4.Конструктивні властивості транспортних засобів.

Тяговий баланс автомобіля. При русі автомобіля на підйомі колова сила на ведучих колесах автомобіля витрачається на подолання сил опору коченню, підйому, повітря і на його розгін. Виходячи з цього, рівняння тягового балансу запишемо:

Р_к = Р_f + Р_п + Р_і + P_j

де Р_к – колова сила на ведучих колесах автомобіля.

При несталому русі (розгоні) вона зменшиться порівняно зі сталим рухом на величину, необхідну для розгону маховика і пов'язаного з ним деталей трансмісії та коліс автомобіля. З урахуванням цього колова сила при несталому русі дорівнює:

,

де и_тр=и_к.и₀.и_р – передаточне число трансмісії (и_к,и_0,и_р – передаточні числа відповідно коробки передач, головної передачі, роздавальної коробки);

P_f – сила опору коченню, яка згідно з наведеним раніше, дорівнює:

,

де m_а – маса автомобіля;

Р_і – сила опору підйому, яка визначається згідно залежності:

;

P_j – сила опору розгону поступальної маси автомобіля, що рухається. Зазначимо, що розгін маховика і коліс враховано вище при визначенні колової сили на ведучих колесах у формулі. Тоді силу опору розгону поступальної маси автомобіля під час руху запишемо:

P_j = .

Після підставлення до рівняння (5.9) значень колової сили і сили опору розгону поступальної маси маємо:

.

Після елементарних перетворень отримаємо:

.

Якщо врахувати, що V=_кr_к; dV=r_кd_к; _е=и_тр_к; d_е=и_трd_к, тоді вираз у дужках запишемо:

,

де  – коефіцієнт обертових мас автомобіля.

Рівняння (5.11), з урахуванням виразу (5.12), набуде вигляду:

.

Для визначення коефіцієнта  використовують емпіричну залежність:

 = 1 + ₁ + ₂  ,

де – коефіцієнти, що враховують розгін відповідно коліс і маховика з деталями трансмісії. Ці коефіцієнти визначаються відповідними виразами:

,

де и_к – передаточне число коробки передач.

Рекомендується брати ₁ = 0,03…0,05; ₂ = 0,04…0,06. При цьому менше значення належить до великовантажних автомобілів, а більше – до легкових автомобілів.

Остаточно коефіцієнт обертових мас запишемо:

= 1 + 0,03…0,05 + 0,04…0,06 .

Цей коефіцієнт більший за одиницю і враховує розгін як поступальної маси автомобіля, так і маховика з деталями трансмісії та коліс.

З урахуванням коефіцієнта обертових мас колова сила в рівнянні тягового балансу буде визначатися за формулою:

а сила опору розгону в цьому випадку враховує розгін як поступальної маси автомобіля, що рухається, так і маховика з деталями трансмісії та коліс. Цю силу визначимо за формулою:

Р_j .

Тяговий баланс автомобіля зображають для наочності у вигляді графіків залежностей колової сили при сталому русі автомобіля на всіх передачах, сил опору коченню на горизонтальній дорозі та повітря від швидкості руху автомобіля. При цьому швидкість руху автомобіля визначається залежно від числа оборотів двигуна за формулою:

,

де _е –_- кутова швидкість колінчастого вала двигуна, рад/с.

Зазначимо, що при V=0 сила опору коченню на горизонтальній дорозі P_f має значення:

P_f = f₀ m_ag ,

де f₀ – коефіцієнт опору коченню при V=0. Оскільки на будь-якій опорній поверхні для кожної шини f₀ 0, тому залежність P_f=f(V) на графіках тягового балансу починається не з нульової позначки.

Потужнісний баланс автомобіля. Якщо в рівнянні тягового балансу помножити праву і ліву частину на швидкість V, отримаємо вираз:

Р_{к .}

Ураховуючи, що множина сили на швидкість є потужністю, маємо право записати:

N_к=N_f +N_п+N_i+N_{j .}

Отримане таким чином рівняння являє собою рівняння потужнісного балансу автомобіля при прямолінійному русі на підйом, у якому:

N_к – потужність, підведена від двигуна до ведучих коліс автомобіля, дорівнює:

N_к = N_е_тр ,

де_тр – ККД трансмісії;

N_f – потужність опору коченню при прямолінійному русі автомобіля на підйом:

N_f = Р_fV=f₀ ;

N_п – потужність опору повітря дорівнює:

N_п = Р_пV=к_п F_пV³;

N_i – потужність опору підйому визначається за формулою:

N_і = Р_і V = m g sinV;

N_j – потужність опору розгону розрахувується так:

N_j = Р_jV=m_а .

