Условия возможного движения автомобиля

Уравнение движения автомобиля. 1 условие – возможность движения

1 условие – возможность движения

Необходимо, чтобы касательная реакция на ведущих колесах была больше или равна сумме касательных реакций на ведомых колесах и проекций внешних сил на плоскость дороги (включая силы инерции): R_x2 ≥ R_x1 + ΣF_внеш.

Касательная реакция на ведущих колесах не должна превышать своего предела по сцеплению: R_x2 ≤ R_z2 ∙ φ_x

Введем понятие условной силы тяги F_т

F_к и F_в – при движении авто существуют всегда; F_п и F_и – могут отсутствовать.

; F_k = f_к G_a cos α; F_п= G_a sin α

Объединим F_k+F_п в силе сопротивления дороги

Ψ = f cos α+ sin α – коэффициент дорожного сопротивления.

Уравнение движения автомобиля примет вид:

.

Тяговую характеристику автомобиля можно проиллюстрировать графически набором кривых зависимости условной силы тяги от скорости движения автомобиля. Очевидно, что характер этих зависимостей определяется передаточным числом трансмиссии

Дата добавления: 2016-03-15 ; просмотров: 922 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник статьи: http://helpiks.org/7-43434.html

Устройство автомобилей

Уравнение движения автомобиля

Силовой баланс при прямолинейном движении автомобиля

В предыдущей статье рассмотрены все силы, действующие на автомобиль во время его прямолинейного движения – сила тяги Р_т , сила тяжести G , сила сопротивления воздуха Р_ω , касательные R_x и нормальные R_y составляющие реакции дороги, силы инерции P_j , силы сопротивления подъему P_α , силы сопротивления качению колес P_f , и (в случае движения автопоезда) сила Р_пр на буксирном крюке.
Эти силы можно разделить на две группы – силы, обеспечивающие движение автомобиля, и силы сопротивления, препятствующие этому движению. В общем случае лишь одна сила обеспечивает его движение – сила тяги Р_т , приложенная к ведущим колесам. В частных случаях реально помогать движению автомобиля могут еще три силы – сила тяжести (при движении под уклон), сила инерции и сила попутного ветра. Тем не менее, эти силы при составлении динамического баланса тоже следует отнести к силам сопротивления движению автомобиля, учитывая лишь их векторное значение для каждого конкретного случая..

Спроектировав все силы на плоскость опорной поверхности автомобиля, получим уравнение динамики прямолинейного движения:

Очевидно, что движение возможно лишь в том случае, если сила тяги Р_т будет больше суммы сил P_ψ , P_j , P_ω , препятствующих движению. При этом движение возможно до тех пор, пока не начнется пробуксовка ведущих колес, т. е. сила тяги на ведущих колесах не превысит значение, при котором не будет иметь место сцепление шин с поверхностью дороги.

Сила тяги по сцеплению

Сила тяги образуется касательными реакциями дороги. Эти реакции представляют собой силы трения и силы зацепления, при этом силы зацепления возникают на деформируемых грунтах. Сила тяги ведущего колеса, которую можно реализовать для движения автомобиля на данном дорожном покрытии или грунте, имеет предел, зависящий от сцепных свойств шины.

Предельные значения силы тяги, которые можно реализовать по сцепным свойствам дороги, называют силой тяги по сцеплению P_φ . Основными факторами, влияющими на силу тяги по сцеплению, являются:

• нагрузка на ведущие колеса (сцепная нагрузка) и ее распределение по колесам;
• качество и состояние дорожного покрытия (грунта);
• удельное давление шин на дорогу;
• тип силовой передачи;
• состояние протектора шин.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов на силу тяги по сцеплению.

Сцепная нагрузка

При увеличении нагрузки на колесо увеличивается сила трения и сила зацепления. Сила тяги по сцеплению прямо пропорциональна сцепной нагрузке G_φ или нормальным реакциям на ведущих колесах:

где φ_x – коэффициент продольного сцепления колеса с опорной поверхностью.

А поскольку сила тяги определяется максимальным значением касательной реакции дороги, которая пропорциональна R_z , то можно записать:

где R_{x max} – максимально возможная продольная реакция по сцеплению.

Коэффициент φ_x определяется экспериментальным путем чаще всего при скольжении колеса в тормозном режиме, т. е. при протаскивании полностью заторможенного колеса:

Дорожное покрытие

Качество и состояние дорожного покрытия являются решающими факторами, влияющими на коэффициент сцепления φ_x . При движении автомобиля по дороге с твердым покрытием коэффициент продольного сцепления колеса с опорной поверхностью зависит от шероховатости и влажности дороги, наличия пыли и грязи. При этом даже тонкий слой воды на дорожном покрытии может не только существенно снизить φ_x , но и создавать подъемную силу, еще больше снижая сцепление шины с дорогой. Такой же и даже более выраженный эффект может создавать жидкая грязь на дороге.
Следует учитывать, что подъемная сила, возникающая при движении по мокрым и грязным дорогам, пропорциональная квадрату скорости движения автомобиля, и при большой скорости может вызвать аквапланирование, когда полностью прерывается контакт между шинами и дорогой.

Удельное давление на дорогу

Удельное давление шины на дорогу определяется площадью опорной поверхности шины и весом автомобиля, приходящимся на данное колесо. Регулировать удельное давление шины на дорогу можно изменением давления в шине – при снижении давления увеличивается площадь опорной поверхности и удельное давление снижается, и наоборот – при увеличении давления воздуха в шине уменьшается площадь опорной поверхности, что приводит к увеличению удельного давления колеса на дорогу.

Очевидно, что увеличение опорной поверхности шины с дорогой приводит к увеличению силы сцепления, особенно, на грунтовых дорогах, поскольку в зацеплении участвует большее количество грунтозацепов протектора покрышки.

