Рух без буксування можливий за умови дотримання умови:
D с = a ∙ φ х ∙ cos α max /(L-Hд ∙ (φ х+ f до)) ≥ D max .
D с – динамічний фактор зі зчеплення;
а- відстань від центру мас до задньої осіавтомобіля;
α max - граничний кут подоланого підйому;
L-колісна база автомобіля;
Hд-висота центру тяжкості;
f до - Коефіцієнт опору коченню;
Hд = 1/3 * hд, де hд-габаритна висота;
а= (m 2/ m a)*L , де m 2 - вага автомобіля, що припадає на провідну вісь, m a - повна вагаавтомобіля.
φ х - коефіцієнт зчеплення коліс з дорогою (Згідно з завданням коефіцієнт зчеплення коліс з дорогою φ х = 0,45.)
Для автомобіля ГАЗ:
a = 1800/2800 * 2.76 = 1,77 м;
Hд = 1/3 * 2.2 = 0.73м;
D с = 1,77 * 0,45 * cos 27.45 ° / (2.76-0.73 * (0,45 +0,075)) = 0,31> D max = 0,38.
Звернувшись до динамічного паспорта автомобіля, побачимо, що оскільки рух буде здійснюватися з можливою пробуксовкою.
 |
Порівняльна таблиця отриманих оціночних параметрів тягово-швидкісних властивостей, укладання.
| Авт 1 | Авт 2 | |||
| Зовнішня швидкісна характеристика | N e max =70,8 кВт(3800) M e max =211,6Нм(2200) | N e max =74,6 кВт(2400) M e max =220Нм(4000) | ||
| Висновок: | ||||
| Тяговий та потужнісний баланс | Максимальна тягова сила автомобіля P т max = 10425Н. У точці, де перетинається графік Pт (Рд+Рв), тобто. Рт=Рд+Рв, швидкість максимальна за умов руху V max ГАЗ = 22.3м/с (на третій передачі). | Максимальна тягова сила автомобіля P т max =8502Н У точці, де перетинається графік Pт і (Рд+Рв), тобто. Рт=Рд+Рв, швидкість максимальна за умов руху, V maxFORD =23.3 м/с (на третій передачі). | ||
| Висновок: | ||||
| Динамічний паспорт | Dmax = 0,38 відповідна йому швидкість V = 4,2/с | Dmax = 0,3 відповідна йому швидкість V = 5,6/с | ||
| Висновок: | ||||
| Прискорення, час та шлях розгону | Максимальне прискорення a =0,45 м/с 2 . | Максимальне прискорення j a =0,27 м/с 2 | ||
| Час і шлях розгону на дорозі: | 400м 1000м До 60 км/год | t=32 сек t=46,7 сек | t=25 сек t=47,8 сек | |
| Висновок: | ||||
| Граничний кут підйому та перевірка можливості руху за умовою буксування | Граничний кут підйому = 27,4 º | Граничний кут підйому = 20,2 º | ||
| Висновок: | ||||
10. Кінематична схема гальмівної системиавтомобіля Газ 2752.
1,2 - дискові передні гальма.
3-контур передніх гальм
4-головні гальмівний циліндр
5-вакумний підсилювач
6-педаль гальма
7-контур задніх гальм
8-регулятор гальмівного тиску
9,10-барабанні задні гальма
11. Діаграма екстреного гальмування
Гальмування, метою якого є максимально швидка зупинка, називають екстреним.
Час гальмування автомобіля складається з таких складових:
tрв - час реакції водія - час від моменту, коли помічено небезпеку, до початку гальмування. tрв = 0,2-1,5с (tрв = 0,8c);
tсп – час спрацьовування гальмівного приводу.
tсп = 0,2с (гідравлічний), tсп = 1 с (пневматичний)
tнз – час наростання уповільнення. Залежить від типу автомобіля, кваліфікації водія, стану дорожнього покриття, дорожньої ситуації, стану гальмівної системи
При аварійному гальмуванні tнз = 0,5;
tуз – час уповільнення – час, протягом якого стан гальмівної системи залишається майже незмінним, і здійснюється повне гальмування (до зупинки) автомобиля.
tр – час розгальмовування (від початку відпускання гальмівної педалі до зазорів між фрикційними накладками). tр = 0,1 - 0,5c. Приймаємо tр = 0,4с.
Початкова швидкість гальмування V0 = 30 км/год = 8,3 м/с; к-т зчепленняшин із дорогою φ x = 0,35.
Гальмівний шлях автомобіля:
Sт = Sсп + Sнз + Sуз;
Sт = 0,004 * Kэ * V 0 2 / φ x = 0,004 * (30 2 / 0,35) * 1,3 = 13,4 м, де
Ке - к-т ефективностігальмівної системи, Ке = 1,3 - 1,4.
У розрахунках приймаємо Ке = 1,3.
Величина уповільнення:
j уз = (φ x + i) * g / Кэ / δ вр = 0,35 * 10/1,3 / 1,68 = 1,6 м / с 2 де
i = 0 - ухил дороги,
g = 10 м/с2 – прискорення вільного падіння;
Час уповільнення:
Час гальмування:
tт = tсп + tнз + tуз = 0,2 +0,5 +4.8 = 5,5 с.
Т.о. автомобіль при V 0 = 30 км/год та φx = 0,35 має гальмівний шлях Sт = 13,4 м за час
Для побудови діаграми екстреного гальмування знайдемо падіння швидкості на ділянці tуз:
Vуз = Vо - 0,5 * jуз * tнз = 8,3 - 0,5 * 1,6 * 0,5 = 7,9 м / с.
12. Розрахунок та побудова залежності гальмівного та зупинного шляху автомобіля від початкової швидкості руху при екстреному гальмуванні.
Початкова швидкість автомобіля при гальмуванні V0 = 30 км/год.
Гальмівний шлях Sт – шлях, прохідний автомобілемвід моменту спрацьовування гальмівного приводу до зупинки автомобіля.
Sт = 0,004 * (V 0 ^ 2) * Ke / φx.
Зупинний шлях Sо – шлях, який проходить автомобіль від моменту виявлення небезпеки до повної зупинки.
Для аналізу залежності гальмівного та зупинного шляху від швидкості руху автомобіля на початку гальмування або від к-та зчеплення шин з дорогою необхідно використовувати діаграму екстреного гальмування, на якій вказані фази гальмування.
Т.ч., використовуючи формули гальмівного та зупинного шляху, можемо зробити розрахунки на підставі яких потім побудувати графік залежності гальмівного та зупинного шляху автомобіля від початкової швидкості руху при екстреному гальмуванні.
| Таблиця 6. значення для графіка залежності гальмівного та зупинного шляху від початкової швидкості руху | ||||
| φx=0,35 | φx=0,6 | |||
| V0, км/год | Sт, м | So, м | Sт, м | So, м |
| |
13. Загальний висновок щодо гальмівних властивостей автомобіля.
Гальмівні властивості автомобіля - сукупність властивостей, що визначають максимальне уповільнення автомобіля при його русі на різних дорогах в гальмівному режимі, граничні значення зовнішніх сил, при дії яких загальмований автомобіль надійно утримується на місці або має необхідні мінімальні швидкості при русі під ухил.
Діаграма екстреного гальмування наочно показує фази гальмування, а саме: час реакції водія, час спрацьовування гальмівного приводу, час наростання уповільнення, час уповільнення і час гальмування.
Насправді ці фази прагнуть зменшити шляхом удосконалення гальмівної системи загалом – tсп (час спрацьовування гальмівного приводу), tуз (час уповільнення), tр (час розгальмовування). Складові tрв (час реакції водія) – шляхом підвищення кваліфікації, набуття досвіду водіння, tнз (час наростання уповільнення) – залежить від перерахованих факторів плюс стану дорожнього покриття та дорожньої ситуації, які коригування не піддаються.
Гальмівний та зупинний шляхи є одними з головних показників гальмівних властивостей автомобіля. Вони залежить від швидкості початку гальмування V 0 і к-та зчеплення коліс з дорогою φ x . Чим більше до-тφ x і нижче швидкість V 0 тим коротше гальмівний і зупинковий шляху.
За графіком зупинного та гальмівного шляху від швидкості та коефіцієнта опору можна визначити безпечну допустиму швидкість та шлях гальмування під час руху по відповідному дорожньому полотну.
