§ III.2. Динамические характеристики автомобиля

Механическая энергия, вырабатываемая двигателем автомобиля, передается через трансмиссию' автомобиля на его ведущие колеса.

Крутящий момент колеса М вызывает появление пары сил — одна из них окружная сила Р_к, приложенная к площадке контакта шины с покрытием, передаваясь на покрытие, как бы стремится сдвинуть его верхний слой в сторону, противоположную движе­нию, вторая сила — тяговое усилие Р_Е — передается через веду­щий мост и рессоры на раму автомобиля и вызывает его движение.

Величина тягового усилия Р_р равна:

р — ^А1"

*Р — ■ •

п,

где г_к = /.г₀ — радиус качеиия ведущих колес с учетом обжатия шины в зоне контакта с покрытием (рис. III.3).

Коэффициент деформации шины к на твердой поверхности состав­ляет 0,945 — 0,950 для пневматических шин высокого давления, применяемых на грузовых автомобилях, и 0,930 — 0,935 для шин низкого давления.

Крутящий момент на ведущих колесах М_К может быть определен как произведение момента двигателя М_е на передаточные числа трансмиссии и механический коэффициент полезного действия (рис. II 1.4):

М_к=*М_е1_к1₀ г), (III. 10)

где 1_К — передаточное число коробки передач; 1₀ — передаточное чис­ло главной передачи! т) — мехвнический коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля, учитывающий потери энергии иа преодоление сопро­тивлений во всех механизмах от двигателя до ведущих колес. Примерные значения КПД трансмиссии составляют: для двухосных грузовых автомоби­лей и автобусов — 0,6, для трехосных грузовых автомобилей — 0,8, для лег­ковых автомобилей — 0,92.

Отсюда тяговое усилие

Р_р= ^/Ие'^н'^п г]. (111.11)

^ и

Учитывая, что вращающий момент, развиваемый двигателем, свя­зан с его мощностью N,1 (л. с.) и частотой вращения коленчатого вала

п_е (об/мин) зависимостью М_е = — , выражение (111.11) можно приве­ла

сти к виду:

Р ■ = 716,2 п. (111.12)

«В Г к

Каждому числу оборотов коленчатого вала п_н соответствует стро­го определенная скорость движения автомобиля, определяемая за­висимостью:

а- ²"^Гк"^е (м/с), (Ш. 13)

601_к 1о

илн

V = 0,377 (км/ч), (III. 14)

МвПри постоянном числе оборотов коленчатого вала использование понижающих передач приводит к увеличению тяговой силы и соот­ветствующему уменьшению скоро­сти автомобиля. Поэтому при дви­жении автомобиля по хорошей до­роге, когда сопротивление качению мало, используется прямая пере­дача (('„ = 1). При движении на подъем и по плохой дороге перехо­дят на низшие передачи.

Мощность Л/„ и крутящий мо­мент М_е, развиваемые двигателем, зависят от частоты вращения колен­чатого вала. Эти зависимости ха­рактеризуются экспериментальным графиком внешней скоростной ха­рактеристики двигателя (рис. 111.5), который обычно получают путем испытания Двигателей при полном открытии дросселя карбюратора в карбюраторных двигателях или полной подаче топлива в дизелях. Поэтому график внешней скорост­ной характеристики позволяет оце­нить максимальную мощность, ко­торую может развивать двигатель при том илн ином числе оборотов коленчатого вала

Для оценки мощности двигателя при работе с неполной нагрузкой снимают частичные внешние ско­ростные характеристики при раз­личной степени открытия дроссель­ной заслонки.

Используя график внешних ско- Гостных характеристик и выраже­ния (111.11), (111.12), можно опре­делить расчетом величину тягового усилия Р_р при различных скоро­стях движения автомобиля исходя из условия, что при движении ав­томобиля все тяговое усилие рас­ходуется на преодоление сопро­тивлений движению.

