Совокупность свойств, определяющих возможные по характеристикам двигателя и сцеплению ведущих колес с дорожным покрытием диапазоны изменения скоростей движения автомобиля и его максимальные ускорения разгона.

Анализ расчетных показателей тягово-скоростных свойств колесной машины позволяет определять предельные дорожные условия, в которых еще возможно движение автомобиля, а также оценивать возможность буксировки в конкретных дорожных условиях прицепа заданной массы. Решение обратной задачи - задачи синтеза - дает возможность определить конструктивные параметры автомобиля, которые позволят:

• · обеспечить заданные скорости движения и ускорения разгона в конкретных дорожных условиях;
• · преодолеть заданные подъемы и буксировку прицепа заданной массы.

В зависимости от соотношения деформаций колеса и опорной поверхности различают четыре вида взаимодействия колеса с дорогой:

• 1) качение жесткого колеса по жесткой (практически недеформируемой) поверхности (рис. 1.1, а);
• 2) качение эластичного колеса по недеформируемой поверхности (рис. 1.1, б);
• 3) качение жесткого колеса по деформируемой (податливой) поверхности (рис. 1.1, в);
• 4) качение эластичного колеса по деформируемой поверхности (рис. 1.1, г).

Рис. 1.1.

Первый из рассматриваемых случаев относится к варианту качения стального колеса трамвая или поезда по рельсовому пути и в теории автомобиля обычно не используется. Три остальных случая характеризуют взаимодействие колеса автомобиля с различными дорожными поверхностями. При этом наиболее типичным является второй случай, соответствующий движению колеса с эластичной шиной по дороге с твердым покрытием (асфальт, асфальтобетон, брусчатка). В реальной эксплуатации встречается также третий случай, когда автомобиль движется по свежевыпавшему снегу и деформации шины значительно меньше деформаций снежного покрытия, а также четвертый случай, когда автомобиль (колесный трактор) движется по податливым грунтовым дорогам.

На рис.1.2 показаны основные геометрические параметры автомобильного колеса и шины. Здесь - диаметр наибольшего окружного сечения беговой дорожки шины ненагруженного колеса;

Посадочный диаметр обода; - ширина профиля шины;

Высота профиля шины; - коэффициент высоты профиля шины.

Очень важным, с точки зрения теоретических расчетов, является правильный выбор радиуса качения автомобильного колеса.

Рис. 1.2

В теории качения эластичного колеса по твердой (недеформируемой) поверхности оперируют четырьмя основными радиусами.

Свободный радиус - радиус наибольшего окружного сечения беговой дорожки шины ненагруженного колеса (т.е. при отсутствии его контакта с поверхностью дороги).

Статический радиус - расстояние от центра неподвижного колеса, нагруженного вертикальной силой, до опорной поверхности (рис. 1.3)

где - коэффициент вертикальной деформации шины;

Для радиальных шин легковых автомобилей;

Для шин грузовых автомобилей и автобусов, а также для диагональных шин легковых автомобилей.

Коэффициент зависит от величины вертикальной нагрузки на шину и от давления воздуха в шине, при этом с увеличением нагрузки уменьшается, а с увеличением давления - увеличивается.

Динамический радиус - расстояние от центра катящегося колеса до опорной поверхности (рис. 1.4). На величину, точно также, как на, влияют вертикальная нагрузка на колесо и давление воздуха в шине. Кроме того, динамический радиус несколько увеличивается с ростом угловой скорости вращения колеса и уменьшается с ростом передаваемого колесом крутящего момента. Противоположное влияние и на изменение обусловило то, что для дорог с твердым покрытием часто принимают.

Радиус качения (кинематический радиус) - отношение продольной скорости колеса к его угловой скорости вращения:

Радиус качения сильно зависит от величины и направления передаваемого колесом крутящего момента и сцепных свойств шины с дорожным покрытием. Если не превышает 60% значения, при котором наступает буксование колеса или его юз, то эту зависимость можно считать линейной. При этом в ведущем режиме зависимость имеет вид:

а в тормозном режиме (т.е. когда меняет направление)

где - радиус качения колеса в ведомом режиме (когда);

коэффициент тангенциальной эластичности шины.