Методи та умови перевірки гальмівного керування автомобіля при дорожніх та стендових випробуваннях наведені у ГОСТ Р 51709-2001.
14. Паливна характеристика встановленого руху а/м по дорозі з
ψ 1 =(0,015); ψ 2 = 0,5 ψ max; ψ 3 =0,4(ψ 1 + ψ 2)
В якості оціночних показників паливно-економічних властивостей прийняті контрольна витрата палива, паливна характеристика руху g п =f(va) на дорогах з різним станом покриття, залежність питомої ефективної витрати палива від ступеня використання потужності g е =f(U) і залежність питомої продуктивність автомобіля від швидкості руху W y =f (va) на дорогах з різним станом покриття.
Для визначення витрати палива при русі, що встановився, можна скористатися рівнянням витрати палива:
де g п - колійна витрата палива, л/100 км;
ψ 2 =0,5 ψ max =0,5* 0,075=0,0375
ψ 3 =0,4(ψ 1 + ψ 2)=0,4*(0,015+0,375)=0,021
Аналогічно розраховуємо значення для інших оборотів колінчастого валу, Коеф. опору дороги та другого автомобіля. Отримані значення заносимо до таблиці. За даними таблиці будуємо графік паливно-економічної характеристики автомобілів, яким порівнюємо автомобілі.
15. Графік залежності ефективної питомої витрати палива ge від ступеня використання потужності при частотах обертання коленвала: n 1 =0,5n i ; n 2 = ni; n 3 = n N;
При конкретному частотному режимі роботи двигуна та відомих значеннях потужності, що витрачається на подолання сил опорів дороги та повітря, визначається питома ефективна витрата палива з урахуванням ККД трансмісії за формулою:
Приймаємоn i =1600 об/хв для обох автомобілів, тоді n 1 =800.
Аналогічно розраховуємо значення для інших оборотів колінчастого валу, коеф. опору дороги та другого автомобіля. Отримані значення заносимо до таблиці 8. За даними таблиці будуємо залежності питомої ефективної витрати палива від ступеня потужності автомобіля за яким порівнюємо автомобілі.
Відомо, що для забезпечення руху тягове зусилля має бути більшим, ніж сумарний опір руху автомобіля.
Горизонтальна сила Рк (тягове зусилля), що виникає внаслідок дії на колесо обертального моменту Мвр у зоні його контакту з покриттям, спрямована у бік зворотного руху (див. рис.5.1).
Сила Рк викликає горизонтальну силу реакції Т, що є силою тертя (зчеплення) колеса з покриттям в зоні їх взаємодії, при цьому Т=Рк.
Рис.5.1. Умова можливого рухуавтомобіля
Але колесу доводиться долати ще опір коченню. Сила опору коченню Pf визначається за відомою залежністю: ,
де Gk - зусилля, що передається на провідне колесо, Gk = (0,65: 0,7) G - для вантажних автомобілівта (0,5:0,55) G - для легкових, де G - вага автомобіля; - Коефіцієнт опору коченню.
де а- відстань від вертикальної осі колеса до місця розташування реакції R від ваги Gк, що передається на колесо; - радіус кочення пневматичного колеса; = λ * r, де r – радіус недеформованого колеса, λ – коефіцієнт зменшення радіуса колеса залежно від жорстокості шин (λ = 0,93 – 0,96).
Встановлено, що значення залишається постійним до швидкості V= 50 км/год і залежить від типу покриття не більше = (0,01-0,06). Збільшення швидкості зростає, т.к. при наїзді колеса на нерівності кінетична енергія, прямо пропорційна V², витрачається значно більшої ступеня подолання цих перешкод.
При V>50 км/година f визначається за залежністю
V-,
де - Коефіцієнт опору коченню при V до 50 км/год.
Використовуючи положення теоретичної механіки та рис. 5.1, можна записати: Т = Рк -
Т = Рк - Т = Рк - (5.4)
Очевидно, що рух автомобіля можливий при Т>Рк.
Найбільше значення сили тертя, отже, і тягового зусилля, визначається залежно від Тmах = φ ∙ Gсц, де φ - коефіцієнт зчеплення; Gсц зчіпна вага автомобіля, що передається на провідне колесо.
Природно, сила тертя (зчеплення) досягає найбільшої величини (при тому самому зчіпному вазі, що передається на колесо) при максимальному значенні коефіцієнта зчеплення φ.
Коефіцієнт зчеплення є змінною величиною і залежить від багатьох факторів (стану покриття проїжджої частини, режиму гальмування, наявності бічних сил, тиску в шині, протектора, швидкості тощо). φ змінюється у межах (φ=0,1-0,7) і тому його лише умовно можна як параметр, однозначно характеризує покриття.
Максимально можливе значення φmax провідних коліс з покриттям в даних умовах відповідає моменту, що передує початку їх буксування, а коліс, що гальмують - переходу від гальмування тертя гальмівних колодок об барабан до ковзання по покриття заблокованих коліс юзом.
Розрізняють коефіцієнт поздовжнього зчеплення φ1, відповідний початку прослизання або буксування колеса при коченні або гальмуванні без бічної сили Yk; і коефіцієнт поперечного зчеплення φ2 – поперечна складова коефіцієнта зчеплення , що виникає при зміщенні ведучого колеса, що котиться, під кутом до площини руху під впливом бічного зусилля Yk, коли колесо, обертаючись, ковзає вбік.
Коефіцієнт поперечного зчеплення φ2 використовується для оцінки стійкості автомобілів проти занесення при русі горизонтальними кривими, коли на автомобіль діє поперечна відцентрова сила; φ2 ≈ (0,85-0,9) φ1.
Коефіцієнт зчеплення є найважливішою характеристикоютранспортно-експлуатаційних якостей автомобільної дороги Від φ залежить як можливість реалізації тягової сили автомобіля, а й стійкість автомобіля проти занесення на кривих, можливість своєчасної зупинки автомобіля перед перешкодою чи пішоходом. Недостатнє зчеплення шин з колесом з покриттям часто є першопричиною дорожньо-транспортних пригод (ДТП). Встановлено, що підвищення коефіцієнта зчеплення у 2 рази дозволяє зменшити кількість ДТП у 1,5 раза.
На значення коефіцієнтів зчеплення впливають багато чинників. Встановлено, що значення коефіцієнта зчеплення більше впливає стан дорожнього покриття, ніж його тип. Це пов'язано
з тим, що в ідеальних умовах за будь-яких покриттях тверді виступи мінеральних частинок вдавлюються в шину і тому колесо може прослизнути переважно в результаті деформації гуми протектора.
У міру зносу покриттів їхня шорсткість зменшується, а отже, зменшується і їхнє зчеплення з колесом. p align="justify"> Коефіцієнт зчеплення найбільш стійкий у цементобетонних покриттів в сухому стані при тривалості їх служби до 10-12 років, у асфальтобетонних - 5-8 років. При зносі (стиранні) покриттів на 50-60% коефіцієнт зчеплення зменшується на 30-40%. Інакше висловлюючись, з часом коефіцієнт зчеплення знижується.
Коефіцієнт зчеплення залежить: від матеріалу, з якого виготовлена шина (найбільший коефіцієнт зчеплення забезпечують шини, виготовлені з високогістерезисних гум); типу малюнка протектора шин (на вологому покритті шини з малюнком протектора, що має більшу розчленованість, забезпечують вищий коефіцієнт зчеплення); ступеня зносу протектора шини (при повному стиранні малюнка протектора коефіцієнт зчеплення знижується на 35-45%, а на вологих та брудних покриттях приблизно ще на 20-25%).
p align="justify"> Коефіцієнт зчеплення знижується внаслідок наявності на покритті бруду, пилу, продуктів зносу шин і т.п., бо ними заповнюються западини поверхонь покриття протекторів шин, що зменшує їх шорсткість.
Дослідження показали, що коефіцієнт зчеплення зменшується із збільшенням швидкості. Це пов'язано з тим, що з високих швидкостях руху шина не встигає повністю деформуватися, оскільки тривалість контакту з покриттям при цьому недостатня, отже, нерівності покриття вдавлюються в шину меншу глибину. На сухих покриттях зниження коефіцієнта зчеплення із збільшенням швидкості менш відчутне.
