Параметры профильной проходимости автомобиля

Российский университет дружбы народов

 

Кафедра эксплуатации автотранспортных средств

 

 

В.М.Фомин

 

Автомобили

ТЕОРИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

АВТОМОБИЛЕЙ

 

 

Для студентов специальности 150201

 

 

 

 

 

 

Москва - 2008

 

 

Предисловие

 

Развитие в России автомобильной промышленности обусловило широкое применение автомобилей во всех отраслях народного хозяйства, строительства и обороны страны.

В современных условиях приобретает большое значение теоретическое изучение, связанное с практическими задачами дальнейшего развития, совершенствования и эффективной эксплуатации отечественной автомобильной техники.

К числу первых исследований законов движения автомобиля следует отнести работу знаменитого российского ученого Н.Е.Жуковского, впервые предложившего в 1917 г. обоснованное научное изложение движения автомобиля на повороте. Его исследования движения трехколесной тележки позволили установить основные явления, возникающие при качении жестко связанных между собой колес, имеющих различные диаметры. Эти исследования послужили началом дальнейших работ в области энергетических циркуляционных явлений многоприводных автомобилей.

Существенными предпосылками для создания теории автомобиля явились работы известных российских исследователей в области теплотехники и тепловых двигателей таких как В.И.Гриневецкий, Е.К.Мазинг, Н.Р.Брилинг, А.С.Орлин и др., посвященные разработке теории двигателей внутреннего сгорания, а также работы ученых–железнодорожников (Ю.В.Ломоносова, Г.В.Лебедева, С.А.Чаплыгина и др.) в области тяговых расчетов поездов.

В 1918 г. был организована научная автомобильная лаборатория, на базе которой в 1921 г. был создан научный автомоторный институт (НАМИ). В этом институте были начаты первые в России планово организованные научные работы по исследованию и испытанию автомобилей.

Создание в эти годы ряда автомобильных кафедр, факультетов, вузов и специальных научно-исследовательских центров способствовало дальнейшему расширению научных работок в области автомобильной техники, в частности, в области теории автомобиля.

Наиболее фундаментальные работы по современной теории автомобиля связаны с именем российского академика Е.А.Чудакова.

Повышение технического уровня автотранспортных средств (АТС) и связанный с этим рост их скоростей движения обусловило дальнейшее развитие вопросов устойчивости, динамики и экономичности автомобилей.

Конечной целью любого исследования в области теории автомобиля является совершенствование конструкции современных автомобилей и повышения эффективности их эксплуатации.

При решении этих проблем возникают следующие основные задачи:

· выбор оптимальной мощности двигателя для автомобиля заданного типа и класса;

· рациональный выбор типа и параметров силовой передачи автомобиля;

· снижение сопротивлений при движении АТС;

· повышение плавности хода;

· повышение проходимости автомобиля и связанные с этим компоновочные вопросы (например, выбор оптимального числа осей для АТС заданного веса);

· снижение эксплуатационного расхода топлива;

· рациональное комплектование автопоездов транспортного или специального типа;

· снижение веса автомобиля на основе детального изучения возможности снижения динамических нагрузок на механизмы силовой передачи и ходовой части и др.

В данном пособии приводятся основные положения теории автомобиля, рассматриваются закономерности и зависимости, связанные с движением автомобиля. Излагаются методики их изучения с учетом рекомендаций программы дисциплины «Автомобили» (специальность 150200 – «Автомобили и автомобильное хозяйство»), реализуемой на кафедре эксплуатации автотранспортных средств РУДН.

 

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

М_е- эффективный крутящийся момент двига­теля, Н·м;

i·V_h, - рабочий объем двигателя с числом цилиндров i, дм³ (л);

S - ход поршня, м;

D – диаметр цилиндра двигателя, м;

N_е - эффективная мощность двигателя, кВт;

g_Т - часовой расход топлива двигателя, кг/ч;

n_е - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин ^-1;

ω_е - угловая скорость коленчатого вала двигателя, с ^-1;

ρ_т - плотность топлива, кг/л;

G_а - полный вес автомобиля, Н;

G₁- вес, приходящийся на переднюю ось автомобиля, Н;

G₂ - вес, приходящийся на заднюю ось автомобиля, Н;

а - расстояние от центра масс (тяжести) автомобиля до передней оси, м;

b - расстояние от центра масс (тяжести) автомобиля до задней оси, м;

L - продольная база автомобиля, м;

В - ширина колеи автомобиля, м

Н- высота автомобиля, м;

h_g- высота центра масс (тяжести) автомобиля, м;

h_w- высота центра парусности, м;

