Лекция 4.4. Особенности тяговой динамики автомобиля с бесступенчатой трансмиссией и тяговый расчёт автомобиля

4.4.1. Особенности тяговой динамики автомобиля с бесступенчатой трансмиссией

Основной критерий оценки трансмиссий – степень их приближения по свойствам к идеальной трансмиссии, позволяющей постоянно загружать двигатель на максимальную мощность вследствие автоматического изменения скорости движения в соответствии с изменением дорожных условий.

Сравним различные трансмиссии с точки зрения их удовлетворения основным требованиям, предъявляемым к идеальным трансмиссиям. Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям гидрообъёмные и электрические трансмиссии. Однако в виду значительной массы и габаритов, пониженного значения КПД, сравнительно высокой стоимости, повышенного расхода дефицитных материалов их применение, как в автомобилестроении, так и в тракторостроении весьма ограничено.

Из бесступенчатых трансмиссий в автомобилестроении широко распространены гидромеханические трансмиссии, состоящие из гидродинамического преобразователя (гидротрансформатора) крутящего момента и работающего в сочетании с ним шестерённого редуктора того или иного типа. Применение гидротрансформатора существенно влияет на динамику автомобиля.

В простейшем виде гидротрансформатор состоит из центробежного насоса, вращаемого коленчатым валом двигателя, турбины, соединённой с ведущими колёсами автомобиля и реактора. Рабочие колёса гидротрансформатора образуют замкнутую полость, в которой происходит непрерывное движение жидкости. Поток масла, вытекающий из насоса, приводит во вращение турбинное колесо.

При установившемся режиме работы гидротрансформатора сумма крутящих моментов, действующих на его колёса, равна нулю. Это положение выражается основным уравнением гидротрансформатора:

,

где , и - крутящие моменты соответственно турбины, насоса и реактора.

Из этого уравнения видно, что преобразование момента осуществляется за счёт крутящего момента , создаваемого реактором. Изменяя форму лопастей реактора можно добиваться увеличения момента на валу турбины. Если реактор отсутствует или свободно вращается в потоке, то крутящий момент не преобразуется, и гидротрансформатор начинает выполнять функции гидромуфты.

Преобразующее действие гидротрансформатора характеризуется коэффициентом трансформации

.

Коэффициент трансформации изменяется автоматически в зависимости от условий работы автомобиля. Если внешние сопротивления движению возрастают, то скорость автомобиля и одновременно частота вращения турбинного колеса снижаются. При этом достигает максимума при полностью заторможенном вале турбины. Автоматичность работы гидротрансформатора достигается за счёт зависимости воздействия потока жидкости от частоты вращения вала турбины.

Кинематическое соотношение в гидротрансформаторе принято характеризовать передаточным отношением, т.е.

,

где и - частоты вращения соответственно вала турбины и вала насоса.

КПД гидротрансформатора

.

На автомобилях применяют гидротрансформаторы с прозрачной и непрозрачной характеристикой. Прозрачность определяется отношением момента на валу насоса при к моменту на валу насоса при . Гидротрансформатор считается практически непрозрачным, если это отношение меньше 1,2.

В гидротрансформаторе с непрозрачной характеристикой частота вращения вала турбины и нагрузка не влияют на режим работы насоса, а, следовательно, и двигателя и он работает в выбранном режиме с .

Основной недостаток гидротрансформатора относительно низкий КПД, поэтому применяют комплексные гидротрансформаторы либо применяют блокировку гидротрансформатора на соответствующих участках движения автомобиля. Комплексные гидротрансформаторы обладают тем свойством, что при снижении коэффициента трансформации до единицы они автоматически переходят на режим гидромуфты. Достигается это соединением реактора с корпусом гидротрансформатора через муфту свободного хода.

При больших внешних нагрузках вал турбины вращается значительно медленней вала насоса. Вытекающий из неё поток жидкости, ударяясь о лопасть реакторного колеса, заклинивает муфту и закрепляет, таким образом, реактор в неподвижном положении. При уменьшении внешней нагрузки скорость вращения вала турбины возрастает. При определённых значениях передаточного отношения направление потока, вытекающего из турбины, изменяется, и он ударяет в лопасти реакторного колеса с противоположной стороны. Муфта свободного хода при этом расклинивается, а реактор, не имея опоры, начинает вращаться и перестаёт выполнять функции преобразователя момента.

Совместная установившаяся работа двигателя с гидротрансформатором возможна в точках пересечения кривых крутящих моментов насоса и двигателя.

На входной характеристике гидротрансформатора с непрозрачной характеристикой (рис. 27) это точки . В данном случае каждому углу открытия дроссельной заслонки соответствует единственно возможный режим совместной работы двигателя с гидротрансформатором, который остаётся постоянным независимо от условий движения автомобиля.