Волога, змочуючи зону контакту між шиною та покриттям, діє як мастило, що розділяє шорсткі поверхні (покриття та колеса), знижуючи коефіцієнт зчеплення. При шарі води на покритті товщиною в кілька міліметрів і сильному зносі шин і швидкості, близької до 100 км/год, може виникнути явище аквапланування, коли водяний клин, що утворюється між шиною і покриттям, що створює гідродинамічну підйомну силу, різко знижує тиск колеса на дорогу, внаслідок цього контакт передніх коліс з покриттям може повністю припинитися із втратою керованості автомобіля.
За наявності на покритті бруду і т.д. φ сильно змінюється під час дощу. У перший період дощу утворюється порівняно густа плівка бруду, яка грає роль мастила, що зменшує коефіцієнт зчеплення. Поступово мастило розріджується, частково змивається дощем і коефіцієнт зчеплення починає зростати, проте не досягаючи значення на сухому покритті.
Загалом коефіцієнт зчеплення змінюється у межах протягом року у зв'язку з зміною кліматичних умов. Природно, що найбільш високий влітку і знижується взимку. Тому в зимовий періодпроводять різні заходи, що підвищують коефіцієнт зчеплення (очищення дорожніх покриттіввід снігу, льоду, усунення ожеледиці та слизькості покриттів шляхом посипання піском, шлаками, протиожеледними сумішами та ін.).
Сили, що діють на автомобіль
Гальмування автомобіля
Стійкість автомобіля
Керованість автомобіля
Прохідність автомобіля
Автомобіль переміщається з певною швидкістю внаслідок дії на нього рушійних сил і сил, які чинять опір руху (рис. 1).
До сил, що перешкоджають руху автомобіля, належать: сили опору коченню Рf, опір, що створюється підйомом дороги Рa, опір повітря Pw, опір сил інерції Рj. Для подолання цих сил автомобіль оснащений джерелом енергії – двигуном. Повертаючий момент, що виникає в результаті роботи двигуна, передається через силову передачу і півосі на провідні колеса автомобіля. Їхньому обертанню перешкоджає сила тертя, яка з'являється між колесами та поверхнею дороги.
Під час обертання провідні колеса створюють окружні сили, які діють на дорогу, прагнучи відштовхнути її назад. Дорога, своєю чергою, надає рівну протидію (дотичну реакцію) на колеса, що й викликає рух автомобіля.
Силу, яка приводить автомобіль у рух, називають силою тяги та позначають Ph. Зв'язок між цими величинами або гранична умова руху автомобіля, при якому забезпечується рівновага між силою тяги та силами опору руху, можна виразити формулою
Pk = Pf±Pa + Pw + Pj.
Це рівняння називається рівнянням тягового балансуі дозволяє встановити, як тягова сила розподіляється по різним видамопорів.
Опір дороги
Опір коченню шини дорогою є наслідком витрат енергії на гістерезисні (внутрішні) втрати у шині і утворення колії (зовнішні) втрати. Крім того, частина енергії втрачається в результаті поверхневого тертя шин об дорогу, опору в підшипниках маточок ведених коліс і опору повітря рощенню коліс. Зважаючи на складність обліку всіх факторів, опір коченню коліс автомобіля оцінюють за сумарними витратами, вважаючи силу опору коченню зовнішньої по відношенню до автомобіля. При коченні еластичного колеса твердою дорогою зовнішні втрати незначні. Шари нижньої частини шини то стискаються, то розтягуються. Між окремими частинками шини виникає тертя, виділяється тепло, яке розсіюється, і робота, що витрачається на деформацію шини, не повертається повністю при подальшому відновленні форми шини. При коченні еластичного колеса деформації передній частині шини зростають, а задній - зменшуються.
Коли жорстке колесо котиться м'якою деформованою дорогою (грунт, сніг), втрати на деформацію шини практично відсутні і енергія витрачається лише на деформацію дороги. Колесо врізається в ґрунт, видавлює його убік, спресовуючи окремі частинки, утворюючи колію.
Коли ж колесо, що деформується, котиться по м'якій дорозі, енергія витрачається на подолання як внутрішніх, так і зовнішніх втрат.
При коченні пружного колеса по м'якій дорозі деформація його менша, ніж при кочення по твердій дорозі, а деформація грунту менше, ніж при коченні жорсткого по тому грунту.
Величина сили опору коченню може бути з формули
Pf = Gf cos a,
Pf – сила опору коченню;
G – вага автомобіля;
а - кут, що характеризує крутість підйому або спуску;
f - коефіцієнт опору коченню, що враховує дію сил деформації шин та покриття, а також тертя між ними у різних дорожніх умовах.
Розмір коефіцієнта опору коченню коливається від 0,012 (асфальтобетонне покриття) до 0,3 (сухий пісок).
Мал. 1. Сили, що діють на автомобіль, що рухається
Опір підйому. Автомобільні дороги складаються з підйомів і спусків, що чергуються між собою, і вкрай рідко мають горизонтальні ділянки великої довжини. Крутизну підйому характеризують величиною кута а (у градусах) або величиною ухилу дороги t, що є відношенням перевищення Н до закладення В (див. рис. 1):
i = H / B = tg a.
Вагу автомобіля G, що рухається на підйомі, можна розкласти на дві-складові сили: G sina, спрямовану паралельно дорозі, та Gcosa, перпендикулярну до дороги. Силу G sin a називають силою опору підйому і позначають Ра.
на автомобільних дорігах з твердим покриттям кути підйому невеликі та не перевищують 4 - 5°. Для таких малих кутів можна вважати
i = tg a ~ sin а, тоді Ра - G sin а = Gi.
Під час руху на спуску сила Ра має протилежний напрямок і діє як рушійна сила. Кут і ухил вважають позитивними на підйомі і негативними при русі на спуску.
Сучасні автомобільні дороги не мають чітко виражених ділянок з постійним ухилом; їх поздовжній профіль має плавні контури. На таких дорогах ухил і сила Р постійно змінюються в процесі руху автомобіля.
Опір нерівностей.Жодне дорожнє покриття не є абсолютно рівним. Навіть нові цементобетонні та асфальтобетонні покриття мають нерівності заввишки до 1 см. Під дією динамічних навантажень нерівності швидко збільшуються, зменшуючи швидкість автомобіля, скорочуючи термін його служби та збільшуючи витрату палива. Нерівності утворюють додатковий опір руху.
При попаданні колеса у довгу западину воно вдаряється об її дно і підкидається нагору. Після сильного удару колесо може відокремитися від покриття і знову вдаритися (вже з меншої висоти), коливання згасають. Переїзд через короткі западини та виступи пов'язаний з додатковою деформацією шини під дією сили, що виникає при ударі про нерівність виступ. Таким чином, рух автомобіля по нерівностях дороги супроводжується безперервними ударами коліс та коливаннями осей та кузова. В результаті відбувається додаткове розсіювання енергії в шині та деталях підвіски, що іноді досягає значних величин.
Додатковий опір, що викликається нерівностями дороги, враховують умовно збільшуючи коефіцієнт опору коченню.
Величини коефіцієнта опору коченню f та ухилу i в сукупності характеризують якість дороги. Тому часто говорять про силі опору дорогиР, що дорівнює сумі сил Рf і Ра:
Р = Pf -f Ра = G (f cos а -f sin а) ~ G (f + i).
Вираз, що стоїть у дужках, називають коефіцієнтом опору дорогиі позначають літерою Ф. Тоді сила опору дороги
Р = G (f cos a -f sin а) = G ф.
Опір повітря.Під час руху автомобіля на нього чинить опір та повітряне середовище. Витрати потужності подолання опору повітря складаються з наступних величин:
Лобового опору, що з'являється в результаті різниці тисків спереду і ззаду автомобіля, що рухається (близько 55 - 60% всього опору повітря);
Опіру, що створюється виступаючими частинами: підніжками, крилами, номерним знаком (12 – 18%);
Опір, що виникає при проходженні повітря через радіатор і підкапотний простір (10-15%);
Тертя зовнішніх поверхонь про довколишні шари повітря (8 - 10%);
Опір, викликаний різницею тисків зверху та знизу автомобіля (5 – 8%).
У разі збільшення швидкості руху збільшується і опір повітря.
Причепи викликають збільшення сили опору повітря внаслідок значного завихрення повітряних потоків між тягачом і причепом, а також збільшення зовнішньої поверхні тертя. В середньому можна прийняти, що застосування кожного причепа збільшує опір на 25% в порівнянні з одиночним автомобілем.
