Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь

Силы, действующие на автомобиль при его движении





Внешние силы, действующие на автомобиль в процессе движения, подразделяют на две группы:

сила движения (тяговая сила на ведущих колесах);

силы сопротивления (силы сопротивления качению ведомых и ведущих колес, силы сопротивления подъему автомобиля, силы сопротивления воздуха и силы сопротивления разгону (сила инерции)).

Радиус колеса. Движителем автомобиля является колесо с пневматической (эластичной) шиной, у которого различают следующие радиусы:

статический радиус rс – расстояние от оси неподвижного колеса до опорной поверхности (дороги);

динамический радиус rд– расстояние от оси катящегося колеса до опорной поверхности;

радиус качения rк – отношение линейной скорости оси колеса к его угловой скорости. Радиус качения можно также определить так: rк = rоλ(где rо - свободный радиус колеса, λ – коэффициент деформации шин, λ = 0,94…0,96).

Тяговая сила на ведущих колесах автомобиля

Если бы крутящий момент передавался от вала двигателя к ведущим колесам без механических потерь, тяговая сила на ведущих колесах при равномерном движении была бы равна

Pк = Mкр Uк Uо / rк,

где Mкр – крутящий момент двигателя; Uк – передаточное число коробки передач, Uо – передаточное число главной передачи; rк – радиус качения колеса.

В действительности некоторая часть передаваемого момента идет на преодоление сопротивления в механизмах трансмиссии, что учитывается путем введения в расчет механического кпд ηтр трансмиссии. В соответствии с этим тяговую силу на ведущих колесах определяют так:

Pк = ηтр Mкр Uк Uо / rк .

Коэффициент полезного действия трансмиссии ηтр представляет собой отношение мощности Nк на ведущих колесах к мощности Nе двигателя:

ηтр = Nк / Nе = (Nе – Nтр) / Nе,

где Nтр – мощность, расходуемая на преодоление сопротивления в механизмах трансмиссии.

Механический кпд трансмиссии ηтр = 0,80…0,95.

Максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, не всегда может быть использован, так как тяговое усилие автомобиля не должно превышать силу сцепления колес с дорогой. Максимальная тяговая сила по условию сцепления с дорогой



Pсц = G2φ,

где G2 сила тяжести, приходящаяся на ведущие колеса автомобиля; φ – коэффициент сцепления шин ведущих колес с дорогой, зависящий от типа и состояния дорожного покрытия и шин. Для асфальтобетонного покрытия φ = 0,5…0,8.

Таким образом, качение ведущих колес без буксования будет происходить при условии PкPсц = G2φ.

Во время движения автомобиля тяговое усилие на ведущих колесах расходуется на преодоление ряда сопротивлений движению.

 

Силы сопротивления движению автомобиля

Сопротивление качению колес автомобиля вызывается деформацией шин, деформацией дороги под шинами и трением шин о дорогу. К сопротивлению качению обычно относят также трение в подшипниках колес и в элементах подвески. Во время качения колеса между частями шины вследствие их деформации возникает трение. Выделяющаяся теплота при этом рассеивается, что также приводит к потере энергии.

Деформация шин зависит от нагрузки на колесо, профиля шины, давления воздуха в шинах, величины приложенного к колесу крутящего момента, скорости движения, материала и типа корда, а также многих других факторов. Деформация дороги зависит от вида, качества и состояния ее покрытия. Трение шин о дорогу зависит от формы протектора, размера шины, деформации шины и дороги.

При качении эластичного колеса по твердой дороге деформации в передней части контакта шины с дорогой нарастают, а в задней части уменьшаются. Поэтому элементарные вертикальные реакции, действующие со стороны дороги на точки протектора, в передней части пятна контакта больше, чем в задней. Схема сил, действующих на колесо при его качении, показана на рисунке 2.1.