ω_к - угловая скорость ведущих колес автомобиля, с ^-1;

v_а - скорость движения автомобиля, м/с (км/ч);

j - ускорение автомобиля, м/с²;

k_w - коэффициент обтекаемости автомобиля, Н·с²/м⁴;

F_w - площадь лобового сопротивления автомобиля (миделево се­чение), м²;

K_w·F_w- фактор обтекаемости, Н·с²/м²;

m₁, m₂ - коэффициенты перераспределения нагрузок на передние и задние колеса при торможении автомобиля;

J_дв - момент инерции вращающихся деталей двигателя, кг·м²;

J_к - момент инерции колеса автомобиля, кг·м²;

R- радиус поворота автомобиля, м;

Р_ц - центробежная сила, действующая в центре тяжести автомо­биля при повороте, Н;

S_Т - тормозной путь автомобиля, м;

f_np - статистический прогиб подвески под действием веса автомо­биля, м;

т_н - масса неподрессоренных частей автомобиля, кг;

т_к - масса подрессоренных частей автомобиля, кг;

u_к - передаточное число коробки перемены передач;

u₀ - передаточное число главной передачи;

u_тр - передаточное число трансмиссии;

r_к - радиус качения колеса, м;

Р_к - касательная сила тяги, Н;

Р_Т - тормозная сила между колесами и дорогой, Н;

f - коэффициент сопротивления качению;

f₀ - коэффициент сопротивления качению при движении с малой скоростью;

P_f - сила сопротивления качению, Н;

Р_ψ - сила сопротивления дороги, Н;

Р_h - сила сопротивления подъему, Н;

Р_w - сила сопротивления воздуха, Н;

P_j - сила сопротивления разгону (сила инерции), Н.

D - динамический фактор;

D_φ - динамический фактор по условию сцепления ведущих колес с дорогой;

η_тр - коэффициент полезного действия трансмиссии;

Q_s - путевой расход топлива двигателем, л/100 км;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

ψ - коэффициент сопротивления дороги;

φ - коэффициент сцепления колес с дорогой;

α - угол подъема (уклона) дороги, град;

δ_вр - коэффициент учета вращающихся масс;

δ₁ и δ₂ - угол бокового увода шин передних и задних колес авто­мобиля, град;

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

параметры оценки качеств автомобиля

Для суждения о возможности и целесообразности применения в заданных условиях эксплуатации того или иного типа автомобиля – существующего или проектируемого – необходимо установить параметры, пользуясь которыми можно объективно оценивать эксплуатационные качества данного автомобиля, определять соответствие его функциональному назначению и предъявляемым требованиям и сопоставлять данный автомобиль с другим.

Подробный перечень параметров оценки качеств автомобиля разработан академиком Е.А.Чудаковым. Остановимся лишь на основных, наиболее важных параметрах, используемых при оценке эксплуатационно-технических качеств автомобиля.

К ним относятся:

- проходимость автомобиля;

- его надежность;

- тяговые (динамические) качества АТС;

- экономические качества (экономичность) автомобиля;

- устойчивость автомобиля;

- плавность хода автомобиля и др.

О проходимости автомобиля судят по эффективности его работы вне дорог с твердым покрытием. В этих условиях под проходимостью понимают способность перемещаться АТС без остановки, преодолевая дорожные препятствия двух типов: препятствия профильного характера (канавы, бугры, камни и т.п.) и участки дороги со слабонесущим опорным слоем почвы или грунта. Поэтому проходимость автомобиля принято называть дорожной, подразделяя её на профильную и опорно-сцепную.

Профильная проходимость машины определяется главным образом геометрическими размерами и конструктивными особенностями, позволяющими машине преодолевать профильные препятствия.

Опорно-сцепная проходимость зависит от свойств колеса (шины) и тягово-сцепных качеств автомобиля в целом.

По уровню проходимости все автомобили принято подразделять на три категории с учетом их колесной формулы:

- автомобили ограниченной проходимости (4×2, 6×2, 6×4);

- автомобили повышенной проходимости (4×4, 6×6);

- автомобили высокой проходимости (8×8, 10×10 и специальные).

Автомобили ограниченной проходимости – это дорожные автомобили, эксплуатируемые на дорогах с твердым покрытием и грунтовых сухих дорогах. В сложных дорожных условиях они могут работать лишь при использовании приспособлений, повышающих сцепные свойства ведущих колес.

