Вопрос № 1 Дифференциал Требования к дифференциалу Дополнительно к общим требованиям к конструкции автомо­биля (см. подразд. 1.2) к дифференциалу предъявляются дополни­тельные требования, в соответствии с которыми он должен: • распределять крутящий момент между ведущими колесами и мостами в пропорции, обеспечивающей автомобилю наилучшие тягово-скоростные свойства, проходимость, управляемость и ус­тойчивость; • иметь минимальные габаритные размеры. Рассмотрим требования к дифференциалу и соответствие им различных типов дифференциалов. Распределение моментов. Дифференциал, являясь механизмом трансмиссии, распределяющим крутящий момент между ведущи­ми мостами и колесами автомобиля, существенно влияет на та­кие эксплуатационные свойства, как тягово-скоростные, прохо­димость, управляемость и устойчивость. Для выявления влияния дифференциала на эксплуатационные свойства автомобиля и определения конструктивных мероприя­тий, обеспечивающих в зависимости от условий движения необ­ходимое распределение крутящего момента по ведущим мостам и колесам, рассмотрим кинематику и динамику основных типов дифференциалов, применяемых на автомобилях. Симметричный дифференциал распределяет поровну крутящий момент между ведущими колесами. Это свойство симметричного дифференциала обеспечивает хорошую устойчивость и управляе­мость автомобилю при движении на хороших дорогах с твердым покрытием. Однако, как указывалось ранее, указанное свойство симметричного дифференциала ухудшает проходимость автомо­биля. Так, например, если одно из ведущих колес находится на участке дороги с малым коэффициентом сцепления, а другое — с большим, то к обоим колесам подводится момент, равный мо­менту на колесе с малым сцеплением. В этом случае при трогании автомобиля с места колесо с большим сцеплением стоит на мес­те, а с меньшим — буксует. Для устранения такого недостатка применяют принудительную блокировку дифференциала — его выключение. Принудительная блокировка дифференциала обеспечивает пол­ное использование по сцеплению тяговой силы на ведущих коле­сах. Однако для этого необходимо своевременное включение и выключение блокировки. При слишком частом пользовании бло­кировкой дифференциала возникает временная перегрузка полу­осей, ухудшается устойчивость автомобиля и затрудняется его управляемость. Постоянное же движение автомобиля с включен­ной блокировкой дифференциала на повороте или на неровно­стях дороги может привести к поломке полуосей или других дета­лей ведущего моста. Следовательно, своевременное включение блокировки дифференциала должно проводиться только при пре­одолении труднопроходимых участков пути. Распределение крутящего момента между ведущими колесами автомобиля характеризует коэффициент блокировки дифферен­циала. Коэффициентом блокировки дифференциала называется от­ношение момента Мот на отстающем колесе к моменту Мзаб на забегающем колесе. Отстающим является внутреннее по отношению к центру по­ворота автомобиля колесо, которое вращается с меньшей угловой скоростью и всегда имеет большее сцепление с дорогой. Забегаю­щим считается наружное колесо, имеющее меньшее сцепление с дорогой и вращающееся быстрее, чем отстающее колесо. Габаритные размеры дифференциала. В связи с тем, что диффе­ренциал обычно устанавливают внутри главной передачи или раз­даточной коробки, его габаритные размеры имеют важное значе­ние. В первую очередь это относится к межколесному дифферен­циалу, так как от его размеров зависят размеры ведомой шестер­ни главной передачи, которые строго ограничены. От диаметра ведомой шестерни зависит высота картера ведущего моста и, сле­довательно, дорожный просвет и проходимость автомобиля. Наи­меньшие габаритные размеры имеет конический симметричный дифференциал.

2. При определении коэффициента полезного действия (КПД) трансмиссии учитывают гидравлические потери, вызванные взбалтыванием и разбрызгиванием масла в картерах коробки передач и ведущего моста, и механические потери, связанные с трением между зубьями шестерен, в подшипниковых узлах и в карданных шарнирах.

В общем случае КПД трансмиссии   определяется по формуле:

, (2.12)

где к, 1, m и n - соответственно число пар цилиндрических шестерен внешнего зацепления ( ), внутреннего зацепления ( ), конических шестерен ( ) и число карданных сочленений ( ), передающих крутящий момент от коленчатого вала двигателя к ведущим колесам на 1-ой передаче в КП.

