Скоростная характеристика двигателя определяется зависимостями эффективной мощности Ne и крутящего момента Mк от частоты вращения n коленчатого вала.
Ведущие колеса автомобиля приводят его в движение в результате возникновения силы тяги, которая возникает при приложении крутящего момента к полуосям ведущих колес со стороны трансмиссии:
где Pт – сила тяги, Н;
Mт – крутящий (тяговый) момент на ведущем колесе, Нм;
r – радиус колеса, м.
Крутящий момент на ведущих колесах зависит от величины момента, развиваемого двигателем на коленчатом валу, передаточного числа iтр трансмиссии и ее КПД – ηтр :
Сила тяги Pт на ведущих колесах может быть определена не только по формуле (1), но и с учетом скорости vi движения автомобиля на i -й передаче и развиваемой двигателем эффективной мощности Nе :
Скорость vi движения автомобиля на i -й передаче пропорциональна частоте n вращения коленчатого вала, радиусу r ведущего колеса и обратно пропорциональна передаточному числу iтр i трансмиссии на i -й передаче:
Тягово скоростные свойства
Таким образом, частота вращения n коленчатого вала является определяющим параметром для показателей эффективной мощности Nе , крутящего момента Mк и силы тяги на ведущих колесах Pт .
На рисунке 1 приведена внешняя скоростная характеристика двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке, которая определяет предельные возможности двигателя при значениях частоты вращения коленчатого вала от nmin до nmax .
Анализ графика показывает, что максимальная эффективная мощность и максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, доступен в узком интервале частот вращения коленчатого вала. При небольшой частоте вращения коленчатого вала величина этих динамических показателей недостаточна для появления на ведущих колесах требуемой для движения автомобиля силы тяги, а при превышении частотой вращения коленвала некоторого максимального порога двигатель начинает терять мощность и тяговые показатели, или, как говорят механики, начинает работать «вразнос».
По этой причине эффективная эксплуатация двигателя внутреннего сгорания возможна лишь в некотором узком диапазоне частот вращения коленчатого вала.
Скоростная характеристика двигателя во многом зависит от типа двигателя: чем круче кривая эффективной мощности Nе , тем большей приемистостью обладает двигатель.
Тяговая характеристика автомобиля
Тягово-скоростные свойства автомобиля удобно оценивать с помощью тяговой характеристики, т. е. зависимостью силы тяги на ведущих колесах от скорости движения на различных передачах (рис. 2).
Используя скоростную характеристику и задавая частоты вращения коленчатого вала от nmin до nmax при соответствующих значениях эффективной мощности или крутящего момента для каждой передачи по формуле (4) находят значения скорости v , а по формуле (3) находят значение тяговой силы Pт .
Мощность или крутящий момент? Что важнее на треке, а что в городе? Учимся читать график двигателя.
Число кривых на тяговой характеристике (рис. 2) соответствует числу ступеней в коробке передач.
Тяговая характеристика позволяет быстро определить максимальное значение силы тяги на ведущих колесах, которая может быть обеспечена при данной скорости движения автомобиля, поскольку она рассчитывается по наибольшей для данной частоты вращения коленчатого вала мощности двигателя. Меньшее значение силы тяги получается при недоиспользовании мощности двигателя, т. е. при неполной подаче топлива. Следовательно, с помощью тяговой характеристики можно оценить предельные тяговые возможности автомобиля в фактическом интервале скоростей его движения.
Силы и моменты, действующие на ведущие колеса
На ведущие колеса автомобиля действуют силы со стороны автомобиля (т. е. со стороны двигателя посредством агрегатов трансмиссии), а также силы со стороны дороги. Обозначим силы, действующие со стороны автомобиля, буквой Р , а со стороны дороги – буквой R (рис. 3).
Реактивные силы, действующие на колеса
Тяговый момент Мт на ведущих колесах стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия, в результате чего со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила Rx – горизонтально направленная касательная реакция дороги.
