Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Автомобили

ВНЕШНИЕ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА АВТОМОБИЛЬ. ТЯГОВЫЙ БАЛАНС

Во время движения автомобиля при взаимодействии со средой (дорогой и воздухом) возникают силы и моменты сопротивления. Эти силы называют внешними силами. Они оказывают существенное влияние на динамику и топливную экономичность автомобиля.

На рис. 15.2, а показана схема сил, действующих на ведомое колесо, оборудованное пневматической шиной, при движении по твердой горизонтальной поверхности. На колесо действуют: сила тяжести Gn — часть веса машины, приходящаяся на колесо, включая вес самого колеса; Fn — толкающая реакция корпуса машины; Yn

Схемы сил, действующих на ведомое {а), ведущее

Рис. 15.2. Схемы сил, действующих на ведомое {а), ведущее (б) колеса, оборудованные пневматическими шинами, при установившемся движении равнодействующая нормальных реакций дороги на опорную часть колеса; Хп — равнодействующая горизонтальных реакций дороги. Динамический радиус колеса гп расстояние от оси до точки приложения сил Y и X.

П П

При неравномерном движении машины возникает инерционный момент

где 1п момент инерции колеса; ±dmn/dt — ускоренное или замедленное вращение колеса. При набегании колеса на неровности опорной поверхности в элементах шины повышается давление и они деформируются. Затем, после прохождения вертикальной плоскости оси колеса, эти части шины разгружаются, постепенно их давление на дорогу уменьшается и шина восстанавливает свою форму, частично отдавая свою энергию сжатия на вращение колеса. В материале шины от внутреннего трения возникают гистерезисные потери энергии, вызывающие нагрев шины. На величину этих потерь оказывают влияние многие факторы: нагрузка на колесо; давление воздуха в шине; материал шины; число слоев корда. Чем эластичнее материал шины, тем меньше гистерезисные потери энергии.

Давление в контакте шины с дорогой можно представить в виде эпюры элементарных нормальных реакций почвы на опорную часть шины, центр тяжести которой смещен вперед по ходу колеса на величину ап («вынос») от вертикальной оси симметрии колеса. В этой точке приложены равнодействующие нормальных Yn и горизонтальных Хп реакций дороги на опорную часть колеса.

При рассмотрении равномерного движение колеса можно видеть, что возникает момент сопротивления качению М^ = Ynan = Gnan, который тем больше, чем больше «вынос» ап. Момент сопротивления качению равен моменту от пары сил Fn и Хп, т.е. Fn = Xn = Gnan/rn. Вращение ведомого колеса происходит под действием этой пары сил, уравновешиваемой при равномерном вращении моментом сопротивления качению. Сила Хп является силой сопротивления качению, а отношение ajrn =/— это приведенный коэффициент сопротивления качению.

Силу сопротивления качению как сумму сил сопротивления качению для всего автомобиля на горизонтальной дороге принимают равной

Вращение ведущего колеса (рис. 15, б) происходит под действием ведущего момента, подводимого через трансмиссию от двигателя:

где Мк вращающий момент двигателя; / — передаточное число трансмиссии; Г|м — КПД трансмиссии.

От действия ведущего момента в контакте колеса с дорогой образуется горизонтальная реакция дороги, действующая в направлении движения машины и вызывающая ее движение. Эту силу называют толкающей силой (или касательной силой тяги) — Р . На ведущее колесо также действуют силы: FK — горизонтальная реакция остова машины; Ук и Хк соответственно вертикальная и горизонтальная равнодействующие реакций дороги, точка приложения которых смещена на величину ак («вынос») вперед по движению колеса Динамический радиус — гк. По аналогии с рассмотренным ведомым колесом

>Х = *А-

Силы и моменты, действующие на автомобиль, в общем случае его движения рассматривают на схеме автомобиля, находящегося на уклоне (рис 15.3). В месте контакта колес с дорогой приложены нормальные реакции дороги на них. Силу сопротивления воздуха Р прикладывают в центре поперечного сечения. В центре тяжести с координатами: а — продольная координата; И — поперечная координата — прикладывают силы, обусловленные инерцией машины. Расстояние между осями L — база автомобиля. Силу тяжести Са раскладывают на две составляющие: продольную (к направлению движения) — (/asina и перпендикулярную дороге — Cacosa.

