Раздел (модуль) 2. Прямолинейное движение колёсной машины по твёрдой плоской опорной поверхности Лекция 2.1. Внешние и внутренние силы и моменты, действующие на колёсную машину

2.1.1. Внешние силы, действующие на машину

При движении на колёсную машину действуют различные внешние и внутренние силы и моменты.

Внешними по отношению к колёсной машине являются силы, действующие со стороны окружающей машину среды, т.е. дороги и воздуха. Эти силы можно подразделить на активные и пассивные. Первые могут быть либо движущими силами, либо силами сопротивления движению в зависимости от того, совершают ли они полезную работу или работу сопротивления. Пассивные силы – силы тяжести и нормальные реакции – непосредственно работы не совершают, но оказывают большое влияние на показатели движения колёсной машины.

Движущими являются касательные силы тяги и крутящие моменты, если направление последних совпадает с направлением угловой скорости колёс.

К силам сопротивления движению относятся сила сопротивления воздуха, сила сопротивления подъёму (скатывающая сила), сила тяги на крюке и сила инерции поступательно движущейся массы машины.

Рассмотрим общий случай движения колёсной машины: движение на подъём по поверхности, расположенной под углом (рис. 4) к горизонтальной плоскости, со скоростью и с нагрузкой на крюке, приложенной на высоте и направленной под углом к горизонтали.

Сила сопротивления воздуха является равнодействующей всех составляющих сопротивления воздуха и приложена в так называемом центре парусности, который практически расположен на одной высоте с центром тяжести колёсной машины, и определяется по формуле

,

где - коэффициент обтекаемости равный 0,1…0,2 для легковых и 0,4…0,5 для грузовых колёсных машин; - плотность воздуха; - площадь лобовой поверхности, . Для легковых автомобилей , для остальных колёсных машин , где и - соответственно высота, и ширина машины; - скорость движения машины, . Иногда вводят понятие фактор сопротивления воздуха , который равен произведению , и силу сопротивления воздуха определяют по формуле

.

Cуммарная сила инерции всех частей машины, движущихся прямолинейно поступательно. Она определяется по формуле и приложена в центре тяжести. Здесь - ускорение прямолинейно-поступательного движения машины.

Сила тяжести (вес) машины, приложенная в центре тяжести и направленная вертикально вниз, её нормальная составляющая и составляющая (скатывающая сила), параллельная поверхности пути.

Сила тяги на крюке . Оно нестабильно. При общем анализе внешних сил, действующих на колёсную машину, мы будем в дальнейшем понимать под тяговым сопротивлением, как и под другими видами сопротивлений, их средние значения в заданных условиях работы.

Реакция почвы, которая может быть определена как , где - момент касательных сил инерции передних колёс.

Реакция - это горизонтальная составляющая реакции почвы на касательную силу тяги или её ещё называют толкающей реакцией. Она может быть определена по формуле , где - момент касательных сил инерции ведущих колёс и всех вращающихся деталей трансмиссии.

Реакции и - нормальные реакции почвы соответственно на передних и задних колёсах.

2.1.2. Внутренние силы и моменты

Внутренние силы и моменты колёсной машины – это силы (моменты) взаимодействия между деталями самой машины. Движущим является крутящий момент двигателя.

Крутящий момент – величина переменная для данного двигателя. Он изменяется в соответствии с количеством подаваемого топлива, частотой вращения вала двигателя и др.

В настоящее время преимущественное распространение получили поршневые карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Зависимости крутящего момента и мощности от степени подачи топлива и угловой скорости вращения коленчатого вала таких двигателей выражаются скоростной характеристикой (рис. 5).

Верхние кривые мощности и крутящего момента соответствуют наибольшей возможной подаче топлива и определяют её внешнюю скоростную характеристику. С уменьшением подачи топлива крутящий момент и мощность уменьшаются. Соответствующие характеристики называются частичными.

Наиболее важными в характеристике являются максимальное значение крутящего момента и соответствующая ему угловая скорость вращения вала , максимальное значение мощности и соответствующая угловая скорость .

На некоторых двигателях, а на дизелях всегда, устанавливают ограничители максимальной угловой скорости вращения коленчатого вала, и тогда кривая мощности и кривая крутящего момента получают вид, показанный жирными штриховыми линиями на рис. 5. Эти кривые иногда называют регуляторной ветвью скоростной характеристики.

Для любой транспортной машины, а особенно колёсной, которая движется при разнообразных внешних сопротивлениях, более предпочтительна скоростная характеристика 3, соответствующая газотурбинному двигателю (рис. 6). «Идеальной» характеристикой является изменение крутящего момента по гиперболе (кривая 4), когда при любой угловой скорости вращения вала двигателя мощность постоянна, к чему приближается электродвигатель.

Характеристики карбюраторного двигателя и дизеля несколько различаются (кривые 2 и 1 соответственно).

Скоростные характеристики двигателей обычно получают в результате стендовых испытаний.

2.1.3. Коэффициент запаса крутящего момента и коэффициент приспособляемости двигателя

Возможность преодоления временного повышения сопротивлений автотракторного агрегата характеризуется коэффициентом запаса крутящего момента двигателя, определяемым по формуле:

,

где - максимальный момент двигателя;

- номинальный момент двигателя, определяемый при номинальной угловой скорости вала двигателя , соответствующей максимальной мощности двигателя ,

или коэффициентом приспособляемости двигателя , который определяется отношением максимального крутящего момента двигателя к номинальному моменту , и варьируется в пределах от 1,05 до 1,15 для дизеля и от 1.1 до 1,2 и выше для карбюраторных двигателей.

Кроме того временное увеличение сопротивлений движению может вызвать перегрузку двигателя. Эта перегрузка преодолевается путём усиленной подачи топлива, реализуемой соответствующим перемещением рейки топливного насоса в дизелях. Усиленная подача топлива при снижении угловой скорости коленчатого вала вызывает соответствующее повышение величин крутящего момента и мощности дизеля. Увеличение крутящего момента обеспечивает устойчивость работы двигателя при временном повышении сопротивления движению, т.к. увеличивается максимальный момент, а, следовательно, растёт коэффициент приспособляемости и коэффициент запаса крутящего момента двигателя.