Составляющие тягового баланса автомобиля

Законы движения автомобиля могут быть аналитически установлены, если известны силы, действующие на автомобиль в процессе его движения. Эти силы подразделяются на две группы: силы движущие и силы сопротивления.

Силами, движущими автомобиль, являются окружные (тангенциальные) силы, возникающих на шинах ведущих колес в точках соприкосновения их с дорогой в результате передачи вращающего момента М_е от двигателя к колесам. Результирующую составляющую этих сил называют тяговой силой (касательной силой тяги) на ведущих колесах.

Сумма сил ΣР_i внешних сопротивлений, испытываемых автомобилем при движении, включает в себя силы отдельные виды сопротивлений. К ним относятся: сила сопротивления качению Р_f, сила сопротивления подъему Р_h, сила сопротивления воздуха Р_w и сила сопротивления ускорению Р_j, которая обусловлена не только массой поступательно движущихся частей автомобиля, но и массами его вращающихся элементов конструкции (двигателя, трансмиссии и колес).

Касательная сила тяги

Между колесами и поверхностью, по которой движется автомобиль, под действием ведущего момента М_к, подведенного к ведущим колесам, возникает тяговое усилие, так называемая касательная сила тяги (Р_к ). Её можно подсчитать при известной характеристике двигателя по формуле:

где r_к - радиус приложения силы Р_к (радиус качения колеса).

u_кп - передаточное число коробки передач;

u₀ - передаточное число главной передачи (ведущего моста);

η_Т - КПД, учитывающий потери энергии в трансмиссии.

Касательная сила тяги представляет собой реакцию со стороны почвы или поверхности дороги, действующую на ведущие колеса в направлении движения машины.

Учитывая, что крутящий момент двигателя с учетом его характеристики изменяется в зависимости от его мощности N_е и угловой скорости ω коленчатого вала, можно воспользоваться также следующей формулой:

Таким образом, величина касательной силы тяги на ведущих колесах изменяется прямо пропорционально мощности двигателя, передаточному числу коробки передач u_кп и главной передачи (ведущего моста) u₀ и обратно пропорционально радиусу качения r_к ведущего колеса и угловой скорости ω (частоте вращения) вала двигателя.

Величина реакции почвы, направленная в сторону движения машины, численно равна сумме сил сопротивления движению автомобиля. На твердой недеформируемой поверхности дороги реакция, вызываемая вращением ведущих колес, зависит от величины силы трения между колесами и дорогой. При движении по мягкой почве протектор шины вдавливается в грунт и, кроме сил трения, в почве возникают горизонтальные реакции благодаря сцеплению выступающего рисунка протектора с почвой.

Следовательно, максимально возможная величина касательной силы тяги ограничивается силой сцепления ведущих колес Р_φ автомобиля с почвой:

Р_к ≤ Р_φ .

Сцепные качества автомобиля характеризуются коэффициентом использования сцепления (коэффициентом сцепления) φ.

Для автомобилей с одним ведущим мостом коэффициент использования сцепления определяется по формуле:

,

где G_φ – вес автомобиля, приходящийся на ведущие колеса (сцепной вес), Н.

Для автомобилей, у которых все колеса – ведущие (G_φ = G), коэффициент сцепления φ равен:

,

где Р_к – тяговое усилие на ведущих колесах автомобиля, Н;

G – вес (сила тяжести) автомобиля (G = mg), Н.

Если касательная сила тяги, реализуемая двигателем, превосходит величину возможной силы сцепления, то наступает буксование, полное или частичное проскальзывание ведущих колес. Движение автомобиля становится невозможным или происходит с большой потерей поступательной скорости. При работах автотягача на грунтовых дорогах с прицепом, как правило, имеет место буксование, вызванное возникновением сравнительно больших по величине горизонтальных реакций, которые вызывают некоторое смятие и сдвиг почвы, и соответствующую потерю скорости движения автомобиля.

Наибольшая касательная сила тяги, которая может быть реализована по условиям сцепления с почвой, не является постоянной величиной и зависит от условий эксплуатации автомобиля, физико-механических свойств грунта или дороги, а также от нагрузки, приходящейся на ведущие колеса.

Скорость поступательного движения машины (v, м/с) без буксования определяется угловой скоростью вращения ведущих колес (ω_к, с ^-1), радиусом их качения (r_к , м):

, м/с.

Так как скорости 1 м/с соответствует скорость 3,6 км/ч, а ω=πn/30, то:

, км/ч.

Таким образом, каждой величине угловой скорости коленчатого вала двигателя ω (или его частоте вращения n) соответствует на данной передаче определенная сила тяги на ведущих колесах автомобиля и определенная скорость (v).

Силы сопротивления движению автомобиля

Анализ сил сопротивления движению автомобиля позволяет установить, какая часть мощности, передаваемая от двигателя, может быть использована полезно и из каких составляющих состоит общее сопротивление движению.

Выше отмечалось, что на автомобиль в общем случае движения действуют следующие силы сопротивления:

1) сопротивление качению ( Р_f );

2) сопротивление воздуха ( Р_w );

3) сопротивление подъему ( Р_h );

4) сопротивление разгону ( Р_j );

5) тяговое (крюковое) сопротивление прицепа ( Р_кр ).