В случае применения гидротрансформатора с прозрачной характеристикой режим работы двигателя при одном и том же угле открытия дроссельной заслонки может быть разным в зависимости от передаточного отношения гидротрансформатора.

Чтобы построить динамическую характеристику автомобиля с гидромеханической трансмиссией, необходимо предварительно определить значения касательной силы тяги, развиваемой таким автомобилем при разных скоростях движения и полной загрузке двигателя.

Касательная сила тяги

,

а скорость движения (без буксования ведущих колёс)

,

где и - соответственно КПД и передаточное число механической части трансмиссии, расположенной между гидротрансформатором и ведущими колёсами.

Построим график зависимости для автомобиля с гидротрансформатором, имеющим непрозрачную характеристику (рис. 28).

На оси абсцисс правого квадранта отложены скорости автомобиля. Сначала в этом квадранте построена вспомогательная кривая . В гидротрансформаторе с непрозрачной характеристикой при установившемся режиме работы частота вращения вала насоса постоянна. Её определяют по входной характеристике гидротрансформатора. При зависимость имеет линейный характер. На графике она представлена наклонной прямой, проходящей через начало координат.

Используя ось ординат в качестве оси абсцисс левого квадранта, нанесём в этом квадранте кривые коэффициента трансформации и КПД , взятые из безразмерной характеристики гидротрансформатора. С помощью этих кривых можно определить коэффициент трансформации для каждой скорости автомобиля (это показано штриховыми линиями).

Имея эти данные и зная по входной характеристике гидротрансформатора значения крутящего момента при работе двигателя с открытой полностью дроссельной заслонкой, подсчитываем искомые значения касательных сил тяги . Результаты расчёта представлены в правом квадранте в виде кривой . Эта кривая называется тяговой характеристикой автомобиля с гидротрансформатором, имеющим непрозрачную характеристику.

Используя отношение , вместо такой кривой можно построить кривую, характеризующую изменение динамического фактора автомобиля с гидромеханической трансмиссией в зависимости от скорости движения.

Из рисунка 28 видно, что экономичному режиму работы гидротрансформатора соответствует ограниченный диапазон скоростей движения автомобиля. Чтобы расширить этот диапазон, гидротрансформатор применяют в сочетании с механической коробкой передач, устанавливаемой обычно последовательно за ним.

Зная схему гидромеханической трансмиссии и установленный для неё закон последовательного переключения с одного режима на другой, можно построить тяговую характеристику автомобиля на всех этапах работы трансмиссии.

4.4.2. Тяговый расчёт автомобиля

Задача тягового расчёта состоит в определении характеристик и параметров двигателя и трансмиссии, обеспечивающих эксплуатационные свойства и технико-экономические показатели автомобиля в соответствии с требуемым техническим заданием на его проектирование.

Тяговый расчёт автомобиля производится с целью определения основных параметров автомобиля , которые могли бы обеспечить получение тяговых и динамических показателей, установленных для этого автомобиля по типажу, и удовлетворяли эксплуатационным условиям, в которых придётся ему работать.

4.4.2.1. Выбор мощности двигателя

Мощность двигателя длжна быть достаточной для обеспечения движения с заданной максимальной скоростью при полном использовании грузоподъёмности автомобиля. Такую скорость автомобиль должен развивать на хороших дорогах, для которых коэффициент сопротивления качению . Для автомобилей, используемых в сельском хозяйстве дополнительный запас . Таким образом, за расчётное значение приведённого коэффициента дорожных сопротивлений , при котором автомобиль должен развивать максимальную скорость следует принять . Мощность двигателя, необходимая для движения в указанных условиях

,

где - снаряженный вес автомобиля; - гузоподъёмность автомобиля; - сопротивление воздуха при движении автомобиля с максимальной скоростью; - заданная максимальная скорость.

4.4.2.2. Выбор снаряженного веса автомобиля

Снаряженный вес автомобиля выбирают исходя из грузоподъёмности автомобиля и коэффициента грузоподъёмности . При проектировании автомобиля нужно стремиться к увеличению насколько это технически возможно и экономически целесообразно.

Коэффициент грузоподъёмности зависит от типа и конструктивных особенностей автомобиля. Для легковых автомобилей , причём меньшие значения соответствуют большему литражу. Для грузовых автомобилей колёсной формулы 4К2 общего назначения .

Сопротивление воздуха определяют по известной формуле для максимальной скорости движения автомобиля . Коэффициент обтекаемости и площадь лобовой поверхности выбирают исходя из предварительной эскизной компоновки автомобиля или по аналогии с существующими автомобилями такого же типа.