Радиус качения колеса в ведомом режиме определяется экспериментально путем прокатывания нагруженного заданной вертикальной нагрузкой колеса на 5?10 полных оборотов (оборотов) и замера его пути качения. Так как, то

Рассмотрим характерные случаи:

1. Ведомый режим:

Ситуацию иллюстрирует рис. 1.5, а. В этом случае:

2. Режим полного буксования (рис. 1.5, б).

(максимальный момент колеса по сцеплению с дорогой);

3. Режим юза (рис. 1.5, в).

Рис. 1.5. Радиусы качения колеса: а - ведомый режим; б - режим буксования; в - режим юза

Рассмотренные случаи показывают, что диапазон возможных значений радиуса качения автомобильного колеса в реальных условиях изменяется от нуля до бесконечности, т.е. Это хорошо иллюстрирует график зависимости от (рис. 1.6). Видно, что в диапазоне значений от до происходит некоторое увеличение практически по линейному закону. Для большинства шин при работе в указанном диапазоне передаваемых колесом моментов. В зонах от до и от до зависимость сложная нелинейная, при этом в первой зоне по мере увеличения передаваемого колесом крутящего момента резко устремляется к нулю (полное буксование), а во второй зоне по мере возрастания тормозного (отрицательного) момента величина быстро уходит в бесконечность (режим чистого скольжения без вращения, т.е. так называемый юз).

Рис. 1.6

Характерное для всех стран постоянное стремление к повышению скоростей движения автомобилей и возрастающая плотность транспортных потоков приводят к увеличению напряженности процесса управления транспортным средством, что в свою очередь создает условия для ухудшения ситуации с безопасностью движения. Одним из мероприятий, способствующих частичному решению проблемы повышения безопасности движения, является автоматизация управления автомобилем. В числе наиболее доступных и эффективных способов автоматизации, обеспечивающих упрощение и облегчение управления автомобилем в городских условиях движения, когда ручное переключение передач у обычных механических трансмиссий приходится производить каждые 15?30 с, наиболее перспективным считается применение автоматических трансмиссий.

На легковых автомобилях и автобусах наибольшее распространение получили гидромеханические автоматические трансмиссии. Гидромеханическая автоматическая трансмиссия или гидромеханическая передача (ГМП) - это сочетание не требующего вмешательства в свою работу гидродинамического устройства и механической коробки передач с автоматизированным процессом переключения .

Введение

Функциональные свойства определяют способность автомобиля эффективно выполнять свою основную функцию -- перевозку людей, грузов, оборудования, т. е. характеризуют автомобиль как транспортное средство. К этой группе свойств, в частности, относятся: тягово-скоростные свойства -- способность двигаться с высокой средней скоростью, интенсивно разгоняться, преодолевать подъемы; управляемость и устойчивость -- способность автомобиля изменять (управляемость) или поддерживать постоянными (устойчивость) параметры движения (скорость, ускорение, замедление, направление движения) в соответствии с действиями водителя; топливная экономичность -- путевой расход топлива в заданных условиях эксплуатации; маневренность -- способность движения на ограниченных площадях (например, на узких улицах, во дворах, паркингах);проходимость -- возможность движения в тяжелых дорожных условиях (снег, распутица, преодоление водных преград и т. п.) и по бездорожью; плавность хода -- способность движения по неровным дорогам при допустимом уровне вибровоздействия на водителя, пассажиров и на сам автомобиль; надежность -- безотказная эксплуатация, длительный срок службы, приспособленность к проведению технического обслуживания и ремонта автомобиля. Тягово-скоростные свойства автомобиля определяют динамичность движения, т. е. возможность перевозить грузы (пассажиров) с наибольшей средней скоростью. Они зависят от тяговых, тормозных свойств автомобиля и его проходимости -- способности автомобиля преодолевать бездорожье и сложные участки дорог.

