Сили, що діють на автомобіль

На рухомий автомобіль діють різні сили, що умовно поділяються на три групи:

– сили, що рухають автомобіль;

– сили опору рухові автомобіля;

– сили, нормальні до напрямку руху.

Розглянемо схему прикладання сил, що діють на автомобіль, який з прискоренням рухається на підйомі з кутом нахилу α (рис. 9). Для простоти викладу всі сили розташовані в площині руху, тобто в площині xCz. Тут С – центр маси автомобіля, положення його задається координатами а, b, h. Той факт, що всі сили розміщені в площині руху, дозволяє замість просторової схеми розглядати плоску, замінюючи в кожному мості два колеса одним.

Рис. 9. Схема прикладання сил, що діють на автомобіль

До першої групи сил на цій схемі належить сила тяги , де Т_к– крутний момент, підведений до ведучих коліс.

До другої групи сил належать:

– сили опору коченню передніх та задніх коліс P_f1та P_f2;

– сила опору підйому Р_і;

– сила опору повітря, рівнодійна якої P_wприкладена на висотіh_w від поверхні дороги;

– сила опору розгону (сила інерції) P_j.

До третьої групи сил належать:

– нормальна складова ваги автомобіля G∙cosα;

– нормальні реакції дороги на передні та задні колеса R_z1та R_z2.

Необхідно зауважити, що такий розподіл сил є правильним лише для даного випадку руху автомобіля. При русі автомобіля на спуску сила опору підйому не чинить опору рухові, а навпаки стає рушійною. При сповільненому русі автомобіля сила інерції P_jзмінює свій знак і також стає рушійною.

Вимоги до джерел механічної енергії. Тягове зусилля на ведучих колесах

Сила тяги на ведучих колесах автомобіля виникає внаслідок того, що до них через трансмісію підводиться крутний момент від двигуна. На автомобілях переважно використовують різні типи поршневих двигунів внутрішнього згоряння, зокрема бензинові (карбюраторні і з впорскуванням палива) та дизелі. Розмаїтість типів використовуваних двигунів пояснюється тим, що кожен з них має як ряд переваг порівняно з іншими, так і ряд недоліків. В табл. 1 наведено порівняння різних двигунів (знак + відображає перевагу даного типу двигуна, знак = означає приблизну рівноцінність двигунів).

Таблиця 1

Порівняльна характеристика поршневих двигунів внутрішнього згоряння

Тип двигуна Показник	Бензиновий		Дизель
	Карбюраторний	З впорскуванням палива
Літрова потужність	+
Пристосованість до зміни зовнішнього навантаження	+
Габарити	+
Маса	+
Шум при роботі	+
Пускові якості в різних кліматичних умовах	+
Технологічність виготовлення	+
Технологічність експлуатації	+
Економічність		+
Екологічність		+
Рівномірність руху	=
Врівноваженість	=
Надійність	=
Довговічність	=

Для оцінки тягових можливостей двигуна при різних режимах роботи використовується його швидкісна характеристика – залежність ефективної потужності та ефективного крутного моменту на валу двигуна при усталеному режимі роботи від частоти обертання колінвала. Швидкісна характеристика, одержана при максимальній подачі палива, називається зовнішньою, всі інші називаються частинними. Оскільки зовнішня швидкісна характеристика відображає граничні режими роботи двигуна, саме вона є найсуттєвішою для оцінки тягових можливостей двигуна, а отже, і автомобіля.

Зовнішні швидкісні характеристики різних типів двигунів ідентичні на вигляд, різниця полягає лише в наявності чи відсутності обмежувача частоти обертання колінвала (рис. 10). Двигуни без обмежувачів встановлюють переважно на пасажирських, насамперед легкових, автомобілях, оскільки для них суттєве значення має максимальна швидкість. При збільшенні частоти обертання понад n_N, що відповідає максимальній потужності, потужність двигуна зменшується, одночасно зростають динамічні навантаження на його деталі і питома витрата палива, тому намагаються, щоб максимальна частотаn_maxперевищувалаn_N не більше, ніж на 10…20 %. Сказане стосується бензинових двигунів. Щодо дизеля, то в нього при високих частотах обертання колінвала спостерігається погіршення процесу згоряння, у відпрацьованих газах появляється сажа – незгорені частинки палива, тому для дизелів рекомендуєтьсяn_max n_N.

