6. Тягова і гальмівна динаміка та паливна

економічність автомобілів

6.1. Баланс потужності автомобіля

В загальному випадку рівняння баланса потужності автомобіля має вигляд

(6.1)

Номінальна потужність автомобільного двигуна визначається за формулою

(6.2)

де Р_ - приведена сила сумарного опору дороги, Н.

Р_w - сила опору повітря, Н.

V_н - номінальна швидкість руху автомобіля, км/г.

_трz - коефіцієнт корисної дії трансмісії на вищій передачі.

Потужність на гаку визначається за залежністю

(6.3)

де N_пр – втрати потужності на переміщення причепа, кВт;

Р_пр – тяговий опір причепа, Н;

V – дійсна швидкість руху причепа (автомобіля), км/г.

Графічне зображення балансу потужності автомобіля в залежності від швидкості має назву – діаграма руху автомобіля. При цьому Р_г = 0. Для зручності побудови діаграми, рівняння тягового балансу складають у залежності від швидкості та сил опору руху

(6.4)

де Р_f, Р_w, Р_і, Р_j – відносні сили опору руху, Н.

Для побудови діаграми (рис. 6.1) використовують зовнішню швидкісну характеристику N_е = f(n) і перетворюють у N_e = f(V). При цьому використовують залежність вищої робочої передачі

Рис. 6.1. Діаграма руху автомобіля

.

Визначають величину потужності у межах від n_min до n_max. Значення N_e у цих межах знімають із швидкісної характеристики.

Потужність, яка підведена до ведучих коліс N_к = N_еη_тр, а втрати потужності у трансмісії

Втрати потужності на опір повітря визначаються за залежністю (5.8), втрати потужності на опір коченню – (5.4).

Сумарний опір дороги становить

(6.5)

Згідно розрахунків будується діаграма руху автомобіля.

Проекція точки перетену кривої N_к – N_w = f(V) з променями N_f і N_ψ на вісь абсцис визначає сталу швидкість руху, а відрізки між ними – запас N_i + N_j на подолання під´йому та розгону.

Ця діаграма руху автомобіля придатна тільки для руху на одній передачі так, як і_тр на кожній передачі має різне значення.

6.2. Динамічний фактор і динамічна характеристика автомобіля

Для автомобіля без прицепа рівняння тягового балансу в загальному випадку можемо записати так

(6.6)

де Р_ - приведена сила сумарного опору дороги, Н;

Р_j - сила опору розгона (зміни швидкості руху), Н;

Р_w - сила опору повітря, Н.

Перепишемо рівняння (6.6)

,

де

або

Якщо поділити різницю Р_к – Р_w на вагу автомобіля G ми одержимо питомий показник, який академік Д.А. Чудаков запропонував називати динамічним фактором

(6.7)

де Д - динамічний фактор автомобіля: безрозмірний показник, що характеризує любий автомобіль незалежно від його вантажопідємності. Він визначає запас сили тяги на одиницю ваги автомобіля і є вимірювачем його динамічних властивостей;

G - повна вага автомобіля, Н.

Із рівняння (6.7) видно, що динамічний фактор залежить від приведенного сумарного коефіцієнта опору дороги і відносного прискорення.

Динамічна характеристика при сталому русі (j = 0) обчислюється за залежністю (6.7), яка має такий вигляд

де G₀ - власна вага автомобіля, Н.

Дотична сила тяги Р_к визначається крутним моментом двигуна або зчепленням ведучих коліс з дорогою. Динамічний фактор по двигуну

(6.8)

а по зчепленню (6.9)

Динамічна характеристика автомобіля є графічне зображення залежності динамічного фактору від швидкості руху. Швидкість визначається як , км/г на всьому діапазоні частоти обертання колінчастого валу від n_min до n_max.

У розрахункову формулу підставляють ряд числових значень М_д, відповідаючих різним задаваним числам частоти обертання колінчастого валу двигуна n та швидкостям руху V автомобіля

Режим роботи двигуна з максимальним крутним моментом відповідає максимальному значенню (точки перегину кривої) динамічного фактору на кожній передачі.