Сила інерції
Крім сил опору дороги та повітря вплив на рух автомобіля надають сили інерції Р). Будь-яка зміна швидкості руху супроводжується подоланням сили інерції, і її величина тим більша, чим більша обита машина:
Час рівномірного руху автомобіля зазвичай мало порівняно із загальним часом його роботи. Приміром, під час роботи у містах автомобілі рухаються поступово 15 - 25% часу. Від 30% до 45% часу займає прискорений рух автомобіля та 30 – 40% – рух накатом та гальмування. При рушанні з місця та збільшенні швидкості автомобіль рухається з прискоренням – його швидкість при цьому нерівномірна. Чим швидше автомобільзбільшує швидкість, тим більше прискорення автомобіля. Прискорення показує, як кожну секунду зростає швидкість автомобіля. Фактично прискорення автомобіля досягає 1 - 2 м/с2. Це означає, що за кожну секунду швидкість зростатиме на 1-2 м/с.
Сила інерції змінюється у процесі руху автомобіля відповідно до зміни прискорення. Для подолання сили інерції витрачається частина тягової сили. Однак у тих випадках, коли автомобіль рухається накатом після попереднього розгону або при гальмуванні, сила інерції діє у напрямку руху автомобіля, виконуючи роль рушійної сили. Зважаючи на це, деякі важкопрохідні ділянки шляху можна долати з попереднім розгоном автомобіля.
Розмір сили опору розгону залежить від прискорення руху. Чим швидше розганяється автомобіль, тим більшою стає ця сила. Її величина змінюється навіть при рушанні з місця. Якщо автомобіль рушає плавно, то ця сила майже відсутня, а при різкому торканні вона може навіть перевищити тягову силу. Це призведе або до зупинки автомобіля, або до буксування коліс (у разі недостатньої величини коефіцієнта зчеплення).
У процесі роботи автомобіля безперервно змінюються умови руху: тип і стан покриття, величина та напрямок ухилів, сила та напрямок вітру. Це призводить до зміни швидкості автомобіля. Навіть у найбільш сприятливих умовах (рух по вдосконалених автомагістралях поза містами та населених пунктів) швидкість автомобіля і тягова сила рідко залишаються незмінними протягом тривалого часу. На середньої швидкості руху (визначуваної як відношення пройденого шляху до часу, витраченого на проходження цього шляху з урахуванням часу зупинок в дорозі) позначається крім сил опору вплив дуже великої кількості факторів. До них відносяться: ширина проїжджої частини, інтенсивність руху, освітленість дороги, метеорологічні умови (туман, дощ), наявність небезпечних зон (залізничні переїзди, скупчення пішоходів), стан автомобіля тощо.
У складних дорожніх умовах може статися так, що сума всіх сил опору перевищить тягову силу, тоді рух автомобіля буде сповільненим і може зупинитися, якщо водій не вживе необхідних заходів.
Зчеплення колеса автомобіля з дорогою
Для того, щоб нерухомий автомобіль привести в рух, однієї сили тяги недостатньо. Необхідне ще тертя між колесами та дорогою. Інакше висловлюючись, автомобіль може рухатися лише за умови зчеплення провідних коліс із поверхнею дороги. У свою чергу сила зчеплення залежить від зчіпної ваги автомобіля Gv, тобто вертикального навантаження на провідні колеса. Чим більше вертикальне навантаження, тим більша сила зчеплення:
Pсц = ФGk,
де Pсц – сила зчеплення коліс з дорогою, кгс; Ф – коефіцієнт зчеплення; GK - зчіпна вага, кгс. Умова руху без буксування коліс
Рk< Рсц,
тобто якщо тягова сила менша за силу зчеплення, то провідне колесо котиться без буксування. Якщо ж до провідних коліс прикладена тягова сила більша, ніж сила зчеплення, то автомобіль може рухатися тільки з пробуксовкою провідних коліс.
Коефіцієнт зчеплення залежить від типу та стану покриття. На дорогах з твердим покриттям величина коефіцієнта зчеплення обумовлена головним чином тертям ковзання між шиною і дорогою і взаємодією частинок протектора і мкронеровності покриття. При змочуванні твердого покриття коефіцієнт зчеплення зменшується дуже помітно, що пояснюється утворенням плівки із шару частинок ґрунту та води. Плівка розділяє тертьові поверхні, послаблюючи взаємодію шини та покриття та зменшуючи коефіцієнт зчеплення. При ковзанні шини по дорозі в зоні контакту можливе утворення елементарних гідродинамічних клинів, що викликають піднімання елементів шини над мікровиступами покриття. Безпосередній контакт шини та дороги у цих місцях замінюється рідинним тертям, при якому коефіцієнт зчеплення мінімальний.
На дорогах, що деформуються, коефіцієнт зчеплення залежить від опору грунту зрізу і величини внутрішнього тертя в грунті. Виступи протектора ведучого колеса, занурюючись у ґрунт, деформують та ущільнюють його, що викликає збільшення опору зрізу. Однак після деякої межі починається руйнування ґрунту, і коефіцієнт зчеплення зменшується.
На величину коефіцієнта зчеплення впливає також рисунок протектора шини. Шини легкових автомобілів мають протектор із дрібним малюнком, що забезпечує гарне зчеплення на твердих покриттях. Шини вантажних автомобілів мають великий малюнок протектора з широкими і високими виступами-ґрунтозачепами. Під час руху ґрунтозачепи врізаються в ґрунт, покращуючи прохідність автомобіля. Стирання виступів у процесі експлуатації погіршує зчеплення шини з дорогою.
При збільшенні внутрішнього тиску шині коефіцієнт зчеплення спочатку збільшується, та був зменшується. Максимальне значення коефіцієнта зчеплення відповідає приблизно величині тиску, що рекомендується для даної шини.
При повному ковзанні шини по дорозі (буксування провідних коліс або юз коліс, що гальмують) величина ф може бути на 10 - 25% менше максимальної. Коефіцієнт поперечного зчеплення залежить від тих самих факторів, і його зазвичай приймають рівним 0,7Ф. Середні значення коефіцієнта зчеплення коливаються в широких межах від 0,1 (змерзле покриття) до 0,8 (сухе асфальте-і цементобетонне покриття).
Зчеплення шин з дорогою має першорядне значення для безпеки руху, оскільки воно обмежує можливість інтенсивного гальмування та стійкого руху автомобіля без поперечного ковзання.
Недостатня величина коефіцієнта зчеплення є причиною в середньому 16%, а в несприятливі періоди року – до 70% дорожньо-транспортних пригод від загальної кількості. Міжнародною комісією з боротьби зі слизькістю дорожніх покриттів встановлено, що величина коефіцієнта зчеплення за умовами безпеки руху не повинна бути меншою за 0,4.
ГАЛЬМАННЯ АВТОМОБІЛЯ
Надійні та ефективні гальмадозволяють водієві впевнено вести автомобіль із великою швидкістю і водночас забезпечують необхідну безпеку руху.
У процесі гальмування кінетична енергія автомобіля переходить у роботу тертя між фрикційними накладками колодок та гальмівними барабанами, а також між шинами та дорогою (рис. 2).
Величина гальмівного моменту, що розвивається гальмівним механізмом, залежить від його конструкції та тиску у приводі. Для найбільш поширених типів гальмівних приводів, гідравлічного та пневматичного, сила натискання на колодку прямо пропорційна тиску, що розвивається у приводі при гальмуванні.
Гальма сучасних автомобілівможуть розвивати момент, який значно перевищує момент сили зчеплення шини з дорогою. Тому дуже часто в практиці спостерігається юз, коли при інтенсивному гальмуванні колеса автомобіля блокуються і ковзають дорогою, не обертаючись. До блокування колеса між гальмівними накладками та барабанами діє сила тертя ковзання, а в зоні контакту шини з дорогою – сила тертя спокою. Після блокування, навпаки, між поверхнями гальма, що труться, діє сила тертя спокою, а в зоні контакту шини з дорогою - сила тертя ковзання. При блокуванні колеса витрати енергії на тертя в гальмі і на кочення припиняються і майже все тепло, еквівалентне кінетичній енергії автомобіля, що поглинається, виділяється в місці контакту шини з дорогою. Підвищення температури шини призводить до розм'якшення гуми та зменшення коефіцієнта зчеплення. Тому найбільша ефективність гальмування досягається у разі кочення колеса межі блокування.
