3.3. Динамические характеристики автомобиля

Механическая энергия, вырабатываемая двигателем автомобиля, передается через трансмиссию автомобиля на его ведущие колеса. Вращающий момент колеса М_вр вызывает появление пары сил. Одна из них окружная сила Р_к, приложенная к площадке контакта шины с покрытием, передаваясь на покрытие, как бы стремится сдвинуть его верхний слой в сторону, противоположную движению, вторая сила – тяговое усилие Р_р – передается через ведущий мост и рессоры на раму автомобиля и вызывает его движение (рис 3.5).

Тяговое усилие определяется по формуле

, (3.11)

где r_к=l×r_o – радиус качения ведущих колес с учетом обжатия шины в зове контакта с покрытием (рис. 3.5).Коэффициент деформации шины l на твердой поверхности составляет 0,945-0,950 для пневматических шин высокого давления, применяемых на грузовых автомобилях, и 0,930-0,935 для шин низкого давления.

Рис. 3.5. Вращающий момент М_вр, окружная сила Р_к и тяговое усилие Р_р на колесах автомобиля

Вращающий момент на ведущих колесах М_вр (в Н×м) может быть определен как произведение момента двигателя М_е на передаточные числа трансмиссии и механический коэффициент полезного действия (рис. 3.6)

, (3.12)

где i_к – передаточное число коробки передач; i_о – передаточное число главной передачи; h – механический коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля, учитывающий потери энергии на преодоление сопротивлений во всех механизмах от двигателя до ведущих колес. Примерные значения к.п.д. трансмиссии составляют для двухосных грузовых автомобилей и автобусов 0,9, для трехосных грузовых автомобилей – 0,8, для легковых автомобилей – 0,92.

Рис. 3.6. Схема передачи вращающего момента двигателя на колеса автомобиля: 1 – двигатель; 2 – маховик и сцепление; 3 – коробка передач; 4 – карданный вал; 5 – главная передача; 6 – шина

Отсюда тяговое усилие (в Н)

. (3.13)

Учитывая, что вращающий момент, развиваемый двигателем, связан с его мощностью N_e (в Вт) и частотой вращения коленчатого вала n_е (в об/мин) зависимостью M_e=N_e/n_e, выражение (3.13) можно привести к виду

. (3.12)

Каждой частоте вращения коленчатого вала n_е соответствует строго определенная скорость движения автомобиля, выражаемая:

в метрах в секунду (в м/с)

; (3.14)

в километрах в час (в км/ч)

. (3.15)

При постоянной скорости вращения коленчатого вала использование понижающих передач приводит к увеличению тяговой силы при соответствующем уменьшении скорости автомобиля. Поэтому при движении автомобиля по хорошей дороге, когда сопротивление качению мало, используется прямая передача (i_к=1). При движении на подъем и по плохой дороге переходят на низшие передачи.

Мощность N_e и вращающий момент М_е, развиваемые двигателем, зависят от частоты вращения коленчатого вала. Эти зависимости характеризуются экспериментальным графиком внешней скоростной характеристики двигателя (рис. 3.7), который обычно получают путем испытания двигателей при полном открытии дроссельной заслонки карбюратора в карбюраторных двигателях или полной подаче топливного насоса в дизелях. Поэтому график внешней скоростной характеристики позволяет оценить максимальную мощность, которую может развивать двигатель при той или иной частоте вращения коленчатого вала.

Рис. 3.7. Внешние скоростные характеристики двигателей некоторых автомобилей

Условие равенства внешних и внутренних сил (уравнение движения автомобиля) выражается зависимостью

, (3.16)

где P_p – тяговое усилие автомобиля, Н; P_f – сопротивление качению; P_i – сопротивление движению на подъем; Р_w – сопротивление воздуха движению; Р_j – сопротивление инерционных сил.

Перенося сопротивление воздушной среды, зависящее от скорости движения, в левую часть уравнения и подставив значения сопротивлений из формул (3.3), (3.6) и (3.7), получим

. (3.17)

Академик Е. А. Чудаков предложил характеризовать тяговые или динамические качества автомобиля динамическим фактором – разницей между полной силой тяги на ведущих колесах и сопротивлением воздушной среды, отнесенной к единице веса автомобиля:

. (3.18)

Динамический фактор характеризует запас тягового усилия на единицу веса автомобиля, движущегося со скоростью V, который может быть израсходован на преодоление дорожных сопротивлений f±i и на ускорение автомобиля j.

Как сила тяги, так и сопротивление воздуха зависят от скорости движения. Поэтому значение динамического фактора не остается постоянным при изменении скорости. График зависимости динамического фактора от скорости движения при полной нагрузке на автомобиль, называемый динамической характеристикой (рис. 3.8), используется при тяговых расчетах на автомобильных дорогах как основной показатель тяговых качеств автомобилей.

Рис. 3.8. Примеры динамических характеристик автомобилей: а – легковые автомобили:1 –ЗАЗ-968 «Запорожец»; 2 – ВАЗ-2103 «Жигули»; 3 – ГАЗ-24 «Волга»; 4 – ГАЗ-13 «Чайка»; 5 – «Москвич-2140»; 6 – ЗИЛ-111; б – грузовые автомобили: 1 – KaMA3-5320 с полуприцепом; 2 – ЗИЛ-130; 3 – ГАЗ-53А; 4 – ГАЗ-51А; I-V – передачи

Графики динамических характеристик обычно строят применительно к случаю полной загрузки автомобилей

. (3.19)

При изменении нагрузки на автомобиль стоящее в числителе (3.19) выражение не меняется, поскольку оно зависит только от скорости движения. Поэтому при постоянной скорости соблюдается соотношение

. (3.20)

Отсюда , т. е. при неполной загрузке автомобиля его динамический фактор обратно пропорционален сумме полезной нагрузки на автомобиль и его собственного веса G₁.

При необходимости учета степени загрузки автомобилей при расчетах скоростей движения по предложению проф. Н. А. Яковлева к графику динамических характеристик пристраивают вспомогательную номограмму нагрузок (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Дополнительная номограмма для учета нагрузки на автомобиль при расчетах по динамическим характеристикам: I-III – передачи