2.2. Силы, действующие на автомобиль при движении

Автомобиль в зависимости от условий эксплуатации и воздействия водителя двигается в тяговом, ведомом и тормозном режимах. Все силы, действующие на автомобиль в этих режимах, можно разделить на четыре группы: тяжести, сопротивления, реакции, тяговые или тормозные. Эти силы могут быть приложены в разных направлениях, которые покажем в проекциях в декартовой системе координат: продольные – по оси х; поперечные – по оси у; нормальные – по оси z. В разных случаях используют неподвижную (Эйлерово) и подвижную (Лагранжево) системы координат (отсчета).

Рассмотрим силы, действующие на одиночный переднеприводной автомобиль, движущийся на подъеме в тяговом режиме на прямолинейном участке дороги (рис. 2.1)

2.1. Силы и моменты, действующие на автомобиль в тяговом режиме.

Допускаем, что сила тяжести приложена в центре масс (тяжести) О, а высота центра от дорожного покрытия hg не меняется в процессе разгона. Тогда силу тяжести G_о автомобиля полной массой М_с разложим на нормальную G_N и касательную G_Z составляющие

; ; , (2.1)

где - ускорение свободного падения, = 9,81 м/с²; - угол подъема в градусах.

Очевидно, что

G_N = G₁ + G₂, (2.2)

где G₁ – осевая нагрузка на переднюю ось; G₂ – то же на заднюю (ведущую) ось.

В статическом положении

; ,

где L – колесная база; a и b – расстояние от передней и задней оси до центра тяжести полностью груженого автомобиля.

Нормальные реакции колес и согласно третьему закону Ньютона в статике равны осевой нагрузке, т.е. В тяговом режиме с разгоном < G₁ ; > G₂.

К силам сопротивления движению относятся: аэродинамическая сила (сопротивление воздуха) P_в ; разгону (инерции) P_j , приложенная в центр масс; подъему P_п = G_t , качению колес P_f и прицепа (полуприцепа), если это автопоезд.

Касательные реакции колес R_х1 и R_х2 считают приложенными к контактным поверхностям колес автомобиля и прицепа (полуприцепа). В каждой точке этих поверхностей действуют элементарные реакции, различные по величине и направлению, которые заменяют равнодействующей реакцией или равнодействующим моментом. Значения R_х1 и R_х2 зависят от режима движения автомобиля, дорожных условий и других факторов.

Боковые касательные реакции R_у1 и R_у2 пропорциональны боковым силам, действующим на автомобиль и прицеп (полуприцеп).

Основные силы, движущие автомобиль, - реакции R_х на ведущих колесах; в рассматриваемом случае - R_х2 , а R_х1 = P_f , т.е. продольные реакции на ведомых колесах автомобиля и прицепа (полуприцепа) равны силе сопротивления этих колес качению.

Сила тяги на ведущих колесах зависит от крутящего момента, подведенного к ним, и геометрических параметров колес (шин). Для их определения должны быть известны скоростные характеристики двигателя и показатели трансмиссии.

2.3. Внешняя скоростная характеристика двигателя внутреннего сгорания

При изучении тягово-скоростных свойств автомобиля главным образом определяются показатели, соответствующие работе двигателя с полной подачей топлива, т.е. по внешней скоростной характеристике (ВСХ). Внешняя скоростная характеристика – графическое изображение эффективной мощности и эффективного крутящего момента в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя в диапазоне от оборотов холостого хода (n_хх ) до максимальных значений n_max, ограничиваемые регуляторами. На ВСХ показываются также удельный расход топлива при разных режимах работы двигателя. На рис. 2.2 приведен общий вид ВСХ дизельных двигателей, устанавливаемых на грузовых автомобилях.

Рис. 2.2. Внешняя скоростная характеристика дизельных ДВС:

а - MAN TG460AXXL ; б – КАМАЗ 740.13-260; в - ЯМЗ-536; г - Мерседес 1840 LS

Скоростные характеристики получают стендовыми испытаниями по стандартным методикам, различным в разных странах. Для правильного расчета нужно знать, насколько отличаются N_е и М_е от получаемых при испытаниях на стенде и в реальных условиях. Поэтому используют коэффициент коррекции Кр (Кр = 0,93 – 0,96).