Бензинові двигуни вантажних автомобілів оснащуються пристроями, які обмежують подачу палива, коли частота обертання колінвала сягає (0,8…0,9)n_N, завдяки чому припиняється зростання динамічних навантажень на деталі двигуна та збільшення питомої витрати палива.

Рис. 10. Зовнішня швидкісна характеристика двигуна: а – без обмежувача частоти обертання колінвала; б – з обмежувачем

Найважливішими параметрами зовнішньої швидкісної характеристики є:

N_emax– найбільша ефективна потужність двигуна;

n_N– частота обертання колінвала при найбільшій потужності;

Т_emax– найбільший ефективний крутний момент двигуна;

n_Т– частота обертання колінвала при найбільшому крутному моменті;

T_N– крутний момент при найбільшій потужності;

n_emax– найбільша частота обертання колінвала;

n_emin– найменша частота обертання колінвала.

Для оцінки тягово-швидкісних властивостей автомобіля велике значення має характер кривої Т_е= f(n_e), яка досягає максимуму при частоті n_T < n_N. Якщо n_e> n_T, то збільшення навантаження на двигун викликає зменшення частоти і одночасне збільшення крутного моменту. При збільшенні навантаження в межах частот n_T…n_Nдвигун автоматично пристосовується до цієї зміни, тобто працює в стійкому режимі. При однаковій зміні навантаження падіння частоти обертання колінвала і зв’язаної з нею швидкості автомобіля буде тим меншим, чим крутіша крива Т_е= f(n_e), тобто чим більший в кожній точці модуль похідної. Границі зміни навантаження на двигун і зміни частоти обертання колінвала, що відповідають стійкій роботі двигуна, оцінюються коефіцієнтами пристосованості двигуна:

– коефіцієнт пристосованості за моментом;

– коефіцієнт пристосованості за частотою.

Значення коефіцієнтів пристосованості лежать в таких межах:

бензинові двигуни k_T= 1,05…1,35 k_n= 1,5…2,5

дизелі k_T= 1,1…1,2 k_n= 1,4…2

Оскільки методи дослідження тягово-швидкісних властивостей автомобілів з різними двигунами внутрішнього згоряння не мають суттєвих відмінностей, то надалі виклад буде вестися без зазначення типу двигуна.

Для розрахунку показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля зручно користуватися не графічним відображенням зовнішньої швидкісної характеристики, а аналітичними залежностями

N_e= f₁(n_e)

T_e= f₂(n_e)

Найчастіше залежність N_e= f₁(n_e) задається у вигляді кубічного тричлена

,

де а₁, а₂, а₃– сталі для даного двигуна коефіцієнти;

N_e, n_e– біжучі значення потужності і частоти обертання колінвала.

При відомому значенні потужності величина крутного моменту

Якщо потужність задана в кВт, а крутний момент в Н∙м, то залежність має вигляд .

Знаючи крутний момент двигуна Т_еможна визначити тягову силу на ведучих колесах автомобіля. В загальному випадку при розгоні автомобіля частина крутного моменту двигуна затрачається на розгін маховика і зв’язаних з ним деталей, тому ведучим колесам передається момент

,

де J_м– момент інерції маховика і зв’язаних з ним деталей;

u_т– передатне число трансмісії;

η_т– коефіцієнт корисної дії трансмісії.

При сталій швидкості автомобіля і момент на ведучих колесах

.

Сила, що забезпечує рух автомобіля – колова сила на ведучих колесах – визначається за формулою

,

де u₀, u_к– передатні числа головної передачі і коробки передач.