Динамика

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

А.И. Шутов, И.А. Новиков, А.Е. Боровской, П.А. Воля

Основы динамики автомобильного транспорта

Учебно-методический комплекс для студентов специальности

240400 «Организация и безопасность дорожного движения» заочной формы обучения с применением дистанционных технологий

Белгород 2005

2

УДК 629. 113 (07) ББК 39. 33 я 7 Ш97

Рецензенты:

Профессор, заведующий кафедрой дорожно-строительных машин А.А. Богомолов

Профессор, кандидат технических наук, начальник управления государственного автодорожного надзора по Белгородской области А.И. Морозов

Шутов А.И., Новиков И.А., Боровской А.Е., Воля П.А.

Основы динамики автомобильного транспорта : Учеб. пособие / Ш97 Шутов А. И., Новиков И. А., Воля П. А., Боровской А.Е.–

Белгород: Изд-во. БГТУ им. В. Г. Шухова, 2004. – 126 с.

В данном учебно-методическом комплексе приведены сведения по динамики автомобильного транспорта, его теоретические и практические аспекты. Весь материал изложен на доступном языке, использованы современные технологии и методы расчета.

Учебно-методический комплекс предназначен для студентов специальности 240400– Организация и безопасность дорожного движения, а также

Ил. 15. Библиогр.: 3 назв.

УДК 629. 113 (07) ББК 39. 33 я 7

Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им В.Г. Шухова, 2005

3
1. СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА .................	5
АВТОМОБИЛЬ.......................................................................	5
1.1 Внешняя скоростная характеристика двигателя..............	5
1.2. Взаимодействие колеса и дороги....................................	2
Радиусы эластичного колеса..................................................	2
1.2.2. Нормальная и касательная реакция дороги..................	4
1.2.3. Коэффициент сцепления...............................................	7
1.2.4. Тяговая сила на ведущих колесах автомобиля ............	8
1.2.5.Сопротивление дороги.................................................	10
1.2.6. Уравнение движения автомобиля...............................	15
2. ПОКАЗАТЕЛИ ДИНАМИЧНОСТИ АВТОМОБИЛЯ....	18
2.1.Типовые режимы движения ...........................................	18
2.3.Динамический фактор ....................................................	20
2.4.Мощностной баланс автомобиля ...................................	21
2.5 Разгон автомобиля..........................................................	25
2.6. Движение автомобиля накатом.....................................	28
3.ТОРМОЗНАЯ ДИНАМИЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЯ........	31
3.1. Торможение автомобиля ...............................................	31
3.1.1. Торможение с отключенным двигателем...................	32
3.1.2.Торможение с неотключенным двигателем................	37
Экзаменационные вопросы..................................................	40
Список литературы:..............................................................	41

4

ВВЕДЕНИЕ

Специальность 240400 «Организация и безопасность движения» предусматривает изучение ряда специальных дисциплин, связанных с обычным и экстремальным движением автомобиля. С этой точки зрения «Основы динамики автомобильного транспорта» можно рассматривать как дисциплину теоретической подготовки студентов к восприятию такого, скажем, курса, как «Расследование и экспертиза ДТП» и др.

Под динамичностью автомобиля понимают его свойство перевозить грузы и пассажиров с максимально возможной средней скоростью при заданных дорожных условиях. Чем лучше динамичность автомобиля, тем выше производительность. Кроме того, динамичность автомобиля в полной мере определяет безопасность его эксплуатации.

Динамичность автомобиля зависит от его тяговых и тормозных свойств, поэтому пособие составлено из двух основных частей: тяговая динамика и тормозная динамика автомобиля.

Отдельные вопросы динамики автомобиля разрабатывались с момента его появления (конец XIX, начало XX веков).

Уже в 1905 г. великий российский ученый Н. Е. Жуковский исследовал основные явления, происходящие при качении жестко связанных колес различного диаметра, чем положил основу большому числу работ по механическим потерям в трансмиссии. Ему же принадлежит первое исследование движения автомобиля на повороте.

Впервые годы советской власти (1920 г.) был организован Научный автотракторный институт (НАТИ), в котором под руководством чл. корр. АН СССР Н. Р. Бриллинга были выполнены работы, послужившие основой для развития автомобильных наук.

Врамках работы НАТИ были разработаны ряд трудов, основными из которых были: «Динамическое и экономическое исследование автомобиля» (1928 г.) и «Теория автомобиля» (1935 г.) Е. А. Чудакова.