Графічно потужнісний баланс автомобіля являє собою графіки залежностей потужності двигуна, потужності підведеною до ведучих коліс автомобіля, а також потужностей опору коченню на горизонтальній дорозі та опору повітря від швидкості руху автомобіля на всіх передачах.

Динамічним фактором автомобіля називається відношення вільної сили тяги до ваги автомобіля. Зазначимо, що в теорії автомобіля різницю Р_к-Р_п називають вільною силою тяги. У цьому випадку динамічний фактор визначається за формулою:

,

де D – динамічний фактор навантаженого автомобіля;

m_а – повна маса автомобіля;

Р_к – колова сила на ведучих колесах автомобіля, яка визначається за формулою:

Р_к= ;

Р_п – сила опору повітря визначається так:

Р_п = к_пF_пV² .

За формулою (5.19) визначається динамічний фактор навантаженого автомобіля, а для порожнього автомобіля маємо:

,

де D₀ – динамічний фактор порожнього автомобіля;

m₀ – маса cпорядженого автомобіля.

видно, що динамічний фактор найбільшого значення досягає для порожнього автомобіля на першій передачі коробки передач.

Співвідношення між динамічними факторами навантаженого і порожнього автомобілів запишемо так:

D₀ =D .

Для визначення фізичного змісту динамічного фактора скористаємося рівнянням тягового балансу

Р_к = Р_f + Р_п+Р_і +Р_j.

Перетворимо рівняння тягового балансу таким чином

Р_к - Р_п = Р_f + Р_i + .

Розділивши праву і ліву частини останнього рівняння на m_а g, маємо:

.

Після елементарних перетворень маємо:

.

Тут має місце:

де – коефіцієнт дорожнього опору, який враховує коефіцієнт опору коченню та кут підйому.

При сталому русі , а значить D=.

З аналізу рівняння випливає: динамічний фактор автомобіля чисельно показує, який коефіцієнт дорожнього опору може подолати автомобіль при сталому русі.

Динамічна характеристика автомобіля – графіки залежності динамічного фактора навантаженого автомобіля на всіх передачах від швидкості руху.

За формулою (5.19) визначаємо динамічний фактор, а швидкість – за залежністю:

,

де n_е – число обертів двигуна, об/хв;

За розрахунками будуємо динамічну характеристику автомобіля.

за заданим коефіцієнтом дорожнього опору визначається передача і можлива швидкість руху навантаженого автомобіля.

Для визначення динамічного фактора автомобіля при різному ступені його завантаження будуємо динамічний паспорт.

Динамічний паспорт автомобіля – динамічна характеристика разом з номограмою навантажень.

Для побудови номограми навантажень вісь абсцис динамічної характеристики автомобіля продовжується вліво. Продовжена таким чином вісь являє собою у відносних величинах навантаження на автомобіль. В її кінцевій точці ставимо 0, що відповідає порожньому автомобілю, і проводимо вертикальну лінію. Це і буде вісь, за якою визначаємо динамічний фактор порожнього автомобіля D₀.

Для визначення масштабу шкали динамічного фактора порожнього автомобіля скористаємося залежністю . Задавши для навантаженого автомобіля динамічним фактором D = 0,1, визначимо динамічний фактор порожнього автомобіля. Нехай m_а = 20000 кг; m₀ = 9090 кг. Тоді динамічний фактор порожнього автомобіля дорівнює:

D₀ = 0,1 .

На вісі D₀ проти точки D = 0,1 ставимо 0,22. Маючи дві точки 0 і 0,22 на вісі D_0, розіб'ємо шкалу D₀ відповідним чином на значення 0,1; 0,2; 0,3 і т.д., відповідно до розмітки шкали D. З'єднаємо рівнозначні точки шкал D і D_0.

Проведені косі лінії, що сполучають рівнозначні точки на шкалах D₀ і D динамічних факторів порожнього і навантаженого автомобілів, перетинаючись зі шкалами D_0,25 ; D_0,5 ; D_0,75 відповідно завантаженого автомобіля на 25%, 50% і 75%, визначать масштаби цих шкал.

Динамічний паспорт автомобіля дозволяє визначити при заданому дорожньому опорі та при різному ступені завантаження передачу і можливу максимальну швидкість руху автомобіля.