Так как на автомобиле используются эластичные пневматические шины, то неизбежна частичная потеря момента Мт , поэтому продольную (горизонтальную) реакцию со стороны дороги, обеспечивающую качение колеса, можно записать как разность между силой тяги и потерями в шине:
где Рш – сила, учитывающая потери энергии в шинах ведущих колес.
Таким образом, касательная реакция дороги создает силу тяги.
Автомобиль своим весом G действует на каждое колесо, передавая усилие на дорогу, и, соответственно, вызывая нормальную реакцию дороги Rz . Следует учитывать, что при наличии на колесе крутящего момента нормальная реакция Rz прикладывается не к оси симметрии опорной площадки колеса, а на некотором расстоянии αш от нее, поскольку имеет место смещение центра давления из-за эластичности шины.
Эпюра элементарных нормальных реакций дороги, показанная на рисунке 4, объясняет причину смещения точки приложения реакции Rz . Это происходит из-за того, что нормальные реакции на переднем и заднем участках опорной площадки колеса различны по величине, так как силы, возникающие в упругом материале шины при приложении и снятии нагрузки неодинаковы.
Это объясняется действием сил внутреннего трения между взаимно перемещающимися частицами материала шины. При приложении нагрузки эти силы и силы упругости направлены в одну и ту же сторону, а при снятии – в противоположные стороны.
Боковая сила Рy значительно увеличивается при криволинейном движении автомобиля или при движении по косогору. Боковая реакция Ry со стороны дороги удерживает колеса автомобиля от бокового скольжения (заноса) при движении автомобиля поперек косогора или при выполнении маневра.
Сила тяги на ведущих колесах
Сила тяги Рт на ведущих колесах может быть определена, как отношение крутящего (тягового) момента Mт , подводимого к колесам, к их радиусу r :
При этом не учитываются затраты энергии на деформацию дорожного покрытия, трение внутри шины и силы инерции, обусловленные ускорением вращающихся масс колес и деталей трансмиссии в случае неравномерного движения.
Следует учитывать, что радиус колеса вследствие эластичности шины является переменной величиной.
Различают следующие радиусы автомобильных колес:
- статический радиус колеса rст – расстояние от поверхности дороги до оси неподвижного колеса, воспринимающего вертикальную нагрузку, обусловленную силой тяжести, действующей на автомобиль (т. е. его весом G ). Значения статического радиуса приводятся заводом-изготовителем шины в технических характеристиках;
- динамический радиус колеса rд – расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса. Динамический радиус колеса во время движения может превышать его статический радиус, поскольку в результате нагрева шины давление внутри нее увеличивается.
Кроме того, под действием центробежных сил с возрастанием скорости автомобиля шина растягивается в радиальном направлении, вследствие чего динамический радиус увеличивается. Динамический радиус, также, зависит от величины вертикальной нагрузки Pz . - радиус качения колеса rк – радиус условного недеформирующегося катящегося без скольжения колеса, которое имеет с данным эластичным колесом одинаковую угловую и линейную скорости.
Радиус качения колеса определяется по формуле:
где S – путь, пройденный колесом; nк – число оборотов колеса на пути S .
Если проскальзывание колеса относительно дороги отсутствует, что характерно для ведомого колеса, то радиусы rд и rк почти равны между собой. В случае полного буксования колеса его пройденный путь будет равен нулю, и тогда (согласно приведенной выше формуле) его радиус качения тоже будет равен нулю.
В случае движения колеса юзом (скольжение без вращения) число оборотов будет равно нулю, и, соответственно, радиус качения rк будет стремиться к бесконечности.
Различают еще и свободный радиус колеса rсв , который является половиной диаметра ненагруженного колеса при отсутствии его контакта с опорной поверхностью.