Скоростные свойства автомобиля

Возможности автомобиля в достижении высокой скорости сообщения характеризуются скоростными свойствами. Показателем скоростных свойств является максимальная скорость. В соответствии с уравнением максимальной скорости на горизонтальном участке дороги соответствует равенство тяговой силы Р т сумме сил сопротивления качению Р к и сопротивления воздуха Р в. Для определения максимальной скорости автомобиля необходимо решить уравнение силового баланса. Графический способ его решения показан на рис. 1. На графике в координатах скорость V a -- тяговая сила Р т нанесены четыре кривые Р т для разных передач четырехступенчатой трансмиссии и кривая суммы сил сопротивления качению Р к и воздуха Р в.

Точка пересечения кривой изменения тяговой силы Р т на 4-й передаче с суммарной кривой сил сопротивления Р к + Р в определяет максимальную скорость автомобиля V max на горизонтальном участке.

При движении на подъем добавляется сила сопротивления подъему Р п, поэтому кривая Р к + Р в смещается вверх на величину силы сопротивления подъему Р пг. Максимальная скорость на подъеме V Пmах в нашем случае определяется точкой пересечения кривой изменения тяговой силы Р т на 3-й передаче с суммарной кривой сил сопротивления Р к + Р в + Р п.

Резерв тяговой силы res P T может быть использован на преодоление силы инерции Р и при разгоне: rеsР т = Р и = Р т - Р к - Р в.

Рис. 1.

Величина ускорения j x , м/с 2 , пропорциональна resP T и обратно пропорциональна массе автомобиля М а, умноженной на коэффициент k j учета вращающихся масс:

j x = res Р т /М а,k j

Изменение скорости автомобиля при разгоне показано на рис. 2. Продолжительность разгона характеризует инерционность автомобиля, которая пропорциональна постоянной времени разгона Т р. Величина Т р связана с максимальной скоростью V max . За время t = Т р автомобиль разгоняется до скорости V T , равной 0,63 V max .

Оказалось, что средняя скорость движения автомобилей в свободных условиях совпадает или близка к V T . Это можно объяснить следующим. Разница между максимальной скоростью V mах и текущей скоростью V a является резервом скорости, который водитель может использовать при выполнении обгонов. Когда скорость автомобиля превышает 0,63 V max , водитель начинает ощущать, что в случае необходимости он не может увеличить скорость с нужной интенсивностью. Поэтому резерв скорости res V без = V max -- V T является наименьшим безопасным резервом, a V T -- наибольшей безопасной скоростью в свободных условиях.

Рис. 2.

Максимальная скорость V mах, безопасная скорость V T и постоянная времени разгона Т р являются показателями скоростных свойств автомобиля. Безопасная скорость V T может служить ориентиром при выборе скорости автомобиля в условиях свободного движения. Значения V max , V T и Т р для разных моделей автомобилей приведены в табл. 1. Постоянная времени разгона Т р изменяется пропорционально изменению массы автомобиля. Поэтому интенсивность разгона грузового автомобиля и автобуса без нагрузки намного выше, чем с нагрузкой.

Таблица 1.

Показатели скоростных свойств транспортных средств (тс) различных категорий с полной массой

* Разрешенная максимальная масса 3,5...12 т.

* * Разрешенная максимальная масса более 12 т.

Выбег автомобиля происходит при переводе рычага переключения передач в нейтральное положение. Такое движение называют накатом. В этом случае сила инерции Р и является движущей силой уравнение принимает вид:

P и = M а j x = - Р К ± Р п - Р в

Разделив левую и правую части уравнения на М а, получим выражение для определения величины замедления при накате J н:

J н = (- Р К ± Р п - Р в) / M а

Из выражения видно, что чем больше масса автомобиля М а, тем меньше замедление и тем больше время движения накатом до остановки. Зависимость скорости V a от времени t при накате показана на рис. 3.

Рис.3.