Результати розрахунку динамічної характеристики автомобіля приведені в табл. 6.1. На рис. 6.2 приведено загальний вигляд характеристики.

На рис. 6.2 прийняті такі умовні позначення: - неробоча частина зовнішньої швидкісної характеристики двигуна при збільшенні навантаження. На цій ділянці характеристики двигун працює при розгонах від мінімально-стійкої кількості обертів холостого ходу до максимальної кількості обертів холостого ходу при номінальному навантаженні; М_дmax (М_еmax) – максимальний крутний момент двигуна Нм; Д_1max …Д_5max – максимальний динамічний фактор автомобіля на 1 …5 передачах відповідно;

Таблиця 6.1

Результати розрахунку динамічної характеристики проектуємого автомобіля

nд, хв-1	V, км/г	Ме, Н∙м	Рк, Н	Рw, Н	D
					с = 1	с = 2
І передача
1100	15,07	608	15389	50,53	0,68	0,243
1300	17,81	620,78	15712	70,6	0,698	0,248
1420	19,46	623,09	15771	84,3	0,7	0,248
1540	21,10	621,14	15721	99	0,697	0,247
1660	22,75	614,74	15559	115	0,689	0,245
1780	24,39	604,4	15298	132,4	0,676	0,240
1900	26,03	589,6	14923	151	0,659	0,234
2100	28,78	462,7	11711	184,3	0,514	0,1873
ІІ передача
1100	19,79	608	11722	87	0,519	0,184
1300	23,39	620,78	11968	122	0,528	0,188
1420	25,55	623,09	12013	145	0,529	0,188
1540	27,71	621,14	11975	170,8	0,526	0,187
1660	29,86	614,74	11852	198,4	0,52	0,185
1780	32,02	604,4	11652	228	0,509	0,181
1900	34,18	589,6	11367	260	0,495	0,176
2100	37,78	462,7	8920	317,6	0,384	0,136
ІІІ передача
1100	25,99	608	8925	150,3	0,391	0,139
1300	30,72	620,78	9112	210	0,397	0,141
1420	33,55	623,09	9146	250,4	0,397	0,141
1540	36,39	621,14	9118	294,6	0,394	0,140
1660	39,22	614,74	9024	342,3	0,387	0,138
1780	42,06	604,4	8872	393,6	0,378	0,134
1900	44,89	589,6	8655	448,4	0,366	0,13
2100	49,62	462,7	6792	547,8	0,278	0,099
ІV передача
1100	34,05	608	7064	258	0,304	0,108
1300	40,25	620,78	7212	360,5	0,306	0,109
1420	43,96	623,09	7239	430	0,304	0,108
1540	47,68	621,14	7216	505,8	0,299	0,106
1660	51,39	614,74	7142	587,6	0,292	0,104
1780	55,10	604,4	7022	675,5	0,283	0,101
1900	58,82	589,6	6850	769,8	0,271	0,096
2100	65,00	462,7	5375	940	0,198	0,07

Рис. 6.2. Загальний вигляд динамічної характеристики автомобіля

Д_1min …Д_5min – мінімальний динамічний фактор автомобіля на 1 …5 передачах відповідно; V_min1…V_min5 – мінімально-можлива швидкість руху автомобіля на 1 …5 передачах, кмг; V_max1 …V_max5 – максимально можлива швидкість руху автомобіля на 1…5 передачах, кмг.

За допомогою динамічної характеристики можливо вирішувати такі задачі, які мають місце в процесі експлуатації автомобіля:

1. Визначати на яких передачах може працювати автомобіль в заданих (шляхових) умовах, що характеризуються сумарним приведеним коефіцієнтом опору дороги , і які максимальні швидкості зможе він розвивати при рівномірному русі;

2. Визначити найбільший шляховий опір, який зможе долати автомобіль при рухові на певній передачі при рівномірному русі;

3. Визначити кути підйому лінії шляху, які автомобіль може долати в заданих шляхових умовах на різних передачах, і швидкості руху при цьому.