 

 

Рис. 2.1. Силы, действующие на колесо

Анализ этой схемы показывает, что точка приложения равнодействующей Zк нормальных реакций, равной по величине Gк, смещается от вертикального диаметра на некоторую величину аш. В результате такого смещения возникает пара сил Zки Gк, создающая момент Мск = Zк аш,противодействующий качению колеса. Чтобы колесо катилось равномерно, к нему необходимо приложить толкающую силу Тк, которая вместе с горизонтальной реакцией дороги Рf образует пару сил. Момент этой пары уравновесит момент Мск = Zк аш. Величину силы сопротивления качению Рf находят из условия равновесия колеса

Zк аш = Рf rк,

откуда следует, что

Рf = Zк аш / rк = Zк f.

Отношение аш / rк называется коэффициентом сопротивления качению. Для асфальтобетонного покрытия f = 0,014…0,018. Величину коэффициента f можно определить как соотношение силы Рf, способной вызвать равномерное качение колеса, к величине вертикальной нагрузки автомобиля Gа:

f = Рf / Gа.

Для движения по горизонтальной дороге сила сопротивления качению пропорциональна полной массе автомобиля:

Рf = f Gа.

Сила сопротивления подъему. Автомобильная дорога обычно имеет много чередующихся подъемов и спусков. Крутизну подъема характеризуют углом αд (град) или уклоном дороги, который выражается как отношение превышения Н к заложению (базе отсчета) Вд. Базу отсчета обычно принимают равной 100 м (рис. 2.2.).

 

Рис. 2.2. Сила сопротивления подъему:

G – вес автомобиля; H – высота уклона;

Bд – заложение (база отсчета); αд – угол уклона

 

Вес автомобиля G может быть представлен в виде двух составляющих: силы G sin αд, параллельной дороге, и силы G cos αд, перпендикулярной ей.

Силу G sin αд называют силой сопротивления подъему и обозначают Рп. На автомобильных дорогах с твердым покрытием углы подъема обычно невелики (не превышают 4…5°). Для таких углов можно принять, что 1/100 уклона соответствует 35' угла αд. При этом уклон i = tg αд ≈ sin αд. Тогда сила сопротивления при движении на подъем Рп = G sin αд = Gi.

При движении на спуске сила Рп направлена в сторону движения автомобиля и является движущей. Угол αд и уклон дороги i считают положительным при движении автомобиля на подъем и отрицательными при его движении на спуск.

Суммарная сила сопротивления дороги. При движении автомобиля на подъеме и спуске составляющая силы тяжести, перпендикулярная дороге, равна G cos αд. Сила сопротивления качению Рf при движении на этих участках дороги равна Рf = f G cos αд, т.е. она несколько меньше, чем при движении по горизонтальному участку. Однако для малых углов cos αд ≈ 1, что позволяет определить силу Рf по формуле Рf = Zк f также и для негоризонтальных участков дороги.

Коэффициент f и уклон i дороги в совокупности характеризуют качество дороги, поэтому введено понятие о силе сопротивления дороги Рд , равной сумме сил Рп и Рf :

Рд = Рf + Рп = (f cos αд + sin αд) G ≈ (f + i) G.

Выражение (f + i) называют коэффициентом сопротивления дороги и обозначают буквой ψ. Тогда сила сопротивления дороги

Рд = ψ G.

Сила сопротивления воздуха. Автомобиль во время движения перемещает частицы окружающего воздуха, и в каждой точке поверхности автомобиля в результате соприкосновения ее с окружающей средой возникают элементарные силы, перпендикулярные к поверхности и касательные к ней. Касательные силы являются силами трения. Нормальные силы создают давление на поверхность автомобиля.

Для упрощения расчетов элементарные силы сопротивления воздуха заменяют сосредоточенной силой сопротивления воздуха Рв. Опытным путем установлено, что сила сопротивления воздуха

Рв = Сx Fвυ2,

где Сx – коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости), зависящий от формы и качества отделки поверхности автомобиля, Н∙с2 / м4; Fв – лобовая площадь автомобиля, м2; υ – скорость движения автомобиля.

