- •1. Содержание и объём работы
- •2. Расчётное определение эксплуатационных свойств автомобиля
- •2.1. Определение тягово-скоростных свойств автомобиля
- •2.2. Определение параметров автомобиля при подготовке исходных данных
- •3. Анализ тормозных свойств автомобиля
- •4. Устойчивость автомобиля
- •5. Управляемость автомобиля
2.2. Определение параметров автомобиля при подготовке исходных данных
2.2.1. Коэффициент полезного действия трансмиссии. КПД трансмиссии автомобиля является величиной переменной, зависящей от многих факторов: числа и свойств кинематических пар, передающих механическую энергию от коленчатого вала двигателя к ведущим колёсам, передаваемого момента, частоты вращения валов, свойств рабочих жидкостей и смазочных масел в агрегатах трансмиссии и других факторов. Его можно рассчитать по формуле
тр= 0,96к 0,97l 0,995m,
где к - количество пар цилиндрических шестерён, участвующих в передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колёсам; l - количество пар конических (гипоидных) шестерён, т - количество карданных шарниров. При отсутствии необходимых данных о значениях КПД отдельных механизмов трансмиссии значения общего КПД трансмиссии (тр) автомобиля могут быть приняты в таких пределах:
- легковые автомобили и автобусы особо малого класса - 0,92÷0,94;
- грузовые автомобили и автобусы с колёсной формулой 4х2 и одинарной главной передачей - 0,90÷0,92;
- грузовые автомобили и автобусы с колёсной формулой 4х2 и двойной главной передачей - 0,88÷0,90,
- грузовые автомобили и автобусы с колёсной формулой 4х4 и двойной главной передачей - 0,85÷0,88,
- грузовые автомобили и автобусы с колесной формулой 6х4 и 6х2 и двойной главной передачей - 0,82÷0,85;
- грузовые автомобили 6х6 c двойной главной передачей - 0,80÷0,82. КПД используется для оценки потерь мощности в трансмиссии.
2.2.2. Фактор сопротивления воздуха. Фактор сопротивления воздуха Wв определяется по формуле
Wв = Кв Fа ,
где Кв – коэффициент обтекаемости, Нс2 /м4;
Fа - площадь Миделева сечения автомобиля, м2.
Площадь Миделева сечения определяют по формуле
Fа = Нг Вг КF ,
где КF - коэффициент использования площади Миделя.
В расчётах значение коэффициента КF может быть принято в диапазоне 0,8÷0,9.
Коэффициент обтекаемости может быть выражен через формулу:
Кв=0,5Сx ρ,
где Сx – безразмерный коэффициент формы;
ρ – плотность воздуха.
Согласно ГОСТ 4401-81, на уровне моря ρ=1,225 кг/м3.
При отсутствии экспериментальных данных по заданному автомобилю в расчётах можно использовать (при угле натекания, равном нулю) следующие средние значения коэффициента сопротивления воздуха Кв и Сx:
Таблица 2
|
Сx |
Кв |
Легковые автомобили |
0,3÷0,6 |
0,2÷0,35 |
Автобусы: капотной компоновки вагонной компоновки |
0,75÷0,9 0,6÷0,75 |
0,45÷0,55 0,35÷0,45 |
Грузовые автомобили: бортовые с кузовом фургон |
0,9÷1,15 0,8÷1 |
0,5÷0,7 0,5÷0,6 |
Автоцистерны |
0,9÷1,1 |
0,55÷0,65 |
Автопоезда |
1,4÷1,55 |
0,85÷0,95 |
Гоночные автомобили |
0,25÷0,3 |
0,15÷0,2 |
Фактор обтекаемости Wв, количественно характеризует аэродинамические качества автомобиля и служит для определения сил и мощностей сопротивления воздуха.
2.2.3. Радиус колеса. При анализе эксплуатационных свойств автомобиля пользуются различными радиусами колеса - номинальным, статическим, динамическим и кинематическим. Для движущегося автомобиля речь может идти только о двух радиусах - динамическом и кинематическом. При анализе силовых и мощностных параметров взаимодействия колеса с опорной поверхностью (дорогой) необходимо пользоваться понятием динамического радиуса, который ориентировочно можно определить по формуле
,
где - коэффициент широкопрофильности; р - коэффициент радиальной деформации шин. Для шин среднего и низкого давления принимают р=0,09÷0,14. При этом с повышением размеров шин и давления в них значение р возрастает.
Кинематический радиус колеса определяют как отношение
,
где Vа - скорость автомобиля, м/с; wк - угловая частота вращения колеса, с-1.
Понятием "кинематический радиус колеса" пользуются при анализе скоростей и ускорений автомобиля. Его величина изменяется в широких пределах - от нуля (буксование) до бесконечности (юз).