Как можно видеть из графика, инерционность автомобиля при накате характеризуется постоянной времени наката Т н. Постоянные времени разгона Т р и наката Т н связаны между собой, так как зависят от массы автомобиля М а. Постоянная времени наката Т н примерно в 1,5 -- 2 раза превышает постоянную времени разгона Т р. Чем больше Т н, тем большую часть пути можно проезжать накатом, что имеет большое значение для снижения расхода топлива.

Тягово-скоростные свойства имеют важное значение при экс­плуатации автомобиля, так как от них во многом зависят его средняя скорость движения и производительность. При благоприятных тягово-скоростных свойствах возрастает средняя скорость, уменьшаются затраты времени на перевозку грузов и пассажиров, а также повышается производительность автомобиля.

3.1. Показатели тягово-скоростных свойств

Основными показателями, позволяющими оценить тягово-скоростные свойства автомобиля, являются:

Максимальная скорость , км/ч;

Минимальная устойчивая скорость (на высшей передаче)
, км/ч;

Время разгона (с места) до максимальной скорости t р, с;

Путь разгона (с места) до максимальной скорости S р, м;

Максимальные и средние ускорения при разгоне (на каждой передаче) j max и j ср, м/с 2 ;

Максимальный преодолеваемый подъем на низшей передаче и при постоянной скорости i m ах, %;

Длина динамически преодолеваемого подъема (с разгона) S j ,м;

Максимальная сила тяги на крюке (на низшей передаче) Р с , Н.

В
качестве обобщенного оценочного показателя тягово-скорост­ных свойств автомобиля можно использовать среднюю скорость непрерывного движенияср , км/ч. Она зависит от условий движе­ния и определяется с учетом всех его режимов, каждый из кото­рых характеризуется соответ-ствующими показателями тягово-ско­ростных свойств автомобиля.

3.2. Силы, действующие на автомобиль при движении

При движении на автомобиль действует целый ряд сил, кото­рые называются внешними. К ним относятся (рис. 3.1) сила тяже­сти G , силы взаимодействия между колесами автомобиля и доро­гой (реакции дороги) R Х1 , R х2 , R z 1 , R z 2 и сила взаимодействия ав­томобиля с воздухом (реакция воздушной среды) Р в.

Рис. 3.1. Силы, действующие на автомобиль с прицепом при движении: а - на горизонтальной дороге; б - на подъеме; в - на спуске

Одни из указанных сил действуют в направлении движения и являются движущими, другие - против движения и относятся к силам сопротивления движению. Так, сила R Х2 на тяговом режи­ме, когда к ведущим колесам подводятся мощность и крутящий момент, направлена в сторону движения, а силы R Х1 и Р в - про­тив движения. Сила Р п - составляющая силы тяжести - может быть направлена как в сторону движения, так и против в зависи­мости от условий движения автомобиля - на подъеме или на спуске (под уклон).

Основной движущей силой автомобиля является касательная реакция дороги R Х2 на ведущих колесах. Она возникает в результа­те подвода мощности и крутящего момента от двигателя через трансмиссию к ведущим колесам.

3.3. Мощность и момент, подводимые к ведущим колесам автомобиля

В условиях эксплуатации автомобиль может двигаться на раз­личных режимах. К этим режимам относятся установившееся движение (равномерное), разгон (ускоренное), торможение(замедленное)

и
накат (по инерции). При этом в условиях города про­должительность движения составляет приблизительно 20 % для ус­тановившегося режима, 40 % - для разгона и 40 % - для тормо­жения и наката.

При всех режимах движения, кроме наката и торможения с отсоединенным двигателем, к ведущим колесам подводятся мощ­ность и крутящий момент. Для определения этих величин рассмот­рим схему,

Рис. 3.2. Схема для определения мощ­ ности и крутящего момента, подво­ димых от двигателя к ведущим ко­ лесам автомобиля:

Д - двигатель; М - маховик; Т - транс­ миссия; К - ведущие колеса

представленную на рис. 3.2. Здесь N e - эффективная мощность двигателя; N тр - мощность, подводимая к трансмис­сии;N кол - мощность, подводимая к ведущим колесам; J м - мо­мент инерции маховика (под этой величиной условно понимают момент инерции всех вращающихся частей двигателя и трансмис­сии: маховика, деталей сцепления, коробки передач, карданной передачи, главной передачи и др.).

