. Если же автомобиль стоял на месте, то не только движение, но и его трогание с места невозможны.

Коэффициент сцепления. Этот коэффициент во многом опре­деляет значение силы сцепления. В зависимости от направления скольжения колеса относительно поверхности дороги различают коэффициенты продольного φ _х и поперечного φ _у сцепления. Эти коэффициенты зависят от одних и тех же факторов, и можно счи­тать, что они практически равны (φ _х = φ _у).

На коэффициент продольного сцепления ц>_х оказывают влия­ние многие конструктивные и эксплуатационные факторы. Он определяется экспериментально. Ниже приведены средние зна­чения ф_х для различных дорог и состояний их поверхности:

                                                                 Сухое       Мокрое

Асфальтобетонное шоссе...................  0,7...0,8     0,35...0,45

Дорога с щебенчатым покрытием ....  0,6...0,7      0,3...0,4

Грунтовая дорога................................  0,5...0,6      0,2...0,4

Снег.....................................................      0,2             0,3

Лед........................................................      0,1             0,2

Рассмотрим, как влияют различные конструктивные и эксплу­атационные факторы на коэффициент продольного сцепления.

Тип и состояние покрытия дороги. На сухих дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления имеет наибольшее значение, так как в этом случае он обусловливается не только трением сколь­жения, но и межмолекулярным взаимодействием материалов ко­леса и дороги (механическим зацеплением). На мокрых дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления существенно уменьшается (в 1,5 — 2 раза) по сравнению с сухими дорогами, так как между колесом и дорогой образуется пленка из частиц грунта и воды. На деформируемых дорогах коэффициент сцепления зави­сит от внутреннего трения в грунте и сопротивления грунта срезу.

Рис. 6.6. Рисунки протектора шин:

а, б — дорожный; в, г — универсальный; д—з — повышенной проходимости

Рисунок протектора шины (рис. 6.6). Дорожный рисунок про­тектора обеспечивает наибольший коэффициент сцепления на дорогах с твердым покрытием, универсальный — на дорогах смешанного типа, а рисунок протектора повышенной проходимо­сти — в тяжелых дорожных условиях и по бездорожью. По мере изнашивания рисунка протектора значение коэффициента сцеп­ления уменьшается.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 19 Центроиды или подпорки.

Внутреннее давление воздуха в шине. При увеличении давле­ния воздуха в шине (рис. 6.7, а) коэффициент сцепления сначала возрастает, а затем уменьшается.

Рис.  6.7. Зависимости коэффициента сцепления от давления воздуха в шине (а), скорости движения (б) и вертикальной нагрузки на колесо (в)

Скорость движения. При увеличении скорости движения (рис. 6.7, б) коэффициент сцепления сначала возрастает, а по­том падает.

Нагрузка на колесо. Увеличение вертикальной нагрузки на ко­лесо (рис. 6.7, в) приводит к незначительному уменьшению ко­эффициента сцепления.

Коэффициент сцепления существенно влияет на безопасность движения. Его недостаточно высокое значение вызывает много­численные аварии и несчастные случаи на дорогах. Как показали исследования, по этой причине происходит 15% общего числа Дорожно-транспортных происшествий, а в неблагоприятные пе­риоды года — около 70 %. Исследованиями установлено, что для обеспечения безопасного движения значение коэффициента сцеп­ления должно составлять не менее 0,4.