Рис. 111.3. Тяговое усилие иа колеси автомобиля

Рис. 111.4. Схема передачи вращак* шего момента двигателя на колеса

автомобиля: 1 — двигатель: 2 — маховик и сцепление 3 — коробка передач: 4 — карданный Ш| 5 — главная передача; б — шина

Рис. 111.5. Внешние скоростные ха­рактеристики автомобильных двига­телей

Условие равенства внешних и внутренних сил (уравнение движе­ния автомобиля) может бытьвыражено зависимостью:

Р„=Р₁±Р₁+Р_Ш±Р₁, (11115)

где Ру — сопротивление качению; Р{ — сопротивление движению на подъ­ем; Рц, — сопротивление воздуха движению- Ру — сопротивление инерцион­ных сил.

В зависимости от соотношения внешних сопротивлений происходит движение с постоянной скоростью или разгои, или торможение авто­мобиля.

Перенеся величину сопротивления воздушной среды, зависящую от скорости движения, в левую часть уравнения и подставив значения со­противлений, определенных в § 111.1, получим:

Р_Р-Ри, = СГ ±С1±С1. (11116)

Академик Е. А. Чудаков предложил характеризовать тяговые, или динамические, качества автомобиля динамическим фактором — разницей между полной силой тяги на ведущих колесах и сопротивле­нием воздушной среды, отнесенной к единице веса автомобиля

Р= ^Рр~^Рш = /±*±/. (Ш-17)

Динамический фактор характеризует запас тягового усилия на единицу веса автомобиля, движущегося со скоростью V, который может

о—легковые автомобили: / — ЗАЗ-068 «Запорожец»; 2— ВАЗ-2ЮЗ «Жигули»; 3— ГА-3 24

«Волга»; 4—ГАЗ 13 «Чайка»; 5—«Москвич 412»; 6 — ЗИЛ-ИГ; б—грузовые автомобили; 1 — КамАЗ-5320 с полуприцепом; 2 —ЗИЛ 130; 3 — ГАЗ-оЗА;

ГАЗ-51А

быть израсходовав иа преодоление дорожных сопротивлений / + г и на ускорение автомобиля у.

Как сила тяги, так и сопро­тивление воздуха зависят от ско­рости движения. Поэтому величи­на динамического фактора не остается постоянной при измене­нии скорости. График зависимости величины динамического фактора от скорости движения при полной нагрузке иа автомобиль, назван­ный Е. А. Чудаковым динамичес­кой характеристикой (рис. III.6), используется в Советском Союзе при тяговых .расчетах на автомо­бильных дорогах как основной показатель тяговых качеств авто­мобилей.

Графики динамических характеристик обычно строят применитель­но к случаю полной загрузки автомобилей:

о Р с— Р У>

^плн _г •

Опл!

При изменении нагрузки на автомобиль стоящее в числителе вы­ражение не меняется, поскольку оно зависит только от скорости дви­жения. Поэтому при постоянной скорости соблюдается отношение

^пла 0_Ш1Н — 0₁ = Р_р —Р

Отсюда О, = т. е. при неполной загрузке автомо­

биля его динамический фактор обратно пропорционален сумме по­лезной нагрузки иа автомобиль и его собственного веса О_п.

'Для учета степени загрузки автомобилей при расчетах скоростей движения по предложению проф. Н. А. Яковлева к графику динамиче­ских характеристик пристраивают вспомогательную номограмму нагрузок (рис, 111.7),

§ Ш.З. СЦЕПЛЕНИЕ ШИН С ПОВЕРХНОСТЬЮ ДОРОГИ

/ /

/ / /

/ /

0,3 Г

\

0,2

\

Г

-I

\

0,1'

ш

ч

О 20 40 ВО ВО 0 15 20 45 10 75' НуКм/ч

Рис. Ш.7. Дополнительная номограм­ма для учета величины нагрузки на автомобиль при расчетах по динамическим характеристикам: /—/// — передачи

Тяговое усилие на колесах автомобиля, обеспечиваемое мощностью двигателя, может быть развито лишь в том случае, если между веду­щими колесами и дорогой имеется достаточное сцепление. Величина отношения максимального тягового усилия Р_а к вертикальной нагруз­ке на колесо 0„, при превышении которого начинается пробуксовыва­ние ведущего колеса или проскальзывание заторможенного, называют коэффициентом сцепления и обозначают буквой <р.

Для того чтобы улучшить условия сцепления шииы с поверхностью дороги и сделать наиболее эффективным выжимание воды из зоны контакта шииы с дорогой при качении по мокрому покрытию, поверх­ность беговой дорожки пневматических шии делают рифленой, устра­ивая на ней выпуклый рисунок — протектор.