При одночасному гальмуванні двигуном та гальмами досягнення величини сили зчеплення на провідних колесах відбувається при меншій силі натискання на педаль, ніж при гальмуванні лише гальмами. Тривале гальмування (наприклад, під час руху на затяжних спусках) в результаті нагрівання гальмівних барабанів різко зменшує коефіцієнт тертя фрикційних накладок, а отже, і гальмівний момент. Таким чином, гальмування з невід'єднаним двигуном, що застосовується як додатковий спосіб зменшення швидкості, дозволяє збільшити термін служби гальм. Крім того, при гальмуванні з невід'єднаним двигуном збільшується поперечна стійкістьавтомобіля.
Мал. 2. Сили, що діють на колесо автомобіля під час гальмування
Розрізняють екстрене та службове гальмування.
Службовимназивається гальмування для зупинки автомобіля або зниження швидкості руху в заздалегідь призначеному водієм місці. Зниження швидкості у разі здійснюється плавно, частіше комбінованим гальмуванням.
Екстренимназивається гальмування, яке проводиться з метою запобігання наїзду на несподівану або помічену перешкоду (предмет, автомобіль, пішохід тощо). Це гальмування може бути охарактеризовано зупинним шляхом та гальмівним шляхом автомобіля.
Під зупинним шляхомрозуміють відстань, яка пройде автомобільвід моменту виявлення водієм небезпеки до моменту зупинки автомобіля.
Гальмівним шляхомназивають частину зупинки, який пройде автомобіль з моменту початку гальмування коліс до повної зупинки автомобіля.
Загальний час t0, необхідний для зупинки автомобіля з моменту виникнення перешкоди («зупинний час»), можна подати у вигляді суми кількох складових:
t0 = tр + tпр + tу + tT,
де tр – час реакції водія, с;
tпр - час між початком натискання на гальмівну педаль та початком дії гальм, с;
tу - час збільшення уповільнення, с;
tT – час повного гальмування, с.
суму tnp+tyчасто називають часом спрацьовування гальмівного приводу.
Автомобіль протягом кожного із складових інтервалів часу проходить певний шлях, та їх сума є зупинним шляхом (рис. 3):
S0 = S1 + S2 + S3, м,
де S1, S2, S3 - відповідно шляхи, пройдені автомобілем за час tр, tПр+tу, tт.
За час tр водій усвідомлює необхідність гальмування та переносить ногу з педалі подачі палива на педаль гальма. Час tр залежить від кваліфікації водія, його віку, стомлюваності та інших суб'єктивних факторів. Воно коливається від 02 до 15 з і більше. При розрахунках зазвичай беруть tр = 0,8 з.
Час tnp необхідний вибирання зазорів і переміщення всіх деталей приводу (педалі, поршнів гальмівних циліндрів чи діафрагми гальмівних камер, гальмівних колодок). Цей час залежить від конструкції гальмівного приводу та його технічного стану.
Мал. 3. Шлях гальмування та дистанція безпеки автомобіля
У середньому для справного гідравлічного приводуможна прийняти tпр = 0,2 с, а для пневматичного - 0,6 с, У автопоїздів з пневматичним приводом гальм час tпр може досягати 2 с. Відрізок tу характеризує час поступового збільшення уповільнення від нуля (початок дії гальм) до максимального значення. Цей час становить середньому 0,5 з.
Протягом часу tp+tпр автомобіль рухається рівномірно з початковою швидкістю Vа. За час tу швидкість дещо зменшується. Протягом часу tт уповільнення зберігається приблизно незмінним. У момент зупинки автомобіля уповільнення зменшується до нуля майже миттєво.
Зупинний шлях автомобіля без урахування сили опору дороги можна визначити за формулою
S = (t * V0 / 3.6) + kэ (Va2 / 254Фх)
де S0 - зупинний шлях, м;
VA - швидкість руху автомобіля у початковий момент гальмування, км/год;
kе - коефіцієнт ефективності гальмування, який показує, у скільки разів дійсне уповільнення автомобіля менше теоретичного максимально можливого на даній дорозі. Для легкових автомобілів kе~1,2, для вантажних автомобілів та автобусів kе~1,3 - 1,4;
Фх - коефіцієнт зчеплення шин із дорогою,
t = tр + tпр + 0,5 tу.
Вираз kе = V2 / (254 ух) - представляє гальмівний шлях, величина якого, як видно з формули, пропорційна квадрату швидкості, з якою рухався автомобіль перед початком гальмування. Тому зі збільшенням швидкості руху вдвічі, наприклад, з 20 до 40 км/год, гальмівний шлях збільшиться вчетверо.
Нормативи ефективності дії гальма ножа автомобілів в умовах експлуатації наведені в табл. 1 (початкова швидкість гальмування 30 км/год).
При гальмуванні на снігових та слизьких дорогах гальмівні сили всіх коліс автомобіля досягають значення сили зчеплення практично одночасно. Тому при Фх<0,4 следует принимать кэ= 1 для всех автомобилей.
При всій складності керування автомобілем робота водія зводиться, зрештою, до регулювання трьох параметрів: швидкості руху, необхідного для руху зусилля та спрямування. А складність управління виникає через різноманітність умов, в яких відбувається рух, та безліч варіантів поєднань швидкості, зусиль і напряму. У кожному з цих варіантів поведінка автомобіля має свої особливості та підпорядковується певним законам механіки, склепіння яких називають теорією автомобіля. Вона враховує і наявність середовища руху, тобто поверхні, по якій котяться колеса, та повітряного середовища.
Таким чином, ця теорія охоплює дві з трьох ланок системи, що цікавить нас «водій - автомобіль - дорога». Але рух автомобіля виникає (і закони руху набирають чинності) лише після тієї чи іншої, правильної чи неправильної дії водія. На жаль, впливом цієї дії на поведінку автомобіля ми іноді нехтуємо. Так, не завжди беремо до уваги, досліджуючи розгін, що його інтенсивність залежить, крім характеристик машини та дороги, ще й від того, якою мірою водій їх враховує, наприклад скільки секунд він витрачає на перемикання передач. Подібних прикладів можна навести безліч.
Завдання наших розмов - допомогти водієві правильно Розуміти та враховувати закони поведінки автомобіля. Тим самим можна забезпечити, на науковій основі, максимальне використання якостей автомобіля, закладених у його технічній характеристиці, та безпеку руху за найменших витрат енергії – механічної (автомобіля), фізичної та психічної (водія).
Закони поведінки автомобіля прийнято групувати навколо таких якостей:
динамічності руху, тобто швидкісних властивостей;
прохідності, тобто здатності долати (чи оминати) перешкоди;
стійкості та керованості, тобто здатності слухняно йти по заданому водієм курсу;
плавності ходу, тобто забезпечення сприятливої характеристики коливань пасажирів та вантажу в кузові (не плутати з плавністю роботи двигуна та автоматичної трансмісії!);
економічність, тобто здатність здійснювати корисну транспортну роботу при мінімальному витраті палива та інших матеріалів.
Закони поведінки автомобіля, що належать до різних груп, значною мірою взаємопов'язані. Якщо, наприклад, якийсь автомобіль не має хороших показників плавності ходу і стійкості, то водію важко, а в інших умовах неможливо підтримувати потрібну швидкість, хоча б і за високих динамічних показників машини. Навіть такі, здавалося б, другорядні фактори, як акустичні дані, впливають знову-таки на динамічність: багато водіїв віддадуть перевагу млявому розгону інтенсивному, якщо останній у даної моделі супроводжується сильним шумом двигуна та трансмісії.
Між елементами системи «водій – автомобіль – дорога» існують сполучні ланки. Між дорогою та водієм – це інформація, яка сприймається його зором і слухом» Між водієм та автомобілем – органи управління, що впливають на його механізми, та зворотна реакція, що сприймається м'язами, органами рівноваги водія та знову-таки зором (прилади) та слухом. Між автомобілем і дорогою (середовищем) - поверхня контакту шин з дорогою (а також поверхня кузова та інших частин машини, що стикається з повітрям).
Взаємозв'язок елементів системи «водій – автомобіль – дорога».