Для прикладу розглянемо два випадки руху автомобіля: 1-й характеризується величиною Д = ₁, а 2-й – Д = ₂.

На осі ординат точкою позначаємо значення ₁. Через отриману точку проводимо пунктирною лінією додаткову вісь абсцис. Із точки перетину додаткової вісі абсцис з кривою робочої частини динамічного фактора любої передачі (на рис.6.2 – 3-ї передачі) проводимо до основної вісі абсцис додаткову ординату. В точці перетину додаткової ординати з основною віссю абсцис знаходиться значення швидкості руху автомобіля.

У другому випадку руху автомобіля додаткова вісь абсцис не перетинається ні з однією кривою динамічного фактора. Це значить, що на 2-й передачі автомобіль не може працювати із-за перевантаження двигуна, а на 1-й передачі він буде працювати з недовантаженням. При цьому буде меншою швидкість руху і більшою витрата палива.

По загальному вигляду кривих динамічної характеристики можливе визначення правильності ( на даний момент ) розрахунку автомобіля. При правильно підібраних вихідних даних; прийнятих параметрів, у межах рекомендованих, криві повинні розташовуватись так, щоб виконувалась умова: V_max1  V_min2 і тому подібне. У цьому випадку автомобіль може працювати ( його можливо розігнати від V_min1 до V_max5 ).

Динамічна характеристика використовується для аналізу роботи порожнього автомобіля. Для аналізу динамічних якостей автомобіля з вантажем чи автопотягу при різних варіантах вагового навантаження використовується універсальна динамічна характеристика. Вона будується по методу Н. А. Яковлєва. Для цього на динамічній характеристиці наноситься додаткова верхня вісь абсцис, на якій відкладається коефіцієнт завантаження автомобіля, який позначається літерою Г або С.

Коефіцієнт завантаження автомобіля знаходиться за рівнянням

(6.10)

де G - повна вага автомобіля, Н;

G₀ - власна вага автомобіля, Н.

Універсальна динамічна характеристика розраховується і будується в наступній послідовності:

1. Із зовнішньої швидкісної характеристики двигуна (табл. 6.2 і рис.6.3) в табл. 6.1 заносяться поточні значення кількості обертів вала від n_мін до n_н . Значення кількості обертів записують для кожної передачі;

1. Із зовнішньої швидкісної характеристики двигуна (табл. 6.2) в табл. 6.1 заносяться поточні значення ефективного крутного момента М_д для вказаних значень кількості обертів вала двигуна;

2. Розраховуються поточні значення швидкості руху автомобіля для вказаних значень кількості обертів вала двигуна. Результати розрахунків заносяться в табл. 6.1.

Нижче для прикладу приведемо результати розрахунків для номінального режиму на першій передачі

4. Розраховуються поточні значення сили опору повітря для вказаних значень швидкості руху автомобіля. Результати розрахунків заносяться в табл. 6.1.

Нижче для прикладу приведемо результати розрахунків для номінального режиму на першій передачі

5. Для вказаних поточних значень М_д розраховуються поточні значення дотичної сили тяги на окружності ведучого колеса. Результати розрахунків заносяться в табл. 6.1.