При разгоне автомобиля определенная доля мощности, пере­даваемой от двигателя к трансмиссии, затрачивается на раскру­чивание вращающихся частей двигателя и трансмиссии. Эти зат­раты мощности

(3.1)

где А - кинетическая энергия вращающихся частей.

Учтем, что выражение для кинетической энергии имеет вид

Тогда затраты мощности

(3.2)

Исходя из уравнений (3.1) и (3.2) мощность, подводимую к трансмиссии, можно представить в виде

Часть этой мощности теряется на преодоление различных со­противлений (трения) в трансмиссии. Указанные потери мощности оцениваются коэффициентом полезного действия трансмис­сии тр.

С учетом потерь мощности в трансмиссии подводимая к веду­щим колесам мощность

(3.4)

Угловая скорость коленчатого вала двигателя

(3.5)

где ω к -угловая скорость ведущих колес; u т -передаточное число трансмиссии

Передаточное число трансмиссии

Где u k - передаточное число коробки передач; u д - передаточное число дополнительной коробки передач (раздаточная коробка, делитель, демультипликатор); и Г - передаточное число главной передачи.

В результате подстановки e из соотношения (3.5) в формулу (3.4) мощность, подводимая к ведущим колесам:

(3.6)

При постоянной угловой скорости коленчатого вала второй член в правой части выражения (3.6) равен нулю. В этом случае мощ­ность, подводимая к ведущим колесам, называется тяговой. Ее величина

(3.7)

С учетом соотношения (3.7) формула (3.6) преобразуется к виду

(3.8)

Для определения крутящего момента М к , подводимого от двигателя к ведущим колесам, представим мощности N кол и N T , в выражении (3.8) в виде произведений соответствующих моментов на угловые скорости. В результате такого преобразования получим

(3.9)

Подставим в формулу (3.9) выражение (3.5) для угловой скорости коленчатого вала и, разделив обе части равенства на к получим

(3.10)

При установившемся движении автомобиля второй член в пра­вой части формулы (3.10) равен нулю. Момент, подводимый к ведущим колесам, в этом случае называется тяговым. Его величина

(3.11)

С учетом соотношения (3.11) момент, подводимый к ведущим колесам:

(3.12)

Колесные машины любого типа предназначены для осуществления транспортной работы, т.е. для перевозки полезного груза. Способность машины к совершению полезной транспортной работы оценивают ее тягово – скоростными свойствами.

Тягово – скоростными свойствами называют совокупность свойств, определяющих возможные по характеристикам двигателя или сцепления ведущих колес с дорогой, диапазоны изменения скоростей движения и предельные интенсивности разгона автомобиля при его работе на тяговом режиме в различных дорожных условиях.

Обобщенным показателем, по которому наиболее полно можно оценивать скоростные свойства колесной машины; является средняя скорость движения ().

Средняя скорость движения – это отношение пройденного пути ко времени «чистого» движения:

где - пройденный путь;

Время чистого движения машины.

Средняя скорость движения определяется дорожными (грунтовыми) условиями и режимами движения машины.

Для колесных машин характерно чередование движения по магистральным шоссе с движением по грунтовым дорогам, либо с движением в условиях бездорожья.

Скоростные режимы можно разделить на два вида:

движение с установившейся скоростью;

движение с неустановившейся скоростью.

Строго говоря, режим первого вида практически не существует, т.к. всегда на любых дорогах есть хотя бы небольшие изменения сопротивления движению (подъемы, спуски, неровности покрытия дороги и т.д.), вызывающие изменение скорости движения машины.

Режим движения машины с установившейся скоростью можно рассматривать как условный. Под этим режимом следует понимать такой, при котором изменения скорости малы относительно средней скорости движения на данном участке пути. На низших передачах такие режимы тем более отсутствуют.