Час і шлях розгону автомобіля. Для визначення часу і шляху розгону беруть наступні допущення:

- розгін починається зі швидкості автомобіля, що відповідає мінімальним обертам колінчастого вала, а процес зрушення з місця і розгін автомобіля до цієї швидкості, яка відповідає нищій передачі коробки передач і мінімальним обертам колінчастого вала, зважаючи на складність і недостатню вивченність процесу, не розглядаються;

- двигун працює в режимі зовнішньої швидкісної характеристики.

Відомо, що прискорення дорівнює: або .

Використовуючи числовий метод, маємо право записати:

.

Якщо , що зображує приріст швидкості при розгоні від швидкості V₁ до V₂, тоді очевидно відповідає часу розгону від швидкості V₁ до V₂.

а – середнє прискорення в інтервалі швидкостей V₁ і V_2.

а = ,

де а₁, а₂ – прискорення розгону при швидкостях руху відповідно V₁ і V₂.

З попереднього випливає, що:

.

Звідси: .

При швидкості V₁ маємо: ,

при швидкості V₂ маємо: ,

де Д₁, Д₂ – динамічні фактори автомобіля при швидкостях V₁ і V₂;

₁ ₂ – коефіцієнти дорожнього опору при швидкостях V₁ і V_{2 .}

Під час руху по горизонтальній дорозі маємо:

, .

Після підставлення до рівняння вищенаведених залежностей, час розгону від швидкості V₁ до V₂ запишемо:

.

Сумарний час розгону на передачі знаходиться підсумуванням часу в інтервалах швидкостей на цій передачі.

Щоб час розгону був мінімальним, перемикання передач повинне здійснюватися при максимальному прискоренні.

Втрату швидкості при перемиканні передач знаходимо, взявши, що при перемиканні передач двигун роз'єднаний від трансмісії. У цьому випадку колова сила на ведучих колесах автомобіля буде відсутня і Р_к1 = Р_к2 =0. З достатньою для практичних розрахунків точністю можна вважати, що ₁₌₂.

Щодо часу перемикання передач, то він залежить від типу і конструкції привода переключення передач, суб'єктивних особливостей водія і знаходиться в межах (0,3…1,5) с. При розрахунках приймають середнє значення часу переключення t_п =0,8…1с.

Після підставлення значень динамічних факторів

, та до формули визначимо падіння швидкості при перемиканні передачі:

.

Якщо опір повітря не враховувати, тоді формула (5.25) набуде вигляду:

.

Знак «мінус» указує, що при перемиканні передач швидкість зменшується.

Вхідний до формули (5.26) коефіцієнт обертових мас _п, при перемиканні передач визначається так:

_п = 1 + 0,03…0,05.

І це справедливо тільки певною мірою, оскільки при перемиканні передач двигун від'єднаний від трансмісії і враховується розгін тільки коліс. Проте агрегати трансмісії обертаються.

При цьому коефіцієнт дорожнього опору ₁ відповідає швидкості руху автомобіля на початку перемикання.

Сумарний час розгону автомобіля дорівнює:

,

де – сумарний час розгону на всіх передачах;

– сумарний час при переключенні передач.

За результатами розрахунків будується графік часу розгону.

Зазначимо, що графік часу розгону не починається з нульової швидкості, оскільки нами прийнято допущення, що рух автомобіля починається зі швидкості, що відповідає мінімальним обертам двигуна.

Визначення шляху розгону проводимо після визначення часу розгону.

Якщо врахувати, що:

або dS = Vdt ,

то, використовуючи числовий метод, можемо записати:

S = Vt,

де S – шлях, який проходить автомобіль при розгоні від швидкості V₁ до V₂;

t = t_1,2 – час розгону від швидкості V₁ до V₂, який визначаємо за формулою (5.24);

V – середня швидкість руху в інтервалі швидкостей V₁ і V₂, дорівнює: .

Після підставлення маємо:

t_1,2 .

За час перемикання передачі, який беруть однаковим при кожному перемиканні t_п =0,8…1с, автомобіль пройде шлях:

де V₁– швидкість на початку перемикання;

– падіння швидкості за час перемикання передачі, яке визначаємо за формулою (5.26) і беремо за абсолютною величиною.

Сумарний шлях розгону автомобіля визначаємо так:

,

де – сумарний шлях розгону на всіх передачах;

– сумарний шлях, що проходить автомобіль, при перемиканні передач.

За результатами розрахунків графік шляху розгону.

Слід зазначити, що графік шляху розгону аналогічно до графіка часу розгону починається зі швидкості, яку розвиває автомобіль при мінімальних обертах двигуна, оскільки процес зрушення з місця і розгін до швидкості, яка відповідає мінімальним обертам двигуна, згідно зі взятими допущеннями, не враховуються.