В расчётах можно принимать значения кинематического и динамического радиусов одинаковыми. Размеры шин (Дш, Вш и ) определяются из маркировки шин, которая приводится в справочной и специальной литературе.
2.2.4. Коэффициент учёта вращающихся масс. Этот коэффициент показывает, во сколько раз сила, необходимая для разгона с заданным ускорением как поступательно движущихся масс, так и вращающихся масс автомобиля, больше силы, необходимой для разгона только поступательно движущихся масс. Он рассчитывается по формуле:
;
; ;
где Im - момент инерции маховика двигателя, кг-м2;
Iк - суммарный момент инерции всех колёс автомобиля, кг-м2;
т - масса автомобиля в пределах от снаряженной до полной, кг.
Поскольку значения моментов инерции маховика и связанных с ним деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя не всегда известны, значения коэффициентов 1 , 2 могут быть приняты для автомобилей при номинальной нагрузке, в следующих пределах: 1=0,04-0,06; 2=0,03-0,05- Меньшие значения относятся к более тяжелым автомобилям.
Коэффициент учёта вращающихся масс используется при расчёте сил инерции автомобиля.
2.2.5. Распределение массы автомобиля по мостам. Распределение нагрузки по мостам от массы автомобиля необходимо знать для подбора шин и определения по их размерам радиусов колеса - кинематического и динамического. Для грузовых автомобилей распределение нагрузки между мостами зависит главным образом от того, на каких дорогах они будут эксплуатироваться. У автомобилей, предназначенных для движения по дорогам I и II категорий, нагрузка, приходящаяся на задний ведущий мост, составляет (0,62-0,7)mа, а у автомобилей, предназначенных для движения по дорогам всех пяти категорий, кроме выполненных на шасси легковых автомобилей, составляет (0,7-0,75) mа. Нагрузка на ведущий мост тем больше, чем чаще придется двигаться автомобилю по дорогам низших категорий. Увеличение нагрузки улучшает проходимость автомобиля, а ее уменьшение повышает грузоподъемность. Это объясняется тем, что сила веса, приходящаяся на ведущий мост, ограничена законодательством всех стран. В России нагрузка, приходящаяся на задний ведущий (наиболее нагруженный) мост двухосного автомобиля, предназначенного для движения по дорогам 1-2 категорий, не должна превышать 100 кН, на тележку трехосного автомобиля - 180 кН. На ведущий мост двухосных автомобилей, предназначенных для движения по дорогам 3-5 категорий, нагрузка не должна превышать 60 кН, на тележку -110 кН, а для двухосных самосвалов - 65 кН.
У легковых автомобилей распределение нагрузки от полной массы по мостам зависит в основном от компоновки: для классической компоновки на задний мост приходится (0,52-0,55) mа; с задним расположением двигателя -(0,56-0,6) mа; у переднеприводных - (0,4-0,45) mа.
Распределение нагрузки от полной массы у автобусов определяется исходя из их назначения.
Зная координаты центра масс, можно для конкретного автомобиля определить силу веса, приходящуюся на передний и задний мосты:
и
где mк1 g и mк2 g - сила веса, приходящаяся соответственно на передний и задний мосты, кН; g - ускорение свободного падения.
Для трёхосного автомобиля с симметричной балансирной подвеской тележки можно считать, что силы веса, действующие на второй (mк2 g) и третий (mк3 g) мосты равны: mк2 g= mк3 g . Тогда
где mк2-3 g - суммарная сила веса автомобиля, приходящаяся на тележку, кН; La1 -расстояние между осями симметрии переднего и среднего мостов, м; с - расстояние между осями симметрии второго и третьего мостов, м.
В этом случае схема сил трёхосного автомобиля может быть заменена эквивалентной схемой двухосного автомобиля с суммарной силой веса, приходящейся на ось балансирной тележки, mк2-3 g и базой автомобиля :
Если из справочной литературы известны нагрузки, приходящиеся на передний и задний мосты (тележку), а неизвестны координаты центра масс, то решается обратная задача по их определению.
Продольные координаты центра масс груженого автомобиля а и b при известном распределении полной массы по мостам определяют соответственно по следующим зависимостям:
; ;
Нормальные реакции дороги на колеса переднего (Rz1) и заднего (Rz2) мостов движущегося с ускорением автомобиля или в случае его трогания могут быть больше или меньше, чем сила веса, приходящаяся на соответствующий мост, т.е. динамические реакции не равны статическим нагрузкам:
и ,
где mp1 и mp2 - коэффициенты перераспределения реакций соответственно переднего и заднего мостов.