В расчетах принимают:   = 0,980 . 0,985;   = 0,990;   = 0,960 . 0,975;   = 0,990.

При работе трансмиссии с полной нагрузкой, т. е. при работе двигателя по внешней скоростной характеристике, КПД трансмиссии имеет следующие значения: легковые автомобили - 0,90 . 0,92;

грузовые автомобили и автобусы - 0,83 . 0,86;

грузовые автомобили повышенной проходимости - 0,80 . 0,85.

Большие значения КПД трансмиссии относятся к прямой передаче в коробке передач автомобиля.

Принимаем   0,85. 

КПД трансмиссии не остается постоянным в течение всего срока эксплуатации автомобиля. В начале эксплуатации нового автомобиля детали механизмов трансмиссии прирабатываются, и ее КПД в течение некоторого времени повышается. Далее на протяжении длительного периода он остается почти постоянным, а затем начинает снижаться вследствие изнашивания деталей, отклонения их размеров от номинальных и образования зазоров. После капитального ремонта автомобиля и последующей приработки деталей КПД трансмиссии вновь возрастает, но уже не достигает прежнего значения.

3. Автомобиль движется в результате действия на него различных сил. Эти силы разделяют на силы, движущие автомобиль, и силы, оказывающие сопротивление его движению.

Основной движущей силой является сила тяги, приложенная к ведущим колесам. Сила тяги возникает в результате работы двигателя и взаимодействия ведущих колес и дороги. К силам сопротивления относят силу трения в трансмиссии, силу сопротивления дороги и силу сопротивления воздуха.

При определении силы тяги принято, что ее величина зависит лишь от параметров автомобиля. Однако это не означает, что, увеличивая, например, передаточное число трансмиссии, можно реализовать сколь угодно большую силу тяги, так как предельное ее значение ограничено сцеплением шин с поверхностью дороги.

Силой сцепления шин с дорогой называют максимальное значение горизонтальной реакции, пропорциональное вертикальной нагрузке на колесо. Один из основных параметров данной системы — коэффициент сцепления. В зависимости от направления скольжения колеса различают коэффициенты продольного (x) и поперечного (бокового) (y) сцепления.

Влияние на коэффициент сцепления различных факторов

	При смачивании твердого покрытия коэффициент сцепления резко падает из-за образования пленки из частиц грунта и воды, уменьшающих трение между шиной и дорогой. Коэффициент сцепления понижается особенно значительно, если на покрытии имеется пленка глины. Сильным дождем она может быть смыта, тогда величина сцепления приближается к значениям, характерным для сухого покрытия. На рисунке 1 – сухое покрытие, 2 – начало дождя, 3 – конец дождя.
	Если сила тяги меньше силы сцепления, то ведущее колесо катится без пробуксовывания. Если сила тяги больше силы сцепления, ведущие колеса пробуксовывают и для движения используется лишь часть силы тяги. С увеличением проскальзывания (или буксования) шины по дороге коэффициент сцепления возрастает, достигая максимума при 20—25% проскальзывания. При полном буксовании ведущих колес может быть на 10—25% меньше максимального.
	С увеличением скорости движения автомобиля коэффициент сцепления обычно уменьшается. При скорости 40 м/с он может быть в несколько раз меньше, чем при скорости 10—15 м/с.

На дорогах с твердыми покрытиями коэффициент сцепления зависит главным образом от трения скольжения между шиной и покрытием. На деформируемых дорогах коэффициент сцепления зависит прежде всего от сопротивления грунта срезу и от внутреннего трения в грунте. Выступы протектора ведущего колеса, погружаясь в грунт, деформируют и уплотняют его, увеличивая до некоторого предела сопротивление срезу. Однако затем начинается разрушение грунта, вследствие чего коэффициент сцепления уменьшается.

Большое влияние на коэффициент сцепления оказывает рисунок протектора. При истирании выступов протектора во время эксплуатации ухудшается сцепление шины с дорогой. Наименьший коэффициент сцепления имеют шины, у которых полностью изношен рисунок протектора.