На рисунке 29 в графической форме представлен мощностной баланс автомобиля при установившемся движении на высшей передаче.

На графике нанесены две кривые: мощности , развиваемой двигателем при полной подаче топлива, и мощности , требуемой от двигателя для преодоления сопротивлений движению автомобиля при работе с разными скоростями в принятых для расчёта условиях движения. Точке пересечения этих кривых соответствует на оси абсцисс максимальная скорость автомобиля .

Точка может занимать на характеристике двигателя различные положения. На рассмотренном графике она расположена правее точки максимальной мощности . Такое расположение характерно главным образом для автомобилей с невысокой удельной мощностью, так как позволяет иметь наибольшие запасы мощности при движении автомобиля на средних скоростях. У спортивных и гоночных автомобилей точка должна совпадать на характеристике двигателя с точкой , а у грузовых автомобилей левее точки , т.к. максимальная скорость автомобиля определяется ограничителем и весь запас мощности не расходуется.

Зная полный вес автомобиля и максимальную мощность его двигателя, можно подсчитать удельную мощность автомобиля

.

Значения удельной мощности в известной степени характеризует динамические свойства автомобиля. Для легковых автомобилей и выше в отдельных случаях. Удельные мощности грузовых автомобилей значительно меньше и в среднем находятся в пределах .

4.4.2.3. Определение максимального значения динамического фактора на первой передаче

Чтобы полностью использовать сцепные свойства автомобиля, масимальный динамический фактор должен быть равен динамическому фактору по сцеплению . Определяя значение последнего для автомобилей с задними ведущими колёсами по известной ранее формуле и пренебрегая сопротивлением воздуха, которое при движении на малых скоростях незначительно, получаем

,

где - коэффициент сцепления, который принимается равным ; - коэффициент нагрузки задних колёс , где - коэффициент нагрузки задних колёс при неподвижном положении автомобиля на горизонтальной площадке.

Значения у автомобилей типа 4К2 находятся в пределах для легковых и для грузовых автомобилей.

4.4.2.4. Выбор передач автомобиля

Сначала определяем передаточное число главной передачи. Если максимальную скорость автомобиль должен развивать на прямой передаче, то

,

где - частота вращения вала двигателя при максимальной скорости автомобиля, которую выбирают по характеристике уже подобранного двигателя; - радиус ведущих колёс, который определяют при компоновке автомобиля по методике, изложенной ранее.

Далее определяем передаточное число первой ступени коробки передач. Исходя из условия получения определённого максимального значения динамического фактора автомобиля, имеем следующую зависимость

,

откуда

.

Чтобы определить передаточные числа коробки на остальных ступенях, нужно, прежде всего, выбрать число ступеней. Установлено, что для грузовых автомобилей их должно быть не меньше четырёх-пяти, если нет каких-либо дополнительных специальных требований в отношении дальнейшего увеличения числа ступеней.

Для обеспечения интенсивности разгона передаточные числа трансмиссии должны быть подобраны таким образом, чтобы разгон на каждой передаче начинался при одной и той же частоте вращения коленчатого вала двигателя , а заканчивался при одной и той же частоте . Однако для плавного перехода с одной передачи на другую необходимо, чтобы скорость начала разгона на данной передаче была равна скорости конца разгона на предыдущей передаче, т.е.

,

где - частота вращения вала двигателя, с которой начинается разгон на передаче ; - частота вращения вала двигателя в конце разгона на предыдущей - ой передаче.

Из этого равенства следует, что передаточные числа трансмиссии должны удовлетворять условию

.

Так как на всех передачах отношение частот вращения должно быть одинаковое, то предыдущее соотношение примет следующий вид:

,

что предполагает построение ряда передач по принципу геометрической прогрессии. Знаменатель прогрессии определяется формулой

,

где - число ступеней в коробке передач; и - передаточные числа коробки соответственно на первой и высшей передачах.

Если высшая передача прямая, то

.

Протекание процесса разгона автомобиля сопровождается большим числом случайных факторов, поэтому оптимизация этого процесса может быть достигнута только в случае частичной или полной его автоматизации.

При переключении передач автомобиль некоторое время движется по инерции, в результате чего его скорость несколько снижается. Чем выше скорость, тем интенсивнее происходит её снижение. Поэтому при окончательной корректировке передаточных чисел рекомендуется несколько отступать от закона геометрической прогрессии и уменьшать соотношения между передаточными числами по мере перехода к высшим передачам, чтобы

.

На автомобилях высокой проходимости часто устанавливают дополнительные понижающие редукторы, так называемые демультипликаторы или ходоуменьшители. Их применяют в тяжёлых дорожных условиях для повышения динамического фактора автомобиля или для получения особо низких скоростей.