В тяговом режиме, т.е. в случае, когда продольная реакция на ведущих колёсах положительна, нормальные реакции на колёсах переднего моста (Rz1) всегда меньше, а заднего (Rz2) - всегда больше, чем статические реакции mк1g и mк2g . В соответствии с этим коэффициент динамического перераспределения реакций переднего моста mp1 в тяговом режиме всегда меньше единицы, а заднего ma g - всегда больше единицы.
В зависимости от решаемой задачи и исходных данных коэффициенты mp1 и mp2 приближённо можно определить по следующим формулам, приведённым в табл.2.
Таблица 3
Определение коэффициентов mp1 и mp2
Известный параметр
|
Формула для определения коэффициента
| |
mp1
|
mp2
| |
Сила тяги автомобиля Рт
|
|
|
Коэффициент суммарного дорожного сопротивления |
|
|
Коэффициент сцепления шин с дорогой x |
|
|
Значение координаты центра масс гружёного автомобиля hц по высоте находят в специальной и справочной литературе. Если таких данных нет, то можно пользоваться ориентировочными значениями положения центра масс по высоте, которые находятся в пределах:
- для грузовых автомобилей hц = (0,3-0,35)La;
- для легковых автомобилей hц = (0,2-0,25) La;
- для автобусов hц = (0,35-0,38) La.
На дорогах с искусственным покрытием максимальное значение коэффициента mp2 и минимальное mp1 достигают при разгоне автомобиля с максимальным ускорением. В этих условиях предельные значения коэффициентов для автомобилей различных типов в гружёном и незагруженном состоянии находятся в пределах: mp1 = 0,7-0,9; mp2 = 1,1-1,3. О нахождении коэффициентов суммарного дорожного сопротивления и коэффициента сцепления шин с дорогой x будет сказано в подразделе 2.3. Коэффициенты mp1 и mp2 будут использованы при расчете и построении динамической характеристики и динамического паспорта автомобиля.
2.3. Определение возможности движения автомобиля
При анализе возможности движения автомобиля строят динамический паспорт автомобиля. Для этого к динамической характеристике достраивают номограмму нагрузок и график контроля буксования. При этом заданными являются:
1. Уклон (подъём) дороги i (для определения коэффициента суммарного дорожного сопротивления );
2. Тип и состояние дороги (для определения коэффициента сцепления шин с дорогой x).
С учетом найденных значений и x по динамическому паспорту определяют передачу в КП и максимальную скорость, с которой порожний и полностью гружённый автомобиль может (или не может) двигаться на подъеме при полной подаче топлива для двух вариантов:
I. Дорога - мокрое асфальтобетонное шоссе; подъем 10%.
II. Дорога - снежный накат; подъем 10 %.
2.3.1. Коэффициент суммарного дорожного сопротивления. Он определяется выражением
= f cos sin ,
где f - коэффициент сопротивления качению эластичных шин автомобиля; - уклон (подъём) дороги в градусах ({+} - подъём, {-} - уклон).
В теории автомобиля принято измерять подъём (уклон) не в градусах, а в долях радиана (один радиан равен 57,3°). В дорожном строительстве изменение вертикального профиля дороги обозначают уклоном в процентах. Связь между этими параметрами для малых углов приведена в табл. 3.
Таблица 4
Значения параметров вертикального профиля дороги
Параметр |
Значения параметра | |||
, град |
5 |
10 |
15 |
20 |
, рад |
0,087 |
0,174 |
0,262 |
0.349 |
tg |
0,087 |
0,176 |
0,268 |
0,363 |
sin |
0,087 |
0,174 |
0,258 |
0,342 |
Уклон, % |
8,7 |
17,4 |
26,2 |
34,9 |
i |
0,087 |
0,174 |
0,262 |
0,349 |
На основании анализа приведённых данных можно сделать вывод, что для малых углов подъёма (уклона), свойственных большей части автомобильных дорог, значения tg и sin незначительно отличаются от угла . Следовательно, можно записать
tg sin i
где i - уклон дороги в долях радиана.
Уклон в процентах в дорожном строительстве получают умножением значения i на 100 %. Например, уклон в 16 % соответствует углу = 0,16 рад (i = 0,16) или
= arctg = arcsin = 9,15°.
Связь между углами и (i) может быть выражена зависимостью = 57,З
Принимая для малых углов уклона дороги cos i, коэффициент суммарного дорожного сопротивления рассчитывают по формуле
= f sin = f tg(tg) = f i .
На коэффициент сопротивления качению оказывают влияние различные факторы: тип и конструкция шины, её техническое состояние, вертикальная нагрузка и горизонтальная реакция, тип и состояние дорожного покрытия, давление воздуха в шине, скорость движения автомобиля и др. Считая техническое состояние шины хорошим, а давление воздуха соответствующим норме, при анализе тягово-скоростных свойств автомобиля учитывают влияние скорости движения на коэффициент сопротивления качению по формуле
,
где Va - скорость движения автомобиля, м/с;
f0 - коэффициентов сопротивления качению при малых скоростях.