Большой вклад в развитие динамики автомобиля внесли ученые высших учебных заведений. В частности, проф. Зимелев Г.В. исследовал тяговую динамичность автомобиля и предложил аналитический метод расчета ее показателей. Проф. Певзнер Я. М. и Литвинов А.С. разработали теорию движения автомобиля на повороте с учетом боковой эластичности шин. В области тормозной динамики успешно работали проф. Бухарин Н.А. и Гредескул А.Б. , а Яковлевым Н.А. проделана большая работа по исследованию динамических и экономических свойств автомобильного поезда.

5

1. СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА АВТОМОБИЛЬ

Все силовые факторы, действующие на автомобиль, делятся на две основные категории:

-силы и моменты, движущие автомобиль;

-силы и моменты, оказывающие сопротивление движению. Источником энергии для осуществления движения автомобиля в

большинстве случаев является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), причем величина мощности, развиваемой ДВС, может изменяться вследствие действия целого ряда факторов (количества и качества горючей смеси, частоты вращения коленчатого вала и др.). В тяговой динамике мощность считают функцией только частоты вращения коленчатого вала n при полностью открытой дроссельной заслонке в карбюраторных двигателях или полной подаче топлива в цилиндры дизеля. При этих условиях в основу всех динамических расчетов закладывается внешняя скоростная характеристика двигателя.

1.1 Внешняя скоростная характеристика двигателя

Внешней скоростной характеристикой двигателя называют зависимость изменения эффективной мощности Рe и эффективного крутящего момента Μе от частоты вращения коленчатого вала n при полной нагрузке двигателя.

Скоростная характеристика любого двигателя определяется экспериментальным путем на специально оборудованных испытательных стендах, снабженных тормозными устройствами различного типа, позволяющих измерять крутящий момент Mе.

Частота вращения коленчатого вала n замеряется тахометром (строботахометром). Изменяя нагрузку от минимальной до максимальной, по ряду промежуточных режимов строят экспериментальный график в координатах Ме–n, а затем находят величину эффективной мощности для ряда значений n с последующим построением кривой Pе-n.

Необходимые замечания по размерностям перечисленных величин.

В системе СИ крутящий момент М измеряется в Hм (или в кHм), мощность Р в Вт (кВт), а частота вращения n системой СИ не предусмотрена, но тем не менее широко используется в технике и измеряется в об/мин.

6

Для измерения скорости вращения базовой величиной системы СИ является угловая скорость ω ( рад/сек).

Чтобы внести ясность в этот вопрос, используем известные из механики соотношения:

ω= ∙n/30,

Р=M∙ω,

следовательно,

Р=М∙π∙n/30 = 0,1047∙М∙n=0,1∙М∙n.

Вместе с тем, мощность ДВС во всем мире принято оценивать в т.н. «лошадиных силах» (л.с.).

1 л.с.=75 кГм/с = 0,736 кВт.

Таким образом, переход внесистемных (но используемых) единиц к системным осуществляется следующим образом:

Измеряемая		Внесистемные		Международная		Переводной
величина		единица		система СИ		множитель
Сила F		КГ			Н	1 кГ = 9,81 Н
Давление Р		кГ/см2		Па		1 кГ/см2 = 98100
						Па
Мощность ρ		л.с.		Квт		1л.с. = 0,736 кВт
Частота		об/мин.		Рад/с		1об/мин.= 30/π
вращения n						рад/с
К примеру,		характерная	для	многих	двигателей	мощность
Pе = 100л.с. = 73,6 кВт.			Ре и	Ме от n
Качественное		изменение			для карбюраторного
двигателя показано на рис.1.1.

7

Pe, Me

Pmax

Mmax

nmin

nM

nP nmax

n

Рис. 1.1. Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя

Частота вращения nmin является, наименьшей, при которой двигатель устойчиво работает в условиях полной нагрузки. С увеличением n момент и мощность увеличиваются, причем максимум момента достигается при некоторой частоте nM, а максимум мощности

– при nP.

Величины Мmax и Pmax, а также соответствующие им nM и nP указывают в технической характеристике двигателя.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала свыше nP мощность уменьшается главным образом вследствие ухудшения наполнения цилиндров смесью и увеличения механических потерь.

Как уже указывалось, внешняя скоростная характеристика определяется экспериментально, теоретические расчеты недостаточно точны, поэтому при необходимости воспроизвести полную кривую мощности используют эмпирическую зависимость, для которой необходима только одна известная (или заданная) точка (например, Рmax

и nP) :

Pe= Pmax[a∙( n/nP)+b(n/nP)² -c(n/nP)³] , л.с.,

(1)

где для карбюраторных двигателей а=в=с=1; для двухтактных дизелей а = 0,87, в = 1,13; с = 1;

для четырехтактных дизелей а = 0,53; в = 1,56; с = 1,09.

8

Кривые, приведенные на рис. 1.1., дают максимально возможные величины крутящего момента и мощности при любой заданной частоте вращения коленчатого вала, поскольку соответствуют режиму работы двигателя при полном открытии дроссельной заслонки (подачи топлива).