На дорогах с сухим покрытием скольжение ведущих колес и изменение радиуса незначительны. Поэтому радиусы статический rст , динамический rд и качения rк при расчетах считаются одинаковыми и обозначаются буквой r .
Источник: k-a-t.ru
ТЯГОВАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАШИНЫ
При изучении темы «Динамика прямолинейного движения» были рассмотрены уравнения прямолинейного движения колесной машины и, в том числе, уравнение тягового баланса (уравнение мощностей) для одиночной машины:
Данное уравнение гласит: сумма всех сил сопротивления разгону
(), в любой момент времени равна силе тяги по двигателю.
Решения уравнения тягового баланса могут быть выражены в виде графика, называемого тяговой характеристикой колесной машины.
Тяговая характеристика машины – это зависимость силы тяги по двигателю от скорости движения машины на всех передачах в коробке передач и раздаточной коробке, т.е.:
Ранее были установлены формулы, по которым определяется величина силы тяги по двигателю и скорость движения машины:
где — мощность двигателя за вычетом потерь на привод дополнительных механизмов;
— скорость движения машины.
где — частота вращения коленчатого вала двигателя, (об/мин) мин -1 ;
— радиус «чистого» качения колеса;
— передаточное отношение трансмиссии на — той передаче в раздаточной коробке.
Порядок определения всех названных выше был рассмотрен ранее.
Свободная сила тяги – это разность силы тяги по двигателю и силы сопротивления воздуха:
Недостатком тяговой характеристики является то, что она не позволяет сравнивать между собой колесные машины, обладающие различной массой и мощностью двигателя, и устанавливать, какие из них по своим тягово – скоростным свойствам являются лучшими.
3.2. Динамическая характеристика колесной машины.
В большинстве случаев определение и анализ тяговых и скоростных свойств колесных машин целесообразно проводить по безмерным параметрам.
Рассмотрим снова уравнение тягового баланса одиночной колесной машины:
линии 1, 2, 3, 4 – кривые зависимости соответственно на 1, 2, 3, 4 передачах в коробке передач;
линии 1 / , 2 / , 3 / , 4 / — кривые зависимости свободной силы тяги, на разных передачах;
—— — линии, соответствующие различным значениям .
Перенесем силу сопротивления воздуха в левую часть уравнения и разделим все его члены на вес машины , а также, учитывая то, что = получим:
После сокращения получим:
где — динамический фактор машины.
Динамический фактор – это отношение свободной силы тяги машины к ее весу.
Динамический фактор – величина безмерная и переменная. Он представляет собой часть удельного тягового усилия, используемого на преодоление сопротивления качению, подъему и на разгон машины.
Наибольшие значения динамический фактор имеет при движении машины на низших передачах в коробке передач и раздаточной коробке, наименьшее на высшей передаче.
Так, для полноприводных колесных машин
= 0,65 + 0,75, а = 0,05 + 0,09.
Динамический фактор автопоезда определяется из следующего выражения:
Рис.5.Динамическая характеристика автомобиля с 5 – ти ступенчатой коробкой передач.
Если пренебречь силой сопротивления воздуха движению прицепа , то проведя преобразования, получим:
где — динамический фактор автопоезда
D — динамический фактор автомобиля;
— вес соответственно автомобиля и прицепа.
Графическое изображение зависимости динамического фактора от скорости движения машины на каждой из передач в коробке передач и раздаточной коробке называется динамической характеристикой машины.
Особым точками динамической характеристики, по которым целесообразно проводить сравнение тягово – скоростных свойств колесных машин, являются:
максимальная скорость и динамический фактор при максимальной скорости ;
максимальное значение динамического фактора на высшей передаче и соответствующая ему скорость (критическая);
максимальное значение динамического фактора на низшей передаче и соответствующая ему скорость .
На каждой передаче динамический фактор имеет максимальное значение при определенной скорости движения, называемой критической для данной передачи.
Движение автомобиля со скоростью, превышающей критическую, является устойчивым (если > ).