Важнейшими параметрами ВСХ двигателя являются: N_{е max} –максимальная эффективная мощность (кВт); М_{е max} – максимальный (эффективный) крутящий момент (кН·м); М_N – крутящий момент при максимальной мощности (кН·м); n_{е max} (ω _{e max}) – максимальная частота вращения коленчатого вала (об/мин или с^-1); n_N – частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности N_{е max}, n_м – то же при максимальном крутящем моменте двигателя М_{е max} ; К_м – коэффициент приспособляемости двигателя по моменту:

;

К_ω – коэффициент приспособляемости по частоте вращения:

Коэффициент К_м зависит от литровой мощности, вида кривой М_е = f(ω_е) и других характеристик двигателя. Ориентировочно значение коэффициентов приспособляемости для карбюраторных двигателей могут быть приняты в пределах: К_м = 1,05 – 1,45; К_ω – 1.5 – 2,5; для дизельных: К_м = 1,1 – 1,5; К_ω = 1,45 – 2,0. Например, у двигателя КамАЗ – 740 : К_М = 1,13; К_ω = 1,53; удвигателя ВАЗ 2105 – К_М = 1,09; К_ω = 1,65.

Если известны основные характеристики двигателя, принятого для установки на автомобиль, то можно производить тяговый расчет автомобиля. Если не известны эти характеристики, то необходимо подбирать двигатель или нужно построить приближенные скоростные характеристики. Для этого используют аналитическую зависимость следующего вида

, (2.3)

где а, в, с – коэффициенты, зависящие от типа и конструкции двигателя; N_е и ω_е – текущие значения мощности и угловой скорости вращения коленчатого вала, задаваемые в диапазоне ω_хх (n_хх) – ω_еmax (n_emax).

Значения коэффициентов а, в, с или вычисляют, если известны К_ω и К_М, или задаются (табулированы). Например, у двигателя КамАЗ 740 а = 0,68; в = 1,38; с = -1,06; у двигателя ВАЗ 2105 – а = 0,88, в = 0,69, с = -0,57.

Из формулы (2.3) следует, что при N_е = N_еmax а + в + с = 1. Тогда

с = 1 – (а + в).

Поскольку N_е = М_еω_е, то крутящий момент при заданной угловой скорости коленчатого вала можно определить по формуле

.

Для оценки тягово-скоростных качеств автомобиля большое значение имеет характер кривой (зависимости) М_е = f(ω_е), имеющей максимум определенном интервале n_м. Если при движении с заданной скоростью число оборотов двигателя больше чем n_м., то при изменении дорожных условий нагрузка на двигатель возрастет, и частота вращения коленчатого вала снижается, соответственно, и скорость автомобиля, но крутящий момент при этом возрастает до М_еmax, то есть двигатель работает устойчиво, автоматически приспосабливаясь к изменению дорожных условий. Поэтому с увеличением К_ω расширяется диапазон устойчивой работы двигателя.

С другой стороны, в случае, когда n_е > n_М и необходимо разгонять автомобиль, увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к снижению крутящего момента, подводимого к ведущим колесам. Соответственно ухудшается приемистость автомобиля. Поэтому хорошей тяговой динамичностью при разгоне будет обладать автомобиль, если на нем установлен двигатель, обладающий широким диапазоном частот в интервале от n_М до n_N с максимальным крутящим моментом.

Таким образом, двигатели с большим диапазоном частот, при котором сохраняется максимальный крутящий момент, позволяют интенсивно наращивать скорость за счет увеличения подачи топлива и без переключения передач, в том числе и при переходе с частичных скоростных характеристик на полные. Это особенно важно, если автомобиль разгоняется на более высоких передачах (например, при обгоне с разгоном обгоняющего автомобиля).

При работе на неустановившемся режиме мощность, отдаваемая двигателем на трансмиссию, меньше мощности на установившемся режиме. Это обусловлено динамикой пополнения цилиндров воздухом или воздушно-топливной смесью, тепловой и механической инерцией двигателя. За счет увеличения с 2 до 4 клапанов и установкой турбокомпрессора (турбонаддува) удается заметно снизить уменьшение крутящего момента при переходе с неустановившегося режима на установившийся. Например, на автомобиле Volvo V70T5 установлен бензиновый двигатель с системой распределенного впрыска и турбокомпрессором, позволяющий развивать М_еmax = 330 Н·м и поддерживающий его в диапазоне от 2400 до 5200 об/мин., что составляет свыше 60 % от общего диапазона изменения оборотов от η_min до η_max. Двигатель ВАЗ 2110 с распределенным впрыском имеет диапазон обеспечения максимального крутящего момента от 2800 до 3000 об/мин или в интервале 3700 – 3900 об/мин.