Обмежимо кілька коло питань, які ми розглядаємо: будемо вважати, що водій отримує достатню і правильну інформацію, ніщо не заважає йому швидко і точно обробляти її і приймати вірні рішення. Тоді кожен закон поведінки автомобіля підлягає розгляду за схемою: автомобіль рухається в таких умовах - у місцях контакту шин з дорогою і поверхні автомобіля з повітрям відбуваються такі явища - водій діє, щоб зберегти або змінити даний характер руху, - дії водія передаються через органи управління механізмами автомобіля, а від них колесам – у місцях контакту відбуваються нові явища – характер руху автомобіля зберігається або змінюється.
Все це ніби добре відомо автомобілістам, але не завжди і не всі однаково трактують ті чи інші поняття. А наука потребує точності, суворості. Тому необхідно, перш ніж вивчати поведінку автомобіля в різних ситуаціях, про дещо нагадати і домовитися. Таким чином, ми поговоримо про те, що має водій, вирушаючи в дорогу.
Насамперед - про масу автомобіля. Нас цікавитимуть лише два його так званих вагових станів – «повна маса» та стан, який умовно назвемо ходовим. Масу називають повною, коли автомобіль - з водієм, пасажирами (за кількістю місць у кузові) та вантажем, причому повністю заправлений паливом, мастилом та іншими рідинами, укомплектований запасним колесом та інструментом. Маса пасажира приймається рівною 76 кг, багажу – по 10 кг на особу. При ходовому стані на борту знаходиться водій, але немає ні пасажирів, ні вантажу: тобто автомобіль може пересуватися, але не завантажений. Про «власну» (без водія та навантаження) і тим більше «суху» масу (крім того без палива, мастила тощо) говорити не будемо, оскільки в цих станах машина не може рухатися.
Великий вплив на поведінку автомобіля розподіляє його маса по колесах, або його так зване осьове навантаження, і навантаження, що припадає на кожне колесо і шину. У сучасних легкових автомобілів у ходовому стані на передні колеса припадає 45-60% маси, на задні – 55-40%. Перші числа відносяться до автомобілів із заднім розташуванням двигуна, другі - до передньомоторних. З повним навантаженням ставлення змінюється на приблизно протилежне (у «Запорожця», щоправда, трохи). У вантажівок маса в ходовому стані розподіляється між колесами майже порівну, повна ж маса - відносно близько 1:2, тобто задні колеса навантажені вдвічі більше за передні. Тому на них встановлюються подвійні скати.
Віз джерела енергії, як і без водія, наш «Москвич» чи ЗІЛ не міг би рухатися. Тільки на спусках або після розгону автомобіль може пройти відомий відрізок без допомоги двигуна, витрачаючи накопичену енергію. Більшість автомобілів джерелом енергії служить двигун внутрішнього згоряння (ДВС). Стосовно теорії автомобіля водієві про нього необхідно знати порівняно небагато, а саме - що він дає для руху. Це з'ясуємо, розглянувши швидкісні характеристики. Крім того, треба уявляти собі, в якій кількості двигун витрачає паливо, тобто знати його економічну або паливну характеристику.
Зовнішня швидкісна характеристика(ВСХ) двигуна показує зміну потужності (Ne - в л.с. і кВт) і крутного (крутного) моменту (Ме - в кГм), що розвиваються при різних числах оборотів валу і при повному відкритті дросельної заслінки. У нижній частині графіка - економічна характеристика: залежність питомої витрати палива (g - в Г/л. с.-год.) від кількості обертів на хвилину.
Швидкісні характеристики - це графіки зміни потужності і крутного моменту, що розвиваються двигуном, в залежності від числа оборотів його валу (швидкості обертання) при повному або частковому відкритті дросельної заслінки (тут йдеться про карбюраторний двигун). Нагадаємо, що момент характеризує зусилля, яке може «надати» двигун автомобілю та водієві для подолання тих чи інших опорів, а потужність – це відношення зусилля (роботи) до часу. Найважливіша швидкісна характеристика, знята, як то кажуть, «на повному дроселі». Її називають зовнішньою. У ній істотні найвищі точки кривих, що відповідають максимальним потужності і крутному моменту, які зазвичай і записують в технічні характеристики автомобілів і двигунів. Наприклад, для двигуна ВАЗ-2101 "Жигулі" - 62 л. с. (47 кВт) при 5600 об/хв та 8,9 кгм при 3400 об/хв.
Часткова швидкісна характеристика двигуна показує зміну потужності, що розвивається при різному відкритті дросельної заслінки карбюратора.
Як бачимо, число оборотів при найбільшій кількості «кГм» значно менше від кількості оборотів, що відповідають максимуму «л. с». Це означає, що якщо дросельна заслінка карбюратора повністю відкрита, то момент, що обертає, при порівняно невеликих потужності двигуна і швидкості руху автомобіля буде найбільшим, а при зменшенні або збільшенні числа оборотів величина моменту знизиться. Що в цьому становищі важливе для автомобіліста? Важливо, що пропорційно до моменту змінюється і тягове зусилля на колесах автомобіля. При їзді з дроселем, повністю відкритим (див. графік), завжди можна збільшити потужність і момент, сильніше натиснувши на педаль акселератора.
Тут, забігаючи вперед, доречно підкреслити, що потужність, передана до провідних колес, не може виявитися більшою за ту, що отримана від двигуна, які б пристрої не були застосовані в системі трансмісії. Інша справа - крутний момент, який можна змінювати, вводячи в трансмісію пари шестерень з відповідними передатними числами.
Економічні характеристики двигуна при різному відкритті дросельної заслінки.
Економічна характеристика двигуна відображає питому витрату палива, тобто його витрата в грамах на одну кінську силу (або один кіловат) на годину. Ця характеристика, як і швидкісна, може бути побудована для роботи двигуна при повному або частковому навантаженні. Особливість двигуна така, що при зменшенні відкриття дроселя доводиться витрачати більше палива отримання кожної одиниці потужності.
Опис характеристик двигуна наведено тут дещо спрощено, але достатньо для практичної оцінки динамічних та економічних показників автомобіля.
Втрати працювати механізмів трансмісії. Тут Ne і Me - потужність і крутний момент двигуна, NK і Мк - потужність і крутний момент, підведені до провідних колес .
Не вся енергія, яка отримується від двигуна, використовується безпосередньо для руху автомобіля. Є ще й «накладна витрата» – на роботу механізмів трансмісії. Чим менший цей витрата, тим вище коефіцієнт корисної дії (ККД) трансмісії, що позначається грецькою літерою η (ця). ККД - це відношення потужності, переданої на провідні колеса, до потужності двигуна, виміряної на його маховику та записаної в технічну характеристику цієї моделі.
Механізми не тільки передають енергію від двигуна, а й самі частково витрачають її - на тертя (пробуксування) дисків зчеплення, тертя зубів шестерень, а також у підшипниках та карданних зчленуваннях і на збовтування олії (у картерах коробки передач, провідного мосту). Від тертя та збовтування олії механічна енергія перетворюється на теплову та розсіюється. Ця «накладна витрата» непостійна - вона збільшується, коли в роботу включається додаткова пара шестерень, коли карданні шарніри працюють під великим кутом, коли олія дуже в'язка (у холодну погоду), коли на повороті активно працюють шестерні диференціала (при русі по прямій їх робота) невелика).
ККД трансмісії дорівнює приблизно:
- для легкових автомобілів 0,91-0,97,
для вантажних – 0,85 0,89.
При русі повороті ці величини погіршуються, тобто знижуються, на 1-2%. при їзді дуже нерівною дорогою (робота карданів) - ще на 1-2%. в холодну погоду - ще на 1-2%, під час руху на нижчих передачах - ще приблизно на 2%. Отже, якщо всі ці умови руху настають одночасно, «накладна витрата» збільшується майже вдвічі, і значення ККД може знизитись у легкового автомобіля до 0,83-0,88, у вантажного – до 0,77-0,84.
Схема основних розмірів колеса та шини.
Перелік того, що дано у розпорядження водія для виконання певної транспортної роботи, завершують колеса. Від характеристики колеса залежить всі якості автомобіля: динамічність, економіка, плавність ходу, стійкість, безпека руху. Говорячи про колесо, ми маємо на увазі насамперед його головний елемент – шину.
Основне навантаження від маси автомобіля сприймає повітря, що знаходиться в камері шини. На одиницю кількості повітря має припадати певна, завжди однакова кількість кілограмів навантаження. Іншими словами, відношення навантаження, що припадає на колесо, до кількості стисненого повітря в камері шини має бути постійним. На основі цього положення і з урахуванням жорсткості шини, дії відцентрової сили при обертанні колеса і т. д. знайдено зразкову залежність між розмірами шини, внутрішнім тиском р в ній і допустимим навантаженням, що припадає на шину G k -
де Ш – коефіцієнт питомої вантажопідйомності шини.