В любых условиях движение колеса с изношенным протектором шин приводит к снижению коэффициента продольного и поперечного сцепления. Так, блокировка колес с изношенным протектором шин в большинстве случаев возникает при нажатии на педаль тормоза с усилием, равным 2/3 нормального усилия, необходимого для блокировки колес с хорошими шинами.

В таблице приведены примерные значения коэффициента сцепление колес с дорогой в зависимости от состояние дороги.

Дорога	Поверхность
	Сухая	Мокрая
С асфальтобетонным или цементнобетонным покрытием	0,7 - 0,8	0,35 - 0,45
С щебеночным покрытием	0,6 - 0,7	0,3 - 0,4
Грунтовая	0,5 - 0,6	0,2 - 0,4
Обледенелая	0,1 - 0,2
Покрытая снегом	0,2 - 0,3

Сцепление колес с дорогой зависит и от ряда других факторов, например от качества подвески, давления в шинах. Однако из всех факторов следует выделить три главных: качество и состояние дорожного покрытия, состояние протектора шин и скорость движения автомобиля.

4. Эксплуатационные свойства оценивают, сравнивая их показатели с определенными значениями, принятыми в качестве базовых. Часть показателей имеет нормированные ОСТами и ГОСТами значения, для остальных — экспериментальным или расчетным путем определяют среднестатистические или экстремальные эксплуатационные значения показателей автомобилей-аналогов. Используют различные единичные показатели тягово-скоростных свойств, каждый из которых позволяет оценивать их в какой-либо ситуации движения, принимаемой за типичную.

Наиболее употребительными и достаточными для сравнительной оценки являются следующие показатели:

• максимальная скорость. По технико-эксплуатационным требованиям к грузовым автомобилям и автопоездам общего назначения нижний предел, nmw для одиночного автомобиля не менее 100 км/ч, для автопоезда не менее 80 км/ч

• условная максимальная скорость. Это средняя скорость автомобиля на по­следних 400 м при его разгоне с места на участке 2000 м при интенсивном разгоне с места

• время разгона на пути 400 и 1000 м. Для грузовых автомобилей до скорости 60 км/час, легковых 100 км/час

• время разгона до заданной скорости

• скоростная характеристика разгон—выбег. Эта характеристика определяет время разгона от 0 до максимальной скорости на участке 2000 м. Разгон осуществляется с передачи, используемой при трогании с места. Подача топлива в процессе разгона максимальная

• скоростная характеристика разгона на высшей передаче

• скоростная характеристика на дороге с переменным продольным профилем. Представляет собой зависимость средней скорости движения от максимально допустимой на проезде измерительного участка протяженностью 10…15 км. Участок должен иметь прямолинейный профиль, причем на нем должно быть не менее одного подъема и спуска длиной 600 …800 и крутизной не менее 4%

• минимальная устойчивая скорость – определяется на высшей передаче

• максимальный преодолеваемый подъем. Определяется на низшей передаче. Для грузовых одиночных автомобилей с полной нагрузкой подъем 25% и автопоездов 18%

• установившаяся скорость на затяжных подъемах. Устанавливается для грузовых автомобилей с полной нагрузкой при движении по сухому твердому ровному покрытию 30км/час на подъеме 3% протяженностью не менее 3км при установившейся скорости

• ускорение при разгоне

• сила тяги на крюке

• длина динамически преодолеваемого подъема

Этот показатель определяет верхний предел скоростных свойств на ограниченном пути