В общем случае скоростные режимы движения машины складываются из следующих фаз:

разгон с места с переключением передач от скорости, равной нулю, до конечной скорости разгона;

равномерного движения со скоростями, которые можно принять за установившееся и равным конечной скорости разгона;

замедления от скорости, равной конечной скорости разгона или установившегося движения, до начальной скорости торможения;

торможения от конечной скорости замедления до скорости, равной нулю.

В настоящее время проверка скоростных свойств колесных машин выполняются по ГОСТ 22576-90 «Автотранспортные средства, скоростные свойства. Методы испытаний». Этим же стандартом определяются условия и программы контрольных испытаний, а также комплекс измеряемых параметров.

Испытания по оценке скоростных свойств автомобилей и автопоездов приводятся при нормальной нагрузке на прямолинейном отрезке горизонтальной дороги с цементно-бетонным покрытием. Уклоны ее не должны превышать 0,5% и иметь длину более 50 м. Испытания проводятся при скорости ветра не более 3 м/c и температура воздуха – 5…+25 0 С.

Основными оценочными показателями скоростных свойств автомобилей и автопоездов являются:

максимальная скорость;

время разгона до заданной скорости;

скоростная характеристика «Разгон – выбег»;

скоростная характеристика «Разгон на передаче, обеспечивающей максимальную скорость».

Максимальная скорость автомобиля – это максимальная скорость, развиваемая на горизонтальном ровном участке дороги.

Определяется она путем измерения времени проезда автомобилем мерного участка дороги длиной 1 км. До выезда на мерный участок автомобиль на участке разгона должен достичь максимально возможной установившейся скорости.

Скоростная характеристика «разгон – выбег» представляет собой зависимость скорости от пути и времени разгона автомобиля с места и выбега до остановки.

Скоростная характери-стика «разгон – выбег»

а) по времени б) по пути; 2,3 – разгон 1,4 – выбег

Характеристикой «разгон – выбег» оценивается сопротивление движению автомобиля.

Скоростные характеристики «Разгон на передаче, обеспечивающей максимальную скорость» – это зависимости скорости автомобиля от пути и времени разгона при движении автомобиля на высшей и предшествующей передачах. Разгон начинается с минимально устойчивой для данной передачи скорости путем резкого нажатия до упора на педаль подачи топлива.

Скоростная характеристика «Разгон на высшей передаче».

а) по времени б) по пути

Время разгона на заданном участке (400м и 1000м), а также время разгона до заданной скорости устанавливают обычно по характеристике «разгон – выбег».

Для грузовых автомобилей заданной скоростью является 80 км/час, а для легковых – 100 км/час.

Оценочным показателем тяговых свойств является максимальный угол подъема, преодолеваемого автомобилем с полной массой при движении по сухому твердому ровному покрытию на низшей передаче в КП и РК.

В соответствии с ГОСТ В 25759-83 «Автомобили многоцелевого назначения. Общие технические требования» – максимальный угол подъема для полноприводных автомобилей должен быть – 30 0 С.

Данный показатель одновременно является одним из оценочных показателей проходимости автомобиля.

Косвенным параметром, в значительной степени определяющим уровень тяговых свойств автомобиля, является удельная мощность.

Удельная мощность – это отношение максимальной мощности двигателя к полной массе автомобиля или автопоезда:

где - максимальная мощность двигателя, кВт;

Масса соответственно автомобиля и прицепа, т.

Удельная мощность как показатель характеризует энерговооруженность автомобиля или автопоезда. Особенно важен данный показатель при сравнении между собой автомобилей различного типа, как участников единого транспортного потока, в частности, автомобильных колонн.

Для легковых автомобилей удельная мощность колебается в пределах 40 – 60 кВт/т, для грузовых колесных машин – 9,5 – 17,0 кВт, для автопоездов – 7,5 – 8,0 кВт/т.

Оценочные характеристики тягово – скоростных свойств автомобилей определяются в ходе испытаний или могут быть получены в ходе выполнения тяговых расчетов.