Нижче для прикладу приведемо результати розрахунків для номінального режиму на першій передачі

6. Визначається значення динамічного фактора Д₀ порожнього автомобіля (С = 1) для кожної передачі. Результати розрахунків заносимо в табл. 6.1;

7. Визначається значення динамічного фактора Д автомобіля з вантажем (С=2) для кожної передачі. Результати розрахунків заносимо в табл. 6.1;

Таблиця 6.2

Результати розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики автомобільного карбюраторного двигуна

№ п/п	nд, хв-1	Nе, кВт	Мд, Н·м
1.	1100	70,00	608,00
2.	1300	84,46	620,78
3.	1420	92,60	623,09
4.	1540	100,11	621,14
5.	1660	106,80	614,74
6.	1780	112,60	604,40
7.	1900	117,24	589,60
8.	2100	101,70	462,70

Рис. 6.3. Приблизна швидкісна характеристика карбюраторного двигуна проектуємого автомобіля

8. На міліметровому аркуші паперу проводимо основну вісь абсцис характеристики (рис. 6.4). Позначаємо її літерами: V, км/г. На вісь абсцис наносимо масштабну шкалу з кроком 10 км/г. На вісі позначаємо точками поточні значення швидкості для кожної передачі. Через отримані точки проводимо вгору додаткові вісі ординат;

9. З точки початку вісі абсцис, вгору, проводимо вісь ординат. Позначаємо її літерою D. На вісь ординат наносимо масштабну шкалу з кроком 0,1;

10. На відповідних додаткових ординатах у вибраному масштабі відкладаємо значення D_o із табл. 6.1. Отримані точки з'єднуємо. Отримані криві кожної передачі нумеруємо римськими цифрами. На відповідних кривих знаходимо мінімальне і максимальне значення D_o. Для вказаних значень D_o знаходимо відповідні значення V;

11. З точки закінчення вісі ординат, паралельно основній вісі абсцис, проводимо додаткову вісь абсцис. Позначаємо її літерою С (Г). На додаткову вісь абсцис наносимо масштабну шкалу: при V = 0, C = 1; значення С, розраховане по формулі (6.10) розташовуємо на додатковій ординаті, що відповідає V_махIV; розв'язавши відповідну арифметичну пропорцію на масштабну шкалу наносимо значення С = 1,5 і С = 2,0;

12. Через точки С = 1,5 і С = 2,0, вниз, проводимо додаткові ординати. На додаткових ординатах наносимо відповідні масштабні шкали;

12. Через однойменні точки шкал проводимо додаткові лінії;

14. Виконуємо аналіз динамічної і універсальної динамічної характеристики автомобіля.

Критична швидкість по тязі на кожній передачі V_{кр І}, V_{кр ІІ},…V_{кр z} відповідає значенням максимального динамічного фактора Д_max, тобто роботі двигуна при М_{д max} і є максимально припустимою швидкістю руху автомобіля з номінальним навантаженням.

Максимальні приведені коефіцієнти сумарного опору дороги ψ_{I max}, ψ_{II max},…ψ_{z max}, що долається автомобілем на даній передачі визначаються проекціями точок Д _max на вісь ординат. Подолання максимальних під’йомів при малих кутах (3…5⁰) і = Д – f , з використанням інерції При кутах підйому до 10⁰ α = arcsin(Д – f), а при більших кутах підйому

При відомих дорожніх умовах (коефіцієнт кочення f₁), або при приведеному коефіцієнті сумарного опору дороги ψ₁ проекція точки перетину горизонталі f₁ або ψ₁ з одною із кривих Д = f(V) на вісь абсцис визначить максимально сталу швидкість руху.

Універсальна динамічна характеристика (динамічний паспорт) автомобіля дозволяє проаналізувати динамічні якості з різною

Рис. 6.4. Універсальна динамічна характеристика проектуємого автомобіля

експлуатаційною вагою G' автомобіля. Динамічний фактор Д' автомобіля з експлуатаційною вагою G' більше чи менше динамічного фактора Д автомобіля з номінальним навантаженням загальною вагою G у відношенні

Тоді .

Максимальне значення динамічного фактора на нижчій передачі для вантажних автомобілів високої прохідності Д_{І max} = 0,7…0,8; дорожньої прохідності Д_{І max} = 0,35…0,45; для легкових автомобілів середнього та великого літражу Д_{І max} ≈ 0,5. Мінімальне значення динамічного фактору на вищій передачі Д_{І max} = 0,03…0,09.