Для радіальних шин коефіцієнт Ш дорівнює – 4,25; для вантажних більшого розміру – 4. Для шин з метричними позначеннями величина Ш становить відповідно 0,00775; 0,007; 0,0065 та 0,006. Розміри шин вписують у рівняння такими, як вони фіксовані у ГОСТах на шини – у дюймах чи міліметрах.
Слід звернути увагу, що розмір діаметра обода входить у наше рівняння у першому ступені, а розмір (діаметр) перерізу профілю - у третій, тобто у кубі. Звідси висновок: вирішальне значення для вантажопідйомності шини має переріз профілю, а чи не діаметр обода. Підтвердженням може бути і таке спостереження: записані в ГОСТі величини допустимого навантаження на шину майже пропорційні квадрату розміру перерізу.
З розмірів шини нас особливо цікавитиме радіус r до кочення колеса, причому так званий динамічний, тобто заміряний при русі автомобіля, коли цей радіус збільшується, порівняно зі статичним радіусом колеса з шиною, від її нагрівання і від дії відцентрової сили. Для подальших розрахунків можна прийняти r до рівних половини діаметра шини, наведеного в ГОСТі.
Підведемо підсумок. Водієві дані: автомобіль з певною масою, яка розподіляється на передні та задні колеса; двигун з відомою характеристикою потужності, крутного моменту та оборотів; трансмісія з відомими коефіцієнтом корисної дії та передатними числами; нарешті, колеса з шинами певних розмірів, вантажопідйомності та внутрішнього тиску.
Завдання водія - в тому, щоб використати все це багатство якнайвигідніше: досягти мети поїздки швидше, безпечніше, з найменшими витратами, з найбільшими зручностями для пасажирів та збереженням вантажу.
Рівномірний рух
Навряд чи водій на ходу проводитиме розрахунки, почерпнуті з цих простих формул. Для розрахунків не вистачить часу, але вони тільки відвернуть увагу від керування машиною. Ні, він діятиме на основі свого досвіду та знань. Але все ж таки краще, якщо до них додасться хоча б загальне розуміння фізичних законів, яким підпорядковуються процеси роботи автомобіля.
Сили, що діють на колесо:
G k – вертикальне навантаження;
М k - крутний момент, прикладений до колеса;
Р k – тягове зусилля;
R - вертикальна реакція;
R г – горизонтальна реакція.
Візьмемо самий, здавалося б, простий процес - рівномірний рух прямою і рівною дорогою. Тут на провідне колесо діють: крутний момент М k , переданий від двигуна і створює тягову силу Р k ; рівна останньої горизонтальна реакція R k , що діє у зворотному напрямку, тобто по ходу автомобіля; сила тяжіння (маса), що відповідає навантаженню G k на колесо, і рівна їй вертикальна реакція R ст.
Тягову силу Р k можна обчислити, розділивши момент, що обертає, підведений до провідних колес, на їх радіус кочення. Нагадаємо, що поступаючий від двигуна до колес обертальний момент коробка і головна передача збільшують у кілька разів відповідно своїм передавальним числам. А оскільки в трансмісії неминучі втрати, то величину цього моменту, що збільшився, треба помножити на коефіцієнт корисної дії трансмісії.
Значення коефіцієнта зчеплення (φ) Для асфальтового покриття при різному стані.
Кожної окремо взятої миті найближчі до дороги точки в зоні контакту колеса з дорогою нерухомі щодо неї. Якби вони переміщалися щодо поверхні дороги, то колесо буксувало б, а автомобіль не рухався. Щоб точки контакту колеса з дорогою були нерухомими (нагадаємо - у кожну окрему мить!), Потрібне хороше зчеплення шини з поверхнею дороги, що оцінюється коефіцієнтом зчеплення φ («фі»). На мокрій дорозі зі збільшенням швидкості зчеплення різко зменшується, так як шина не встигає видавлювати воду, що знаходиться в області контакту її з дорогою, і плівка вологи, що залишається, полегшує ковзання шини.
Але повернемося до тягової сили Р k. Вона є впливом провідних коліс на дорогу, потім дорога відповідає рівної за величиною і протилежної за напрямом силою реакції R r . Міцність контакту (тобто зчеплення) колеса з дорогою, а значить, і величина реакції R r пропорційна (шкільний курс фізики) силі G k (а це частина маси машини, що припадає на колесо), що притискає колесо «дорозі. І тоді максимально можливе значення R r дорівнюватиме добутку φ і частини маси автомобіля, що припадає на провідне колесо (тобто G k). φ - коефіцієнт зчеплення, знайомство з яким відбулося щойно.
І тепер ми можемо зробити нескладний висновок: якщо тягова сила Р k буде меншою за реакцію R r або, в крайньому випадку, дорівнює їй, то колесо буксувати не стане. Якщо ж ця сила виявиться більшою за реакцію, то настане пробуксовка.
На перший погляд здається, що коефіцієнт зчеплення та коефіцієнт тертя – поняття рівнозначні. Для доріг із твердим покриттям такий висновок досить близький до дійсності. На м'якому ґрунті (глина, пісок, сніг) картина інша, і буксування настає не від нестачі тертя, а від руйнування колесом шару грунту, що знаходиться з ним в контакті.
Повернемося, однак, на твердий ґрунт. Коли колесо котиться дорогою, воно відчуває опір руху. За рахунок чого?
Справа в тому, що шина деформується. При перекочуванні колеса до точки контакту постійно підходять стислі елементи шини, а відходять - розтягнуті. Взаємне переміщення частинок гуми викликає тертя з-поміж них. Деформація шиною ґрунту теж потребує витрат енергії.
Практика показує, що опір коченню має зростати зі зниженням тиску в шині (збільшуються її деформації), зі збільшенням окружної швидкості шини (її розтягують відцентрові сили), а також на нерівній або шорсткій поверхні дороги та за наявності великих виступів та заглиблень протектора.
Це на твердій дорозі. А м'яку чи не дуже тверду, навіть розм'якшений від спеки асфальт, шина проминає, і на це теж витрачається частина тягової сили.
Коефіцієнт опору коченню на асфальті збільшується зі зростанням швидкості і зниженням тиску в шинах .
Опір кочення колеса оцінюють коефіцієнтом f. Його величина зростає із підвищенням швидкості руху, зниженням тиску в шинах та зі збільшенням нерівності дороги. Так, на камені або гравійному шосе для подолання опору коченню потрібна в півтора рази більша сила, ніж на асфальті, а на путівці - вдвічі, на піску - в десять разів більша!
Силу P f опору коченню автомобіля (на певній швидкості) підраховують дещо спрощено, як добуток повної маси автомобіля та коефіцієнта f опору коченню.
Може здатися, що сили зчеплення Р і опору коченню Р f тотожні. Далі читач переконається, що з-поміж них є відмінності.
Щоб автомобіль рухався, тягова сила повинна бути, з одного боку, менше сили зчеплення коліс із ґрунтом або, в крайньому випадку, дорівнює їй, а з іншого - більше сили опору руху (яка при їзді з невисокою швидкістю, коли опір повітря незначний, можна вважати рівною силі опору коченню) або дорівнює їй.
Залежно від швидкості обертання валу двигуна та відкриття дросельної заслінки обертовий момент двигуна змінюється. Майже завжди можна знайти таке поєднання значень моменту, що обертає двигуна (відповідним натиском на акселератор) і вибору передач в коробці, щоб постійно бути в рамках щойно названих умов руху автомобіля.
Для помірно швидкого руху асфальтом (як випливає з таблиці) необхідна значно менша тягова сила, ніж та, яку автомобілі здатні розвинути навіть на вищій передачі. Тому їхати потрібно з напівприкритою дросельною заслінкою. У цих умовах машини, як кажуть, мають великий запас тяги. Цей запас необхідний розгону, обгону, подолання підйомів.
На асфальті, якщо він сухий, сила зчеплення, за рідкісним винятком, більша за тягову силу на будь-якій передачі в трансмісії. Якщо ж він мокрий або зледенілий, то рух на знижених передачах (і торкання з місця) без буксування можливий тільки при неповному відкритті заслінки дросельної, тобто з порівняно невеликим моментом двигуна.