Схема внешних сил, действующих на автомобиль при неустановившемся движении на подъеме

Рис. 15.3. Схема внешних сил, действующих на автомобиль при неустановившемся движении на подъеме

Внешние силы разделяют на три группы: движущие силы, силы сопротивления движению и нормальные реакции дороги на колеса автомобиля.

Движущей силой является касательная сила тяги Рк продольная реакция дороги на ведущие колеса автомобиля, действующая в направлении его движения. Образуется Рк при передаче энергии двигателя на ведущие колеса и в результате взаимодействия их с дорогой. Вращающий момент на ведущих колесах

где Мк вращающий момент двигателя; / — передаточное число трансмиссии; т|м — механический КПД трансмиссии.

Тогда касательная сила тяги

С другой стороны, движущая (касательная) сила зависит от сцепления колеса с дорогой:

где ф — коэффициент сцепления колеса с дорогой; Gc — сцепной вес — сила тяжести, приходящаяся на колесо.

Поэтому всегда нужно помнить, что есть сила, которую может развить двигатель, Ркм, а есть сила, которую может обеспечить колесо, Рк(р. Для нормальной работы колеса нужно, чтобы

иначе возникает пробуксовывание колеса, а это приведет к потере энергии, быстрому износу шины.

Вращающий момент на коленчатом валу при установившемся движении равен моменту сил сопротивления на колесах, приведенному к этому валу (действие равно противодействию). На переходных режимах (режимах изменения скорости) возникает дополнительный инерционный момент, передаваемый на трансмиссию:

где Мс средний момент сопротивления на валу двигателя; 1тмомент инерции вращающихся масс, приведенных к маховику двигателя; — угловое ускорение вала двигателя.

Механическая трансмиссия состоит из различных редукторов, состоящих из зубчатых колес. Основной их характеристикой является передаточное число — отношение частоты вращения на входе в механизм к частоте вращения на выходе из него. Суммарное передаточное число трансмиссии равно произведению передаточных чисел отдельных механизмов:

где — передаточные числа соответственно коробки

передач, делителя передач, раздаточной коробки, главной передачи, бортового редуктора (если все они присутствуют в данной конструкции).

КПД механической трансмиссии оценивает потери энергии на трение в зацеплении зубчатых колес, в подшипниках, сальниках, а также от разбрызгивания масла в корпусах механизмов. Его значение зависит от типа и числа пар зубчатых колес, находящихся в зацеплении при работе на данной передаче, типа и конструкции подшипниковых опор и самоподжимных манжет уплотнений, сорта, количества и температуры трансмиссионного масла, частоты вращения валов. В расчетах КПД механической трансмиссии определяют, используя эмпирическую зависимость

где — КПД, оценивающие потери энергии в зацеплении соответственно цилиндрической и конической пары зубчатых колес; я , як — число пар соответственно цилиндрических и конических зубчатых колес в зацеплении; — коэффициент, учитывающий потери энергии на холостом ходу.

При температуре трансмиссии 40—60 °С ?, = 0,03—0,05. КПД механической трансмиссии автомобилей находится в пределах т| = = 0,87—0,93.

Силы сопротивления движению. Сопротивление качению при движении на подъем

где/ — коэффициент сопротивления качению, который изменяется в зависимости от дорожного покрытия, радиуса и состояния пневматических шин в пределах от/= 0,015—0,02 для асфальтобетонного покрытия до/= 0,06 для грунтовой дороги; ос — угол наклона дороги.

При движении на подъем или на спуске возникает составляющая силы тяжести Р. - ±6? sin ос, она имеет знак «+» при движении на подъем (сила сопротивления движению) и «-» — при движении на спуске (активно действующая сила).

Для дорог с небольшим уклоном (ос = 0) можно принять cos ос ~ 1, a sin ос ~ tga = /', где / = h/L — коэффициент подъема, равный отношению высоты подъема h к длине подошвы подъема L — «заложению». Если коэффициент подъема умножить на 100, то получим значение подъема в процентах, которое обычно указано в знаках дорожной обстановки. Для дорог с небольшими уклонами допустимо принять сопротивление качению Р^=fG&, а сопротивление подъема Р. = ±/(7аи вводится понятие о суммарном дорожном сопротивлении:

где (/ = /+ iкоэффициент суммарного дорожного сопротивления.