Значения коэффициентов сопротивления качению шин для различных типов дорог приведены в табл. 5.
Таблица 5
Коэффициенты сопротивления качения
Тип и состояние дороги |
Значение коэффициента f0 |
С асфальто- и цементо-бетонным покрытием: в отличном состоянии в удовлетворительном состоянии |
0,007÷0,015 0,015÷0,02 |
Булыжная мостовая |
0,025÷0,030 |
С гравийным покрытием |
0,02÷0,025 |
Грунтовая дорога: сухая укатанная после дождя |
0,025÷0,030 0,050÷0,15 |
Песок: сухой сырой |
0,10÷0,30 0,06÷0,15 |
Укатанный снег |
0,03÷0,05 |
Рыхлый снег |
0,10÷0,30 |
Обледенелая дорога, лед |
0,015÷0,03 |
При выполнении работы могут быть заданы уклон дороги, тип и состояние дорожного покрытия либо категория дороги. Для дорог различных категорий значения коэффициентов сопротивления качению при малых скоростях (f0), уклонов (i) и коэффициентов суммарного дорожного сопротивления () могут быть взяты из табл. [4].
2.3.2. Коэффициент сцепления шин с дорогой. При определении условий движения автомобиля в тяговом режиме необходимо найти максимальное значение горизонтальной реакции Rx max, которая будет равна силе сцепления колеса с дорогой Рсц. Отношение силы сцепления к вертикальной реакции, действующей на колесо, называется продольным коэффициентом сцепления шин с дорогой и обозначается x .
При увеличении тягового момента на колесе наблюдается деформация шины и частичное проскальзывание в пятне контакта тины с дорогой. Это явление оценивается коэффициентом буксования, который определяется формулой:
где VТ и VД - теоретическая и действительная скорость движения автомобиля, м/с.
Эти скорости определяются:
VТ = к rк0 и VД = к rк ,
где к - угловая частота вращения колеса, rк0 - радиус качения колеса в свободном режиме движения, м; rк - кинематический радиус колеса в тяговом режиме, м.
Следовательно,
С учетом неравенства rк0 и rк (кроме свободного режима движения) коэффициент буксования изменяется от 0 до 100 %.
При увеличении коэффициента буксования шины коэффициент сцепления x возрастает, достигая максимума при = 20÷25 %. При дальнейшем увеличении коэффициента буксования коэффициент сцепления уменьшается. При полном буксовании ведущих колёс ( =100 %) значение x может быть на 10÷15 % меньше максимального. Коэффициент x определяется опытным путём. В табл. 6 приведены средние значения коэффициентов продольного сцепления при оптимальном и 100 %-ном скольжениях.
Большое влияние на коэффициент x оказывает рисунок протектора. Протектор шин легковых автомобилей имеет мелкий рисунок, обеспечивающий хорошее сцепление с твёрдым покрытием. У шин грузовых автомобилей рисунок протектора крупный, с широкими и глубокими впадинами. Такие шины врезаются в грунт, улучшая проходимость автомобиля. При эксплуатации шины выступы истираются и уменьшается коэффициент сцепления, причём на дорогах с недостаточной шероховатостью он может снизиться до 0,2÷0,25. Недостаточная величина коэффициента сцепления является причиной многих дорожно-транспортных происшествий.
Таблица 6
Значения коэффициентов сцепления шин с дорогой φx
Тип и состояние дороги |
φXmax |
φX100 |
Сухой асфальт и бетон |
0,8÷0,9 |
0,7÷0,8 |
Мокрый асфальт |
0,5÷0,7 |
0,45÷0,6 |
Мокрый бетон |
0,75÷0,8 |
0,65÷0,7 |
Гравий |
0,55÷0,65 |
0,5÷0,55 |
Грунтовая дорога: сухая мокрая |
0,65÷0,7 0,5÷0,55 |
0,6÷0,65 0,4÷0,5 |
Уплотненный снег |
0,15÷0,2 |
0,15 |
Лед |
0,1 |
0,07 |
Для обеспечения безопасности движения его величина не должна быть менее 0,4. Поэтому правилами дорожного движения предусмотрено запрещение эксплуатации автотранспорта при уменьшении остаточной глубины рисунка протектора ниже определённых норм: грузовых автомобилей - 1,0 мм; автобусов - 2,0 мм; легковых автомобилей - 1,6 мм.
По результатам анализа необходимо сделать выводы о том, что нужно сделать для обеспечения возможности движения автомобиля в заданных условиях.