Графік потужності балансу. Точки перетину кривих відповідають найбільшим швидкостям на рівній дорозі (праворуч) і підйомі (ліва точка) .
Кожен водій, конструктор хоче знати можливості даного автомобіля. Найточніші відомості дають, звичайно, ретельні випробування у різних умовах. При знанні законів руху автомобіля точні відповіді можна отримати і розрахунковим шляхом. Для цього потрібно мати: зовнішню характеристику двигуна, дані про передавальні числа в трансмісії, масу автомобіля та її розподіл, лобову площу і, приблизно, про форму автомобіля, розміри шин і внутрішній тиск в них. Знаючи ці параметри, ми зможемо визначити статті витрати потужності та побудувати графік так званого балансу потужності.
По-перше, наносимо шкалу швидкості руху, поєднуючи відповідні значення числа обертів n e валу двигуна та швидкості V a , для чого користуємося спеціальною формулою.
По-друге, віднімаючи графічно (відміряючи вниз по вертикалі відповідні відрізки) з кривої зовнішньої характеристики втрати потужності (0,lN e), отримаємо іншу криву, що показує потужність N k підводиться до колес (ККД трансмісії ми прийняли рівним 0,9).
Тепер можна збудувати криві витрати потужності. Відкладемо від горизонтальної осі графіка відрізки, що відповідають витраті потужності N f на опір коченню. Підраховуємо їх за рівнянням:
Через отримані точки проводимо криву N f. Відкладаємо нагору від неї відрізки, що відповідають витраті потужності N w на опір повітря. Їхню величину підраховуємо, у свою чергу, за таким рівнянням:
де F - лобова площа автомобіля в m 2 К - коефіцієнт опору повітря.
Зазначимо, що багаж на даху збільшує опір повітря у 2 – 2,5 рази, причіпна дача – у 4 рази.
Відрізки між кривими N w і N k характеризують так звану надмірну потужність, запас якої може бути використаний подолання інших опорів. Крапка перетину цих кривих (крайня справа) відповідає найбільшій швидкості, яку здатний розвинути автомобіль на горизонтальній дорозі.
Змінюючи коефіцієнти чи масштаби шкал швидкості (залежно від передавальних чисел), можна побудувати графіки балансу потужності для руху дорогами з різними покриттями і різних передачах.
Далі, якщо відкладемо вгору від кривої N w відрізки, відповідні, наприклад, потужності, яку потрібно витратити на подолання певного підйому, отримаємо нову криву і нову точку перетину. Ця точка відповідає найбільшій швидкості, з якою без розгону може бути взятий цей підйом.
На підйомі зростає навантаження, що припадає на колеса. Пунктиром показана (в масштабі) її величина при горизонтальній дорозі, чорними стрілками - при русі на підйом:
α - кут підйому;
Н – висота підйому;
S – довжина підйому.
Тут слід враховувати, що у підйомах до сил, протидіючим руху автомобіля, додається сила його тяжкості. Щоб автомобіль міг рухатися на підйом, кут якого позначимо буквою α («альфа»), тягова сила повинна бути не менше сил опору коченню та підйому разом узятих.
Автомобілю "Жигулі", наприклад, на рівному асфальті доводиться долати опір коченню приблизно 25 кгс, ГАЗ-53А - близько 85 кгс. Отже, їм для подолання підйому на вищій передачі зі швидкістю відповідно 88 або 56 км/год (тобто за найбільшого моменту двигуна), з урахуванням сил опору повітря близько 35 і 70 кгс, залишається сила тяги близько 70 і 235 кгс. Розділимо ці значення на величини повної маси автомобілів і отримаємо ухили 5 – 5,5 та 3 – 3,5%. На третій передачі (тут швидкість менша, і опором повітря можна знехтувати) найбільший кут подоланого підйому складе близько 12 і 7%, на другій - 20 і 15%, на першій - 33 і 33%.
Підрахуйте якось і запам'ятайте значення підйомів, посильних вашому автомобілю! До речі, якщо він забезпечений тахометром, то запам'ятайте також кількість обертів, що відповідає найбільшому моменту – воно записано в технічній характеристиці автомобіля.
Сили зчеплення коліс з дорогою на підйомі та на рівній дорозі різні. На підйомі відбувається розвантаження передніх коліс та додаткове навантаження задніх. Сила зчеплення задніх провідних коліс збільшується, і їхнє буксування стає менш ймовірним. У машин з передніми провідними колесами сила зчеплення при русі на підйом зменшується, і ймовірність їхнього буксування вище.
Перед підйомом вигідно дати автомобілю розгін, накопичити енергію, яка дасть можливість взяти підйом без суттєвого зниження швидкості і, можливо, також без переходу на нижчу передачу.
Вплив передавального числа головної передачі на швидкість та запас потужності
Слід підкреслити, що на динаміку автомобіля дуже впливають і передавальні числа трансмісії, і кількість передач в коробці. З графіка, у якому відкладено криві потужності двигуна (відповідно зміщені залежно від різних передавальних чисел головної передачі) і крива опорів, видно, що із зміною передавального числа найбільша швидкість змінюється лише незначно, зате запас потужності з його збільшенням різко зростає. Це, звичайно, не означає, що передатне число можна підвищувати до безкінечності. Надмірне його збільшення веде до помітного зниження швидкості автомобіля, (штрихова лінія), зносу двигуна та трансмісії, перевитрати палива.
Існують точніші, ніж описані нами, методи розрахунку (динамічна характеристика, запропонована академіком Є. А. Чудаковим, та інші), але користування ними - справа досить складна. Разом з тим є й зовсім прості приблизні методи розрахунку.
Фізичні процеси у плямі контакту провідного тракторного та автомобільного колеса з дорогою однакові. Однак, на відміну від автомобіля, трактор – це тягова машина. Тракторне колесо навантажене більшим провідним моментом, ніж автомобільне, і працює на с/г фонах, що істотно відрізняються від дорожніх умов. Тому процес буксування тракторного колеса – норма, а чи не виняток.
За час повороту колеса на кут βк за відсутності деформацій зминання та зсуву ґрунту шлях, пройдений колесом, повинен дорівнювати відстані LП між ґрунтозачепами. Однак внаслідок деформації ґрунту реальний шлях SП менший за теоретичний на ΔSmax. Вісь колеса поряд з рухом вперед як би переміститься назад (у бік, протилежний своєму руху) на величину, рівну деформації зсуву ґрунту ΔSmax під останнім ґрунтозачепом. У цьому полягає фізична суть буксування: Δ=(Ln–Sn)/Ln=ΔSmax/Ln. δ=(vт - vк)/vт або vк=vт(1–δ), де vт, vк– теоретична та дійсна швидкості поступального руху колеса. ККД буксування ηδ: ηδ = vк/vт; δ= (vт-vк)/vт = 1-ηδ.
Теоретично буксування виникає з початком руху трактора, коли з'являється на колесі провідний момент і дотична сила тяги Pк. Експериментальне визначення буксування рушіїв трактора полягає в тому, щоб на мірній ділянці поля зіставити сумарну кількість обертів провідних коліс при русі трактора на холостому ході nк.х і під навантаженням nк. Навантаження на гаку слід задавати ступінчасто від мінімального значення до значення, у якому відбувається інтенсивне буксування коліс. Так як шлях у всіх випадках однаковий, то буксування можна знайти із співвідношення сумарних чисел оборотів провідних коліс при русі трактора без навантаження і з навантаженням на гаку, тобто δ = (1 - nк.х / nк) 100%. Число оборотів провідних коліс вимірюють у процесі тягових випробувань, що регламентуються ГОСТ 7057-81. Так як шлях, пройдений у кожному досвіді, може бути різний, то формула для визначення буксування має вигляд δ = 100%, де n?к.х, n? без навантаження по дорозі Sк.х; nk, nk – сумарна кількість обертів відповідно лівого і правого провідних коліс на шляху Sк при русі трактора під навантаженням. Слід зазначити, що цей метод визначення буксування, що повсюдно використовується як стандартне, некоректний. У ньому прийнято такі припущення: під час руху без навантаження буксування провідних коліс відсутнє; радіус провідних коліс не залежить від навантаження на гаку трактора та інших умов випробування. Однак похибка прийнятих припущень мала, тому при експлуатаційній оцінці трактора нею нехтують.