При неравномерном движении автомобиля возникают инерционные силы. Их равнодействующую прикладывают в центре масс автомобиля. Инерционные силы от поступательно движущихся масс определяют как

где та — масса автомобиля, кг; g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с2; j — линейное ускорение автомобиля, м/с2.

При ускоренном движении эти силы сопротивления движению входят со знаком «+», при замедлении движении являются активно действующими силами и входят в уравнение со знаком «-».

Указанное уравнение отражает действие только поступательно движущихся масс. В действительности одновременно действуют инерционные силы от вращающихся масс двигателя, трансмиссии и колес автомобиля. На основе закона о сохранении энергии их действие приводится к центру масс автомобиля и учитывается в уравнении инерционных сил введением коэффициента учета вращающихся масс 5вр. Коэффициент 8вр показывает, во сколько раз условная поступательно движущаяся масса автомобиля больше действительной. Его определяют по формуле

Из этой формулы видно, что коэффициент учета вращающихся масс зависит в квадрате от передаточного числа коробки передач. Тогда суммарное действие приведенных к центру тяжести инерционных сил определяют

Так как автомобиль движется в воздушной среде, обладающей определенной плотностью, то при его работе возникает сила сопротивления воздуха. Определяют силу сопротивления воздуха, используя выражение из аэродинамики зоо

где р — плотность воздуха, находится в пределах 1,24—1,29 кг/м3; сх коэффициент обтекаемости, зависит от поперечного сечения и формы машины. Определяют сх опытным путем. Его значение находится в пределах сх = 0,2—0,30 для легковых автомобилей; сх = 0,60— 0,90 для грузовых автомобилей; F& площадь парусности (площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля); va — скорость автомобиля. Учитывая, что плотность воздуха мало изменяется на уровне 1—2 м от земли, произведение рсх принимают в качестве коэффициента сопротивления воздуха kw = рсх. Тогда, сила сопротивления воздуха равна

Эту силу прикладывают с небольшим допущением в центре тяжести.

Проектируя все силы, действующие на автомобиль в продольной вертикальной плоскости, получаем уравнением тягового баланса в общем виде:

Оно показывает, что при работе автомобиля сумма сил сопротивления преодолевается касательной силой тяги.

В развернутом виде уравнение тягового баланса (при движении на уклоне)

При установившемся движении на ровной дороге уравнение тягового баланса имеет вид

Нормальные реакции дороги на колеса автомобиля относятся к группе внешних сил. Они создаются действием силы тяжести автомобиля на опорную поверхность и приложены к колесам перпендикулярно поверхности пути. Сумма нормальных реакций, действующих на передние и задние колеса, равна (при отсутствии прицепа) поперечной составляющей силы тяжести, т.е.

где Yn и YK — соответственно нормальные реакции дороги на передние и задние колеса.

Значения нормальных реакций не остаются постоянными, а меняются в зависимости от конструктивных и эксплуатационных фак-

торов. Нормальные реакции на передние колеса определяют, составив уравнение вращающих моментов относительно точки 02:

где L, a, h — база, продольная и вертикальная координаты центра масс.

С небольшими допущениями (не учтено небольшое значение момента сопротивления качению) находим значения нормальных реакций. Нормальные реакции на передние колеса

Если то имеем тогда нормальные

реакции на задние колеса

Из приведенных формул видно, что нормальные реакции зависят от конструктивных параметров автомобиля: базы, координат центра тяжести и условий движения, угла подъема дороги, неравномерности движения, скорости автомобиля. Для представления о том, как распределяются нормальные реакции между передними и задними колесами в различных условиях движения, и возможного сравнительного анализа нагрузки на оси автомобилей вводятся коэффициенты нагрузки.

Коэффициенты нагрузки соответственно передних и задних колес в статическом положении:

Для автомобилей, груженных в соответствии с их номинальной грузоподъемностью и равномерным распределением веса по платформе, в статическом положении = 0,7—0,75. Для машин высокой проходимости 4x4 предпочтительно иметь Хк = 0,5—0,55.

При различных режимах движения — скорости и нагрузки — значения Уп и YK влияют на устойчивость, управляемость и тормозные качества автомобиля.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы