Лекция 2.2. Запас кинетической энергии двигателя и автотракторного агрегата. Определение ведущих моментов, приложенных к движителям колёсной машины

2.2.1.Запас кинетической энергии двигателя и автотракторного агрегата

Возможность преодоления временных увеличений сопротивления движению автотракторного агрегата может осуществляться и за счёт запаса кинетической энергии вращающихся и поступательно движущихся масс агрегата.

Запас кинетической энергии движущихся масс двигателя, имеющий наибольшее значение, условно измеряется отрезком времени, в течение которого угловая скорость коленчатого вала уменьшится до нуля при выключении подачи топлива. При этом момент сопротивления , приведённый к коленчатому валу двигателя, полагается постоянным.

Промежуток времени определяется из уравнения движения одномассовой эквивалентной динамической модели, заменяющей работу двигателя при указанных условиях.

,

где - момент инерции движущихся масс двигателя, приведённых к коленчатому валу двигателя;

- угловое замедление коленчатого вала двигателя;

-приведённый к первичному валу трансмиссии момент сопротивления движению автотракторного агрегата.

Или иначе , откуда .

Интегрируя в пределах от до нуля, получим

.

Для автомобильных и тракторных двигателей величина лежит в пределах 1,5…2,5 с.

Возможность преодоления временных увеличений сопротивления движению автотракторного агрегата определяется кроме того и суммарной

кинетической энергией всех движущихся масс автомобиля и трактора и их прицепов. Для учёта влияния этих масс их следует привести к первичному валу трансмиссии машины. Приведение этих масс производится на основании равенства кинетической энергии приведённой массы сумме кинетических энергий всех движущихся масс агрегата на соответствующей передаче.

На основании вышесказанного, пренебрегая потерями в трансмиссии, имеем

,

где - искомый момент инерции, приведённых масс;

- угловая скорость первичного вала трансмиссии;

-полный вес автотракторного агрегата;

- скорость поступательного движения автотракторного агрегата, соответствующая угловой скорости ;

- момент инерции - ой вращающейся детали автомобиля и трактора (начиная с ведомого вала муфты сцепления), кинематически связанной с первичным валом трансмиссии;

- угловая скорость - ой вращающейся детали, соответствующей угловой скорости .

Если пренебречь буксованием движителей машины, то

, а и ,

где - угловая скорость ведущего колеса;

- радиус ведущего колеса;

- передаточное число трансмиссии на заданной передаче;

- передаточное число от первичного вала трансмиссии до - ой вращающейся детали на заданной передаче.

Подставляя эти зависимости в выражение равенства кинетических энергий, и выполнив необходимые преобразования, получим

.

Анализ полученной формулы показывает, что зависит от номера включённой передачи и, по сути, обратно пропорционален квадрату передаточного числа.

Суммарный запас кинетической энергии всех движущихся масс автотракторного агрегата также определяется временем до полной остановки агрегата, условно вызванной выключением подачи топлива в цилиндры двигателя.

Аналогично ранее изложенному

.

2.2.2. Определение ведущих моментов, приложенных к движителям колёсной машины

Моменты, передаваемые трансмиссией ведущим колёсам колёсных машин, называются ведущими.

Для остановки машины без выключения двигателя, а также для переключения передач между коленчатым валом двигателя и первичным валом трансмиссии устанавливается муфта сцепления.

Муфты сцепления бывают различных видов, однако в теоретическом плане, как правило, рассматривают фрикционные муфты сцепления. Во избежание буксования муфты сцепления при установившемся режиме работы автомобиля и трактора необходимо, чтобы момент трения муфты был бы больше номинального крутящего момента двигателя .

Отношение момента трения муфты сцепления к номинальному моменту двигателя называется коэффициентом запаса муфты сцепления . К выбору величины следует подходить весьма осторожно. С одной стороны при больших значениях коэффициента запаса муфты сцепления увеличивается срок службы фрикционов, т.к. уменьшается износ дисков трения. С другой стороны увеличение коэффициента ведёт к большим динамическим нагрузкам в трансмиссии и вызывает частые поломки её деталей.

Величина коэффициента запаса для существующих автотракторных муфт сцепления изменяется в широких пределах от 1,15 до 3,6, причём меньшие значения относятся к фрикционным узлам, работающим в масле.

Мощность от ведомых частей муфты сцепления к ведущим колёсам машин передаётся при помощи трансмиссии, позволяющей изменять передаточное число в зависимости от сопротивления движению и заданной производительности (скорости движения).

Общее передаточное число трансмиссии равно отношению частоты вращения (угловой скорости) коленчатого вала двигателя к соответствующей частоте вращения (угловой скорости) ведущих колёс при условии отсутствия буксования или скольжения муфты сцепления.

Передача мощности ведущим колёсам автомобиля и трактора сопровождается механическими потерями, происходящими вследствие трения в подшипниках, в зацеплениях шестерен коробки передач, центральной и конечной передач, а также гидродинамических потерь. Величина этих потерь характеризуется к.п.д. трансмиссии .

Мощность, переданная ведущим органам колёсных машин при установившемся режиме движения ( ), равна произведению ведущего момента, действующего на колесе , на угловую скорость вращения .

Мощность, отданная коленчатым валом двигателя при установившемся режиме движения, равна произведению крутящего момента двигателя на угловую скорость коленчатого вала .

На основании определения к.п.д. имеем

.

Заменяя отношение угловых скоростей передаточным числом , получим формулу для определения ведущего момента, приложенного к движителям при установившемся режиме работы колёсной машины.

.

Таким образом, ведущий момент, подводимый к движителям автомобиля и трактора при установившемся режиме работы, равен произведению момента двигателя, умноженному на передаточное число и к.п.д. трансмиссии.

На основании изложенного расчёт деталей трансмиссии следовало бы вести по величине , однако является, как правило, неопределённой величиной т.к. зависит от ряда факторов: износа и состояния поверхностей трения и др., поэтому расчёт деталей трансмиссии на прочность рациональнее вести по величине номинального крутящего момента двигателя, причём перегрузки учитывать при выборе допускаемых напряжений.

Определим ведущий момент, приложенный к движителям колёсной машины при неустановившемся движении – ускоренном или замедленном. Подсчёт его величины должен производиться с учётом действия возникающих в этом случае инерционных моментов. Если пренебречь влиянием неустановившегося режима работы на протекание рабочего процесса в двигателе, то уравнение моментов на коленчатом валу при неустановившемся движении можно представить в следующем виде: , где и - крутящие моменты соответственно при неустановившемся и установившемся режиме работы, а - угловое ускорение коленчатого вала двигателя.

Учитывая влияние остальных масс, участвующих в передаче вращения от коленчатого вала к ведущим колёсам, а также массу самих ведущих колёс, можно записать, что ведущий момент при неустановившемся движении будет определяться следующей зависимостью:

, или

, откуда

, (*)

где - моменты инерции отдельных вращающихся деталей трансмиссии, расположенных между двигателем и ведущими колёсами, подсчитанные относительно их осей вращения;

- угловые ускорения указанных деталей;

и - соответственно передаточные числа и значения механического к.п.д. передач, соединяющих рассматриваемую деталь с ведущими колёсами;

- моменты инерции ведущих колёс относительно их осей вращения;

- угловое ускорение ведущих колёс.

Выразим угловые ускорения вращающихся частей через линейное ускорение машины , где - поступательная скорость машины.

При отсутствии буксования муфты сцепления можно записать

, где - радиус качения ведущих колёс.

Аналогично получим соотношения ; .

Подставляя эти соотношения в уравнение (*), получим

, где

- приведённый к ведущим колёсам суммарный момент касательных инерции самих колёс и кинематически жёстко с ним связанных деталей трансмиссии и двигателя.

В соответствии с формулой определения момента двигателя при неустановившемся движении его величина может возрастать, не ограничено при замедлении вращения коленчатого вала двигателя, что приводило бы к большим динамическим нагрузкам в трансмиссии и поломкам её деталей. В качестве демпфера выступает муфта сцепления, которая при достижении момента двигателя равного начинает буксовать, таким образом, ограничивая величину возрастания момента двигателя .

Совершенно аналогично момент по сцеплению колеса с дорогой ограничивает возрастание момента, подводимого к ведущим колёсам при неустановившемся движении , при замедлении машины.