Автомобили повышенной проходимости являются модификациями основных (базовых) моделей автомобилей ограниченной проходимости и отличаются от них рядом конструктивных особенностей: привод на все колеса, шины с пониженным или регулируемым давлением воздуха, блокируемый дифференциал. Некоторые машины оснащают лебедками для само подтягивания и другими приспособлениями для преодоления препятствий.

Автомобили высокой проходимости отличаются от автомобилей ограниченной проходимости существенными конструктивными особенностями. Они комплектуются специальными шинами. Эти автомобили должны преодолевать различные рельефные препятствия – канавы, бревна, пни, камни, вертикальные стенки и т.д.

Профильная проходимость автомобиля на конкретной дороге определяется его компоновкой, геометрическими параметрами, диаметром и числом колес, в том числе и ведущих.

В соответствии с ГОСТ 22653-77 основными геометрическими параметрами автомобиля являются:

- дорожный просвет;

- углы переднего и заднего свесов;

- продольный радиус проходимости.

Наиболее низкими зонами автомобиля, определяющими дорожный просвет h_пр, являются картеры маховика и коробки передач, глушитель, передний и задний мосты (картер главной передачи ведущего моста). Минимальный просвет у современных легковых автомобилей не превышает 150…200 мм, у грузовых автомобилей он может достигать 220…300 мм и более (таблица 1).

При эксплуатации АТС на бугристой местности важным показателем проходимости автомобиля является радиус продольной проходимости (условный радиус выступа дороги, который может быть беспрепятственно преодолен автомобилем, не зависая на нем). Этот показатель определяется не только дорожным просветом, но и величиной базы автомобиля (рис.1). Очевидно, чем больше база автомобиля, тем ниже его проходимость при переезде через выступы, бугры и другие препятствия.

 

 

 

 

γ₁ γ₂

h_пр

R_а

Рис.1. Геометрические параметры профильной проходимости автомобиля.

 

Ограничивать проходимость автомобиля при его движении по пересеченной местности могут части кузова, выступающие за оси спереди и сзади автомобиля. Если из низших точек этих частей кузова провести к переднему и заднему колесам касательные, то углы между ними и плоскостью дороги определят углы переднего γ₁ и заднего γ₂ свесов автомобиля. Эти углы дополнительно определяют показатель его проходимости по неровной дороге, которая возрастает с увеличением этих углов.

Значительный вынос (свес) двигателя вперед, за переднюю ось, и вытянутая, низко расположенная задняя часть кузова, что характерно для легковых автомобилей, затрудняют движение автомобиля по пересеченной местности.

В таблице 1 приведены значения параметров профильной проходимости для различных автомобилей.

Таблица 1.

Параметры профильной проходимости автомобиля

Тип автомобиля	Дорожный просвет hпр, мм	Угол переднего свеса γ1, град.	Угол заднего свеса γ2, град.
Легковые	150…200	20…30	15…20
Грузовые	240…300	40…60	25…40
Автобусы	220…300	10…40	6…20
Высокой проходимости	400…500	60…70	50…60

 

Параметры движителя (диаметр и число колес, колесная формула) в наибольшей степени проявляются при оценке проходимости автомобиля при преодолении канавы или рва. Ширина рва b, через который может пройти двухосный автомобиль, может быть принята равной радиусу r_к колеса. Эта величина несколько больше для автомобилей с обоими ведущими мостами и достигает примерно 1,2r_к. Трехосные автомобили любой схемы не имеют в этом отношении существенных преимуществ.

Ров большей ширины наиболее эффективно преодолевается четырехосными автомобилями. Ширина преодолеваемого рва при этом может быть принята приближенно равной b = L₀ + 1,2 r_к. (L₀ - расстояние между смежными осями автомобиля).

Помимо рассмотренных параметров автомобиля профильная проходимость зависит от приспособляемости колес к неровностям дороги без потери контакта с ней. Это свойство автомобиля зависит от допустимого угла взаимного перекоса мостов относительно горизонтальной плоскости.

Способность преодоления много осевым автомобилем широкого рва за счет возможности нависания над ним определяется числом, расположением и способом крепления мостов к корпусу машины, а также размещением центра масс по длине АТС. Чем больше продольная база и число мостов автомобиля, тем большую по ширине канаву или ров может преодолеть колесная машина «на весу» без опрокидывания. В этих условиях по парное объединение мостов в качающуюся тележку снижает проходимость машины через ров.

Свойства опорно-сцепной проходимости проявляются при движении автомобиля по слабо связным грунтам и зависят от соотношения между сцеплением ведущих колес с опорной поверхностью и сопротивлением его качению. Чем больше это соотношение, тем выше проходимость автомобиля.