В связи с различной жесткостью шииы в направлении качения и в поперечном направлении сила сцепления шииы с покрытием (сопро­тивление сдвигающему усилию, в плоскости контакта) неодинакова при разных направлениях приложенной силы. Однако разница в ве­личине сопротивлений шииы сдвигу невелика, и при расчетах, связан­ных с проектированием дорог, обычно принимают, что в любом на­правлении сцепление шины с покрытием одинаково.

При расчете элементов дорог всегда соблюдают условие, что гео­метрическая сумма сил, действующих в плоскости контакта шииы с до­рогой, не должна превышать величины силы сцепления. В связи с этим нормируют две величины коэффициента сцепления:

коэффициент продольного сцепления — коэффициент сцепления, соответствующий началу пробуксовывания или проскальзывания ко­леса при его качении без воздействия боковой силы. Его используют при вычислении пути, проходимого авто юбилеи во время торможения, и при определении преодолеваемых автомобилями подъемов пути;

коэффициент поперечного сцепления — поперечная составляющая коэффициента сцепления при смещении колеса под углом к плоскости движения, когда колесо одновременно и вращается, и скользит вбок.

Многочисленные экспериментальные исследования коэффициента сцепления, проведенные в СССР и за границей, показали, что на его величину большее влияние оказывает состояние дорожного покры­тия, чем его тип.

При любых покрытиях выступающие над их поверхностью твердые минеральные частицы, которые делают покрытие шероховатым, при наезде колеса вдавливаются в резину протектора. При проскальзы­вании колеса они упруго деформируют резину, сопротивление которой является основной причиной сопротивления колеса смещению по по­крытию. По мере износа шероховатость покрытия уменьшается, а сле­довательно, уменьшается и сцепление его с колесом.

Впадииы на поверхности покрытия между выступами шерохова­тости при увлажнении или загрязнении заполняются грязью, пылью, продуктами износа шии и т. д., что уменьшает возможную глубину вдавливания выступов в резину. Пленка влаги, смачивая зону контакта между шииой и покрытием, действует как смазка, разделяющая ре­зину и покрытие. Все это сийжает величину коэффициента сцепления. При высоких скоростях движения шииа ие успевает полностью дефор­мироваться, так как продолжительность контакта с покрытием для этого недостаточна, а следовательно, неровности покрытия вдавливают­ся в шину на меньшую глубину. В результате с ростом скорости ко­эффициент сцепленпя снижается. На сухих покрытиях снижение ко­эффициента сцепления со скоростью менее ощутимо, чем на увлаж­ненных. При сильном износе или при малой высоте и расчлененности, элементов протектора на мокром покрытии может возникать явление 44

зквапланпрования, когда между шииой и покрытием в начальной части зоны контакта накапливается вода, не успевающая выжаться в сто­роны, Под шииой образуется водяной клии, создающий гидродинамиче­скую подъемную силу, снижающую давление колеса на дорогу (рис. Ш.8).

При слое воды на покрытии толщиной в несколько миллиметров нарушение контакта передних колес с покрытием и потеря управляе­мости автомобиля становятся возможными при скоростях, близких к 80—100 км/ч,

В среднем можно считать, что коэффициент продольного сцепления шин, имеющих слабоизиошенный протектор, и гладкого влажного це- ментобетониого покрытия следующим образом зависит от скорости:

Спорость, км/ч , ... 30 40 60 80 100 120 150 175

Коэффициент спепле- вм, ч 0,50 0,45 0,39 0,35 0,32 0,29 0,26 0,24

В связи е тем что во время торможения скорость движения авто­мобилей меняется в широких пределах, при расчетах тормозного пути исходят из величии коэффициентов сцепления, относящихся к ско­ростям 30—40 км/ч, принимая их за среднее для всего процесса тор­можения. Коэффициенты продольного сцепления ф в зависимости от состояния покрытия имеют следующие значения:

Покрытие Значение ф

Сухое шероховатое 0,7 и более

» гладкое 0,6

Влажное 0.5

Мокрое . 0,4—0,3

Грязное . 0 2—0 3

Обледенелое 01 —X) 05

Условия сцепления пневмати­ческих шии е поверхностью доро­ги связаны с погодными условия­ми. Величина коэффициента сцеп­ления меняется в течение года в широких пределах, повышаясь ле­том и значительно снижаясь в период зимних гололедиц, когда для увеличения сцепления иногда приходится надевать иа колеса автомобиля шины с шипами или посыпать дорогу растворяющими лед гигроскопическими солями, песком или шлаком.