Лобовой называют площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси. Определить точное значение лобовой площади довольно трудно, так как для этого нужно провести измерения размеров автомобиля и начертить его наружный контур. Поэтому при определении Fв пользуются приближенными формулами:

для грузового автомобиля и автобуса

Fв = ВНа,

где В – колея, м; На – наибольшая высота автомобиля, м;

для легкового автомобиля

Fв = 0,78 ВНа,

где В – наибольшая ширина автомобиля, м.

Средние значения коэффициентов сопротивления воздуха и лобовой площади автомобиля приведены в таблице.

Автомобиль Сx, Н с2 / м4 Fв, м2
Легковые автомобили с кузовом: закрытым открытым Грузовой автомобиль Автобус с кузовом вагонного типа Гоночный автомобиль   0,2…0,35 0,4…0,5 0,6…0,7 0,24…0,4 0,13…0,15   1,6…2,8 1,5…2,0 3,0…5,0 4,5…6,0 1,0…1,3

 

При взаимодействии автомобиля и воздуха также возникает вертикальная сила. У большинства серийных автомобилей эта сила обычно направлена вверх и называется подъемной. У скоростных автомобилей (гоночных, спортивных) благодаря специальной форме кузова эта сила направлена вниз и увеличивает силу сцепления шин с дорогой. При скоростях до 120 км/ч вертикальная сила невелика и ее можно не учитывать в расчетах.

Сила сопротивления разгону Р'возникает при ускоренном движении и представляет собой силу инерции, зависящую от массы автомобиля mа и ускорения jа его движения:

Р' = mа jа .

Кроме затрат энергии на разгон массы автомобиля, движущейся поступательно, часть тяговой силы при ускорении движения расходуется на ускорение вращающихся частей. Самая большая часть энергии затрачивается на разгон маховика, деталей сцепления и колес автомобиля. Остальные вращающиеся детали обладают сравнительно малыми моментами инерции, и их влияние на разгон автомобиля можно не учитывать. Сила Р", необходимая для углового ускорения вращающихся масс автомобиля, также оказывает определенное сопротивление движению автомобиля при его разгоне.

Общая сила сопротивления разгону равна сумме сил инерции массы автомобиля и силы инерции его вращающихся частей:

Р = Р' + Р".

Нормальные реакции дороги. Для автомобиля, стоящего на горизонтальной дороге, нормальные реакции Rz1 и Rz2, действующие на колеса соответственно переднего и заднего мостов, равны составляющим G1 и G2 веса автомобиля, приходящимся на колеса этих мостов (рис. 2.3). Из условия равновесия следует, что

Rz1 + Rz2 = G и Rz1 L – G l1 = 0 .

При движении автомобиля нормальные реакции дороги не остаются постоянными, а изменяются под действием сил и моментов, приложенных к автомобилю (например, реактивного момента ведущего моста автомобиля, моментов сил инерции колес при неравномерном движении, моментов сил сопротивления качению и т.п.).

Нормальная реакция дороги на передние колеса автомобиля уменьшается, а на задние возрастает с увеличением крутизны подъема, интенсивности разгона автомобиля, а также с ростом сил сопротивления Рк, Рв или силы тяги Рт, необходимой для их преодоления.

 

Рис. 2.3. Силы, действующие на неподвижный автомобиль:

G – вес автомобиля; Rz1и Rz2 – нормальные реакции, действующие

на колеса переднего и заднего мостов; L – база автомобиля;

l1, l2 – расстояние центра тяжести до осей переднего и заднего мостов

 

Коэффициент изменения нормальных реакций mр представляет собой отношение нормальной реакции к силе тяжести, действующей на мост автомобиля, стоящего на горизонтальной дороге:

mр1 = Rz1 / G1; mр2 = Rz2 / G2 ,

где mр1 и mр2 – коэффициенты изменения нормальных реакций передних и задних колес.

Во время разгона автомобиля предельные значения коэффициентов составляют mр1 = 0,55…0,7; mр2 = 1,2…1,35.