При контакте колеса с почвой происходит ее деформирование в вертикальном, продольном и боковом направлении. Вертикальные деформации почвы определяют потери энергии на образование колеи, то есть на качение. Горизонтальные (продольные) деформации характеризуют сцепление с почвой.

С увеличением деформации почвы в горизонтальном направлении и глубины колеи возрастает высота почвенного клина перед колесом. Это явление получило название бульдозерного эффекта. Наиболее существенное проявление этого эффекта обнаруживается на влагонасыщенных и пластичных почвах, для которых характерно высокое боковое выпирание. Чем выше плотность почвы, тем меньше высота валиков её бокового выпирания. При увеличении ширины колеса боковое выпирание почвы снижается.

Важным параметром, определяющим опорно-сцепную проходимость колеса, является жесткость шины, от которой зависит величина среднего давление шин на грунт:

,

где G_a - полный вес автомобиля;

F_а - площадь пятна контакта шины с дорогой;

n_ш - число шин.

Жесткости шины и почвы должны быть приблизительно одинаковыми, чтобы их деформации при взаимном давлении соотносились определенным образом. Если жесткость шины значительно превышает жесткость почвы, образуется глубокая колея, снижающая проходимость автомобиля. Если наоборот, то шина излишне деформируется, вследствие чего увеличивается площадь пятна контакта и возрастает сопротивление качению.

Увеличение площади пятна контакта с почвой можно увеличением ширины и диаметра колеса, а также снижением давления воздуха в шине.

Проходимость на влажных и рыхлых грунтах обеспечивается благодаря небольшим удельным давлениям на площадке контакта шины автомобильного колеса с дорогой. Среднее удельное давление шины на опорную поверхность колеблется в пределах 0,05…0,18 МПа. На дорогах с твердым покрытием удельное давление для данного типа шины зависит от нагрузки и давления воздуха в шине. При значительно деформирующейся опорной поверхности (песок, болотистый грунт и т.п.) величина удельного давления зависит также от степени погружения колеса в грунт.

На влажных грунтовых дорогах и мягких почвах огромное значение имеет самоочищаемость колес от грязи с целью снижения буксования. Рыхлая или влажная почва создает условия повышенного сопротивления движению и требует более высокого крутящего момента на ведущих колесах машины.

Для движения по мягкому связному грунту применяются широкие шины с развитым рисунком протектора, а также шины арочного типа с внутренним давлением 0,05…0,15 МПа. Например, при наружном диаметре 1035 мм ширина профиля арочных шин равна 650 мм. Благодаря этому увеличивается опорная площадь шины и площадь участвующих в сцеплении почвозацепов.

Проходимость автомобиля при его движении по легкодеформируемым грунтам повышается при совпадении следов передних и задних колес. При этом условии задние колеса катятся по уплотненной колее, проложенной передними колесами, что снижает их работу по деформации грунта, уменьшает общее сопротивление качению автомобиля.

У грузовых автомобилей ограниченной проходимости задние колеса делают, как правило, сдвоенными. При этом внутренним и наружным шинам задних колес приходится разрушать края колеи, образованной передними колесами. Это вызывает возрастание сил сопротивления качению и снижение проходимости автомобиля.

Следует иметь в виду, что положительные качества эффекта совпадения следов для передних и задних колес проявляются при движении автомобиля на прямолинейном участке дороги. В случае криволинейного движения автомобиля колеи передних и задних колес не совпадают. Это является одной из причин резкого повышения сил сопротивления качению при повороте автомобиля на рыхлых грунтах. При переходе автомобиля в поворот с минимальным радиусом сила сопротивления качению возрастает в 2...3 раза.

Кроме рассмотренных выше мер, в практике эксплуатации автомобилей используются также и другие способы по повышению их проходимости:

1. Использование шин с рисунком повышенной проходимости, которые оснащаются высокими выступами протектора и грунтозацепами.

2. Повышение сцепной массы автомобиля за счет перераспределение его веса на ведущие колеса. Радикальной мерой повышения сцепной массы является переход к полноприводной схеме.

3. Использование цепей противоскольжения. Используют мелкозвенчатые цепи, траковые цепи с поперечными ромбовидными и косыми траками, а также шлицевые цепи, состоящие из штампованных пластин.

4. Блокировка (отключение) межосевого дифференциала в раздаточной коробке у автомобилей повышенной проходимости.

5. Использование лебедок самовытаскивания (ЗИЛ-131 и др.).