Скоростные характеристики, соответствующие работе двигателя с неполной нагрузкой, называются частичными (рис. 1.2).

М

	I		100%
		25%	50%
	0		n

II	10%
	0%

A

Рис. 1.2. Частичные и тормозные характеристики двигателя: I – активные режимы, II – зона торможения.

Цифры у кривых – процент открытия дроссельной заслонки. Резкое падение кривых момента, вызванное прикрытием дроссельной заслонки, приводит к уменьшению максимальной частоты вращения коленчатого вала, а при полном закрытии (холодный ход) n=nхх. Для вращения вала с частотой n>nхх на этом режиме необходимо приложить некоторый момент извне, при этом двигатель будет работать в качестве тормоза. Поэтому все кривые, лежащие ниже нулевой линии (в нашем случае – при 25%, 10% и 0%), называется тормозными характеристиками двигателя. Особый случай - кривая А, соответствующая «работе» двигателя с выключенным зажиганием и полностью закрытой дроссельной заслонке. Момент торможения в этом случае достигает максимальной величины, поэтому она называется внешней тормозной характеристикой двигателя.

Предельные режимы используются относительно редко. Так, при торможении автомобиля двигателем последний чаще всего работает на режиме

2

холостого хода с включенным зажиганием (кривая 0%) или с минимальной подачей топлива у дизеля.

Величина тормозного момента обычно вычисляется по эмпирическому

выражению:
Мтд = Vл (а1∙n – в1)∙ 10-2, Нм,	(2)

где Vл – рабочий объем (литраж) двигателя (см3); а1= 0,0008, в1= 0,15 для карбюраторных двигателей; а1=0,001, в1 = 0,2 для дизелей.

1.2. Взаимодействие колеса и дороги

Радиусы эластичного колеса

Все силы, воздействующие на автомобиль, передаются через колеса и шины на дорогу, вызывая их взаимную деформацию.

В дальнейшем будем использовать следующие обозначения: FZ – вертикальная сила;

Fх – горизонтальная сила, лежащая в продольной плоскости колеса;

Fу – горизонтальная сила, перпендикулярная к продольной плоскости колеса. При действии вертикальной силы и момента от нее шина деформируется

в радиальной и окружном направлениях. При действии силы Fу шина деформируется в поперечном направлении. Понятно, что геометрия эластичного колеса (в частности, его радиус) в процессе движения изменяется.

Различают следующие составляющие геометрии колес автомобиля. Статический радиус колеса rс–расстояние от поверхности дороги до оси

неподвижного колеса, нагруженного вертикальной нагруженного вертикальной нагрузкой.

Величина rc для шины каждого типа при рекомендуемых нагрузке и внутреннем давлении указана в технической характеристике шины. При отсутствии этих данных статический радиус можно найти по приближенной формуле:

rc = 0,5∙ d + λш ∙Н,

где d – диаметр обода колеса, Н – высота профиля шины, λш – коэффициент вертикальной деформации, равных для стандартных шин 0,8…0,9.

Динамический радиус колеса rд – расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса. Динамический радиус увеличивается с уменьшением вертикальной нагрузки Fz и увеличением внутреннего давления в шине pш. При увеличении скорости качения под действием центробежных сил rд увеличивается. У колеса, катящегося под воздействием крутящего момента, элементы протектора, входящие в контакт с дорогой, сжаты, и колесо за то же число оборотов проходит меньший путь, чем при свободном качении. У колеса,

3

нагруженного тормозным моментом, элементы протектора, входящие в контакт с дорогой, растянуты. Поэтому тормозящее колесо за то же число оборотов проходит больший путь, чем свободно катящееся. Таким образом, под действием крутящего момента динамический радиус rд уменьшается, а при действии тормозного момента увеличивается.

Радиусом качения колеса rк называют радиус такого условно недеформирующегося колеса, которое при качении без скольжения и буксования имеет те же скорости (угловую и линейную), что и рассматриваемое эластичное колесо.

Для определения rк на дорожном покрытии красящим веществом наносят поперечную черту, на которое при движении автомобиля накатывается колесо. При дальнейшем качении колесо оставляет на покрытии отпечатки краски. Замерив расстояние l между крайними отпечатками, определяют радиус качения по формуле:

rk= l/2∙π∙nk,

где nк – число интервалов между отпечатками (число оборотов на длине L).

При отсутствии проскальзывания (ведомые колеса ) rд≈rк, при полном буксовании шины l=0, следовательно, rк=0, а при движении заторможенных (не вращающихся ) колес юзом nк =0, а rк → ∞.

В инженерных расчетах обычно принимают, что rc = rд = rк.