Приведенные значения коэффициентов свидетельствуют о том, что во время разгона нагрузка на передний мост автомобиля уменьшается, а на задний мост – возрастает по сравнению с нагрузками при статическом положении автомобиля. При торможении происходит обратное явление. Этим объясняется подъем передней части автомобиля при разгоне и наклон ее вниз («клевок») при торможении.

Тяговая характеристика автомобиля. График зависимости силы тяги от скорости автомобиля на различных передачах называется его тяговой характеристикой. Сила тяги Рт определяется как отношение тягового момента Мт на ведущих колесах к радиусу r ведущих колес:

Рт = Мт / r = Mкр Uтрηтр / r,

где Mкр – крутящий момент двигателя; Uтр – передаточное число трансмиссии; ηтр – механический кпд трансмиссии.

Скорость автомобиля определяют так:

υ = ωе r / Uтр ,

где ωе – угловая скорость коленчатого вала.

Определив Mкр, ηтр и υдля нескольких значений ωе, можно, пользуясь приведенными выше формулами, найти зависимость силы тяги от скорости автомобиля во всем диапазоне изменения угловой скорости и момента и построить тяговую характеристику автомобиля (рис. 2.4). Для каждой передачи строится отдельная кривая. Поэтому число кривых на этом графике (РтI, РтII, РтIII) соответствует числу ступеней в коробке передач.

 

Рис. 2.4. Тяговая характеристика автомобиля

 

Уравнение движения автомобиля. Это уравнение связывает все силы, действующие на автомобиль, и позволяет определить характер движения автомобиля в любой момент времени. При изучении динамичности автомобиля считают, что его возможности ограничены лишь мощностью двигателя и сцеплением ведущих колес с дорогой. Остальные ограничения, накладываемые, например, требованиями безопасности движения или комфортабельности, не учитывают. В связи с этим рассмотрим лишь прямолинейное движение автомобиля. Особенности криволинейного движения будут рассмотрены далее в главах, посвященных устойчивости и управляемости автомобиля.

Рассмотрим силы, действующие на автомобиль на подъеме во время разгона (рис. 2.5). К центру тяжести автомобиля приложены сила тяжести G = mg, а также сила инерции P'и = ma поступательно движущихся масс, направленная противоположно ускорению а. Колесам автомобиля приложены моменты сопротивления качению Мк1 и Мк2. Со стороны дороги на шины действуют нормальные реакции Rz1 и Rz2 и касательные реакции Rx1 и Rx2. На высоте hв приложена сила сопротивления воздуха Рв. Кроме того, к тяговому крюку автомобиля может быть приложена сила Рпр сопротивления движению прицепа.

 

Рис. 2.5. Силы и моменты, действующие на автомобиль при движении на подъем

 

Спроектировав все силы на плоскость дороги, получим

Rx2Rx1РиРпРвРпр = 0.

При движении одиночного автомобиля (без прицепа)

Rx2Rx1РиРпРв = 0.

Проведя ряд преобразований, уравнение движения автомобиля в общем виде можно записать так:

РтРпРвРд = 0.

Согласно этому уравнению, сила тяги на ведущих колесах расходуется на преодоление следующих сил: сопротивления подъему, сопротивления воздуха и сопротивления дороги.

Условие возможности движения автомобиля. Согласно уравнению движения автомобиля, длительное и безостановочное его движение возможно лишь при условии

РтРв + Рд.

Это неравенство связывает конструктивные параметры автомобиля с сопротивлением движению. Выполнение такого условия необходимо, но недостаточно для безостановочного движения автомобиля, которое возможно лишь при отсутствии буксования ведущих колес. Поэтому точнее условие безостановочного движения можно определить так:

Rz2φxРтРв + Рд .

Если суммарная сила сопротивления движению больше силы тяги, то останавливается двигатель. Если сила тяги больше силы сцепления колес с дорогой, то пробуксовывают ведущие колеса. Для автомобиля с передними ведущими колесами в эту формулу вместо Rz2 подставляют Rz1, а для автомобиля со всеми ведущими колесами – G cos αд.

 

 




Рекомендуемые страницы:


Читайте также:
Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе...
Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней...
Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние...

©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (8977)

Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.015 сек.)