Рис.6.График зависимости динамического фактора автомобиля на одной из передач.
Действительно, если при коэффициенте сопротивления машина движется со скоростью , то при некотором повышении сопротивления, например, до значения , скорость машины уменьшится до , а динамический фактор увеличивается до значения.
При уменьшении до значения скорость машины возрастает, динамический фактор уменьшается.
Таким образом, при движении машины со скоростью, большей (критической), автоматически поддерживается устойчивым режим движения.
При движении со скоростью меньшей (критической), например, увеличение до значения будет сопровождаться уменьшением скорости и динамического фактора, что в итоге должно привести к тому, что двигатель остановится, если своевременно не будет включена более низкая передача.
Таким образом, движение машины со скоростями в пределах устойчиво, а со скоростями в пределах неустойчиво.
Важным условием нормальной работы автомобиля является и перекрытие характеристик, т.е. выполнения условия:
где — скорость конца разгона автомобиля на — той передаче в КП;
— скорость начала разгона автомобиля на следующей более высокой передаче
а) неправильно б) правильно
Выполнение условия обеспечивается правильным выбором передаточных чисел в КП.
В случае неправильного выбора передаточных чисел КП (ри.7а) затрудняется переключение передач в КП и последующий разгон автомобиля.
Динамическую характеристику строят для автомобиля с полной нагрузкой. При эксплуатации автомобиля масса, а следовательно, и вес перевозимого груза изменяется, поэтому возникает необходимость установить влияние изменения нагрузки на величину динамического фактора.
Анализ формулы свидетельствует о том, что при уменьшении веса автомобиля (уменьшении веса перевозимого груза) динамический фактор увеличивается.
Так, для снаряженного автомобиля (без груза) динамический фактор может быть найден по формуле:
где — вес снаряженного автомобиля (без груза) с водителем;
— полный вес автомобиля (с грузом).
Динамическая характеристика позволяет решать широкий круг практических задач, связанных с движением автомобиля. Эти вопросы будут рассмотрены в следующей лекции.
Источник: studopedia.su
Тяговая и динамическая характеристики автомобиля
Тяговая и динамическая характеристика представляют собой графики зависимостей и на всех передачах, а также на горизонтальной дороге, которые рассчитываются:
а) сила тяги на колесе
где Рк — сила тяги на колесе, Н;
iТР — передаточное число трансмиссии при наличии коробки передач, дополнительной коробки и главной передачи, ;
зТР — КПД трансмиссии;
Mm — текущее значение крутящего момента, Н•м;
rД — радиус качения колеса (при движении без пробуксовывания), м.
б) скорость движения
где V — скорость движения, км/ч;
nm — текущее значение числа оборотов вала двигателя, об/мин.
в) сила сопротивления дороги
где РШ — сила сопротивления дороги, Н;
Ga — полный вес автомобиля, Н;
Ш — коэффициент сопротивления дороги.
где — табличное значение коэффициента сопротивления дороги;
V — текущая скорость движения, км/ч;
г) сила сопротивления воздуха
где Pw — сила сопротивления воздуха, Н;
V — текущая скорость движения, км/ч;
П — количество прицепов или полуприцепов, П = 0;
— коэффициент, учитывающий влияние прицепа или полуприцепа на сопротивление воздуха; kЗ = 0,4…0,5
kF — фактор обтекаемости, Н•сІ/мІ; kF = 0,6…0,7;
где D — динамический фактор;
Рк — сила тяги на колесе, Н;
— сила сопротивления воздуха, Н;
Ga — полный вес автомобиля, Н.
Угол подъема, который преодолевает автомобиль на каждой передаче при разных значениях равномерной скорости и заданном коэффициенте сопротивления качению определяется по уравнению:
Вычисленные значения внесем в таблицу 2.
Таблица 2. Тяговая и динамическая характеристика автомобиля
Источник: vuzlit.com