Коэффициент сцепления шины с покрытием — важнейшее усло­вие обеспечения транспортных качеств дороги, так как от него зависит возможность реализации

Рис. Ш.8. Схема возникновения вква- планнроваиия колес:

с — принципиальная зависимость коэффи­циента сцепления шины е мокрым покры­тием от скорости; 6 — схема уменьшения зовы контакта шины с мокрым покрытием

ЙкИспламрсВаниЯ

1Щм]</

при .увеличении скорости: 1 — шины с новым протектором; 2 — нано­шенные шины: 8— пленка воды>1 мм; 4 — водяной клин, образующийся под шиной) / — полная зона контакта колеса с покры­тием) II — умсньшевиая эоне; /// —аона контакта отсутствуе

тТаблице [П.2 Условия движения	Характеристика участков дорог	Коэффициент сцепления ф, не менее
Легкие Затрудненные Опасные	Прямые участки, кривые с радиусами более 1000 м, продольный уклон не более 30%ц при укрепленных обочинах Участки с кривыми в плане с радиусами 250 — 1000 м, с продольными уклонами от 30 до 60%о Участки с недостаточной видимостью, уклона­ми. превышающими расчетный, зоны примыканий и пересечений в однш уровне	0,45 0,50-0,45 0,60

тяговой силы автомобиля, устойчивость автомобиля против заноса иа кривых в плане и возможность своевременно остановить автомо­биль перед неожиданно возникшим препятствием или пешеходом.

Чем ответственнее назначение дороги и чем труднее условия дви­жения по отдельным ее участкам, тем более высокие требования предъ­являются к величине коэффициента сцепления.

При передаче дорог в эксплуатацию Строительные иомы и правила СССР предусматривают требования к коэффициентам продольного сцепления покрытий в слабоувлажненном состоянии при скорости движения автомобилей 60 км/ч, приведенные- в табл. 111.2.

Безопасное движение в периоды ухудшения погодных условий по скользкой поверхности покрытий возможно только при пониженных скоростях, соответствующих фактическим значениям коэффициента сцепления.

Условия сцепления ведущих колес с поверхностью дороги огра­ничивают динамические возможности автомобиля, поскольку при ма­лых коэффициентах сцепления большие тяговые усилия, обеспечивае­мые мощностью двигателя, не могут быть использованы из-за недостат­ка сцепления между колесами и покрытием. Поэтому наряду с дина­мическими характеристиками по мощности двигателя при тяговых расчетах используются также динамические характеристики по усло­виям сцепления, получаемые из уравнения тягового баланса при за- юене в уравнении (111.15) величины силы тяги Р_р по мощности двига­теля ее максимальным значением, возможным по условиям сцепления шины с покрытием Р_р — Сц>, т. е.

0'ф = 0/±0г±0/ + К_вю-^-, (111.18)

где С — нагрузка от ведущих колес на дорогу; К_в — сопротивление воз­духа; V — скорость движения автомобиля, км/ч

Относя избыток сцепления над сопротивлением воздушной среды к единице веса автомобиля, получим выражение динамической ха­рактеристики по сцеплению:

п»

■ О'ф-КиШ—■-

/>сц=/±г±/<= г—— (П1.19)

и\	1 ~0.6 г
		0,2.
		Ч1

Рис. Ш.9. Динамические характери- стики автомобиля: / — по силе тяги; 2 — но сцеплению Цифры у пунктирных кривы): указывают значение козффнциеитов сцепления

Ч %

Рис. ШЛО. График динамических ха­рактеристик используемый для тяго­вых расчетов

?в

" Н. МыФ

График динамических характеристик по условиям сцепления, при­мер которого дан иа рис. 111.9, строят для ряда значений коэффициен­та сцепления ф. Совмещение его е графиком динамических характери­стик по силе тяги позволяет выделить зоны, при которых обеспечива­ется возможность полного использования силы тяги (см, § 111.4),