6. Скоростной характеристикой называются зависимости эффективной мощности Ne и эффективного крутящего момента Ме двигателя от угловой скорости коленчатого вала ω_e. У двигателя различают два тина скоростных характеристик: внешнюю (предельную) и частичные. Внешнюю скоростную характеристику получают при полной нагрузке двигателя, т.е. при полной подаче топлива. Частичные — при неполных нагрузках двигателя, или при неполной подаче топлива. Двигатель имеет только одну внешнюю скоростную характеристику и большое число частичных, среди которых и характеристика холостого хода. На частичных скоростных характеристиках значения эффективной мощности и крутящего момента двигателя меньше, чем на внешней скоростной характеристике, но характер их изменения аналогичен. Тягово-скоростные свойства автомобиля определяют при работе двигателя только на внешней скоростной характеристике. Рассмотрим внешние скоростные характеристики бензиновых двигателей и дизелей, которые имеют некоторые отличительные особенности. Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя без ограничителя угловой скорости коленчатого вала представлена на рис. 2А. Такие двигатели применяют главным образом на легковых автомобилях и иногда на автобусах. Приведенные зависимости имеют следующие характерные точки: Nmax— максимальная (номинальная) эффективная мощность;  ωN— угловая скорость коленчатого вала при максимальной мощности;  Mmax— максимальный крутящий момент;  ωм— угловая скорость коленчатого вала при максимальном крутящем моменте;  Nm— мощность при максимальном крутящем моменте;  Mn— крутящий момент при максимальной мощности;  ωмin— минимальная устойчивая угловая скорость коленчатого вала при полной подаче топлива; для бензиновых двигателей ωмin= 80... 100 рад/с;  ωmax— максимальная угловая скорость коленчатого вала при полной подаче топлива, соответствующая максимальной скорости автомобиля при движении на высшей передаче; для бензиновых двигателей без ограничителей угловой скорости коленчатого вала〖 ω〗max=(1,05... 1,1) ω_N Из рис. 1 видно, что эффективная мощность и эффективный крутящий момент двигателя возрастают с увеличением угловой скорости коленчатого вала, достигают максимальных значений при соответствующих угловых скоростяхω_Nи ω_м, а затем уменьшаются с ростом ω_е вследствие ухудшения наполнения цилиндров горючей смесью и увеличения трения. При этом возрастают динамические нагрузки, что приводит к ускоренному изнашиванию деталей двигателя. В условиях эксплуатации двигатель работает главным образом в интервале угловых скоростей от ωм до ωN. Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя с ограничителем угловой скорости коленчатого вала показана на рис. 2. Такие двигатели применяют на грузовых автомобилях и автобусах.   Рис. 1. Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя без ограничителя угловой скорости коленчатого вала   Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя с ограничителем угловой скорости коленчатого вала Ограничитель угловой скорости автоматически уменьшает подачу горючей смеси в цилиндры двигателя и снижает угловую скорость коленчатого вала с целью повышения долговечности двигателя. Ограничитель вступает в действие на той части внешней скоростной характеристики, на которой мощность двигателя почти не возрастает с увеличением угловой скорости коленчатого вала. Включение ограничителя соответствует максимальной угловой скорости ω_max=(0.8…0.9) ω_N.Максимальной эффективной мощностью в этом случае является наибольшая мощность, которую может развить двигатель при отсутствии ограничителя, т.е. N_max, соответствующая угловой скорости коленчатого вала ωN.

10. Сила сопротивления качению автомобильного колеса зависит от деформации шины, деформации дороги в зоне контакта колеса, трения шины о дорогу и трения в подшипниках колеса. Как считают специалисты, основное значение имеют деформации шины и дороги. Учитывая большое количество различных факторов, влияющих на силу сопротивления качению колеса и автомобиля в целом, эту силу определяют экспериментально. Сила сопротивления качению пропорциональна коэффициенту сопротивления качению и нормальной составляющей силы тяжести автомобиля.

Следовательно, если к автомобилю подсоединить динамометр и равномерно перемещать с небольшой скоростью автомобиль, то динамометр покажет силу сопротивления качению на данном отрезке дороги. Зная состояние дороги и его покрытия, а также массу автомобиля, можно определить и коэффициент сопротивления качению. Эксперименты показали, что на значение этого коэффициента влияют не только показатели дорожного покрытия, но и скорость движения автомобиля. Коэффициент сопротивления качению определяют по следующей эмпирической формуле. Для упрощения расчета автомобиля любительской постройки рекомендуется использовать средние значения коэффициента сопротивления качению.

При движении автомобиля по дороге встречаются и спуски, и подъемы, а следовательно, вес автомобиля, направленный всегда вертикально, раскладывается на две составляющие: одна направлена перпендикулярно дороге, вторая – параллельно продольной оси автомобиля.

Следовательно, сила сопротивления качению при движении на подъеме всегда будет несколько меньше, чем при движении по горизонтальному участку, однако она действует одновременно с силой сопротивления подъему и составляет с ней общую силу сопротивления дороги.