6. Динамическое преодоление повышенных дорожных сопротивлений на отдельных участках ограниченной длины (крутой подъем, нанос снега, заболоченное место и др.). При этом используют не только мощность, подводимую к ведущим колесам, но и запас кинетической энергии Т автомобиля:

,

где δ_врm_а – приведенная масса автомобиля (с учетом инерции вращающихся масс δ_вр);

v – скорость автомобиля.

Из приведенной формулы следует, что длина участка пути, преодолеваемого динамическим способом, тем больше, чем выше скорость, с которой автомобиль выезжает на данный участок.

Надежность автомобиля – параметр, характеризующий способность автомобиля работать продолжительное время без поломок и значительных износов, нарушающих нормальное функционирование его механизмов.

Надежность работы автомобиля оценивается величиной его пробега (км) между двумя очередными остановками, вызванными техническими неисправностями, или затратами времени (в часах) на устранение неисправностей, отнесенными к 1000 км пробега. Методы оценки этих качеств рассматриваются в курсе «Конструкция и расчет автомобилей».

Тяговые (динамические) качества автомобиля оцениваются по величинам максимальной и средней технической скорости в данных дорожных условиях, и определяются отношением тяговых усилий на ведущих колесах к суммарным сопротивлениям, которые испытывает автомобиль при его движении.

Одним из элементов оценки тяговых качеств автомобиля является его тормозные качества. Это объясняется тем, что высокие тормозные качества обеспечивают возможность безопасного движения с большими средними и максимальными скоростями.

Экономические качества автомобиля характеризуются расходом топлива при движении автомобиля в заданных условиях. Они зависят от топливной экономичности двигателя, от внешних условий движения, нагрузки скорости и сопротивлений, которые преодолевает автомобиль при движении. В качестве показателя топливной экономичности двигателя используют величину удельного расхода топлива (г или кг) на единицу (кВт) произведенной мощности в час (на валу двигателя). Однако, с учетом сказанного выше, этот единичный измеритель не может служить критерием для оценки экономических качеств автомобиля в целом. Поэтому об экономических качествах автомобиля судят по величине эксплуатационного расхода топлива в килограммах или литрах на 100 км пройденного пути.

По среднему расходу топлива на 100 км пройденного пути в заданных условиях движения и по емкости топливных баков подсчитывается запас хода автомобиля, то есть величина пути, который может пройти автомобиль без дозаправки топливом. В технической характеристике автомобиля запас хода обычно указывается для движения в хороших дорожных условиях (горизонтальное шоссе с твердым покрытием).

В некоторых случаях применяют понятие радиус действия автомобиля. Эта величина равна половине запаса хода. Запас хода зависит не только от размеров топливного бака и качества дороги, но и от скорости движения автомобиля. Запас хода грузовых автомобилей составляет примерно 300…500 км, что обеспечивает их среднесуточный пробег.

От показателя плавности хода автомобиля, который обусловлен характером колебаний АТС при движении, зависит утомляемость водителя и пассажиров, производительность и качество работ, а также долговечность агрегатов. Плавность хода автомобиля обусловлена в основном за счет применения эффективной конструкции подвески. Критериями плавности хода являются величины и частота вертикальных и угловых колебаний и ускорений. Рациональная конструкция подвески машины, плавность её хода позволяют эксплуатировать технику на более высоких скоростях, обеспечивая при этом повышенную производительность и экономичность.

Устойчивость автомобиля характеризует способность АТС двигаться в разнообразных дорожных условиях без продольного или поперечного опрокидывания и без бокового скольжения колес. Этот показатель оценивается параметрами продольной и поперечной устойчивости машины (предельные углы уклонов и критические скорости поворотов с малыми радиусами).

Показатели удобства и легкости управления и обслуживания характеризуются рациональной конфигурацией сидений, защищенностью водителя от солнечных лучей, шума, пыли и дождя, вентиляцией кабины; величинами усилий, необходимых для управления автомобилем, удобством пользования механизмами управления, а также приспособленностью машины к техническому обслуживанию и ремонту.

Помимо перечисленных выше качеств автомобиля, к важным эксплуатационным показателям относят маневренность и управляемость.

Маневренностью называется приспособленность к поворотам на малых площадях. Критерием маневренности служит наименьший радиус поворота. Для его уменьшения сокращают базу машины, тормозят внутреннее (по отношению к кривой поворота) колесо. Применение торможения внутренних колес уменьшает радиус поворота практически вдвое.

Управляемостью автомобиля называется его способность к сохранению направления движения, заданное водителем. Важным показателем управляемости машины является способность сохранять прямолинейное движение.

 

 

Глава 1.