При движении по влажным дорожным покрытиям повышенное удельное давление (давление в шинах) может благотворно сказаться на сцеплении шин с дорогой из-за выдавливания влаги из-под колес.

Удельное давление, оказываемое колесом на опорную поверхность, в некоторой степени зависит и от размеров шины – от ее диаметра и ширины. При увеличении диаметра колеса сегмент дуги, по которой осуществляется контакт шины с дорогой, имеет бȯльшую длину, чем опорный сегмент маленького колеса. Широкая шина создает колесу опору большей площади, чем узкая.

Влияние на сцепные свойства типа трансмиссии

Многочисленные опыты показали, что применение бесступенчатых трансмиссий обеспечивает повышение силы тяги по сцеплению. Главную роль здесь играет возможность плавного изменения величины тяговых моментов на ведущих колесах, без рывков и резких толчков.
В трансмиссиях, оснащенных ступенчатыми коробками передач, потеря сцепления колес с опорной поверхностью чаще всего имеет место во время переключения передач, сопровождающихся резким изменением величины крутящего момента на колесах.

Влияние конструкции шин

Важную роль в повышении сцепления колеса с дорогой играют рисунок протектора, а для шин повышенной проходимости размеры (особенно, высота) грунтозацепов протектора. Протектор шин легковых автомобилей обычной проходимости, как правило, имеет мелкий рисунок, обеспечивающий хорошее сцепление с твердым покрытием.
Наименьший коэффициент сцепления при прочих равных условиях у шин с изношенным рисунком протектора. Поэтому использование автомобилей с такими шинами запрещено.

Недостаточная величина коэффициента сцепления является причиной многих дорожно-транспортных происшествий. Для обеспечения безопасности дорожного движения его величина не должна быть меньше 0,4.

На дорогах с низкими сцепными свойствами коэффициент сцепления φx снижается до 0,2 и становится соизмеримым с коэффициентом сопротивления качению f . Это означает,что движение может оказаться невозможным из-за отсутствия запаса силы тяги по сцеплению. Следовательно, условие качения колес без скольжения можно представить в виде

Если сила тяги Р_т меньше силы сцепления Р_φ , ведущие колеса катятся без буксования. Если сила тяги превысит силу сцепления колес с дорогой, ведущие колеса будут пробуксовывать, а для движения использоваться лишь часть силы тяги, равная φR_z . Остальная часть силы тяги вызывает ускоренное вращение буксующих колес. Буксование колес связано со значительными потерями энергии на трение шин о дорогу и разрушение опорной поверхности.

Не менее вредное влияние на сцепную тягу автомобиля и его устойчивость на дороге оказывает скольжение заторможенных колес по твердому дорожному покрытию (блокировка колес). В этом случае изношенные частицы шины, попадая на опорную поверхность колеса и дороги, вызывают эффект «смазки», существенно снижая сцепные свойства шины. Это явление явилось причиной появления тормозных систем с антиблокировочными устройствами (АБС).

Условия возможности движения автомобиля

Согласно уравнению силового баланса (1) равномерное безостановочное движение автомобиля возможно лишь при условии

Выполнение этого условия для безостановочного движения автомобиля необходимо, но недостаточно, поскольку оно возможно лишь при отсутствии буксования ведущих колес.

Учитывая формулу (2) условие безостановочного движения можно выразить так:

Если суммарная сила сопротивления движению больше силы тяги, то двигатель автомобиля заглохнет. Если сила тяги превысит силу сцепления, ведущие колеса начнут пробуксовывать.

Формула (4) справедлива для полноприводных автомобилей, где вертикальная реакция R_z на ведущих колесах равна весу автомобиля. Для переднеприводных автомобилей вместо R_z следует подставить R_z1 , для заднеприводных – R_z2 .

Мощностной баланс автомобиля

Иногда вместо силового баланса, характеризуя возможность движения автомобиля, пользуются мощностным балансом. Мощность силы определяется ее модульной величиной и скоростью v движения тела под действием этой силы. Если умножить все члены уравнения силового баланса (1) на v /1000, получим уравнение мощностного баланса:

где N_т – тяговая мощность:

N_т = Р_тv/ 1000 = М_кi_трη_трv/ 1000 r = N_еη_тр
(здесь N_е – эффективная мощность двигателя, η_тр – КПД трансмиссии, i_тр – передаточное число трансмиссии);

N_α – мощность, затрачиваемая на преодоление подъема:

N_f – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению:

N_ω — мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха:

N_j – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления разгону:

N_ψ – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления дороги:

Уравнение мощностного баланса устанавливает соотношения между мощностью, подводимой к ведущим колесам автомобиля и мощностью, необходимой для преодоления сопротивления движению автомобиля.

Используя уравнение мощностного баланса строят графики мощностного баланса для движения автомобиля на каждой из передач. Такие графики удобно использовать при сравнительной оценке тяговых свойств автомобиля графическими методами.

Источник статьи: http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.01/7_teoria_avto_5/index.shtml

Условие возможности движения автомобиля

Известно, что для обеспечения движения тяговое усилие должно быть большим, чем суммарное сопротивление движению автомобиля.

Горизонтальная сила Рк (тяговое усилие), возникающая вследствие действия на колесо вращательного момента Мвр в зоне его контакта с покрытием, направлена в сторону, обратную движению (см. рис.5.1).

Сила Рк вызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения (сцепления) колеса с покрытием в зоне их взаимодействия, при этом Т=Рк.

Рис.5.1. Условие возможного движения автомобиля

Но колесу приходится преодолевать еще сопротивление качению. Сила сопротивления качению Pf определяется по известной зависимости: ,

, (5.1)

где Gk — усилие, передаваемое на ведущее колесо, Gk = (0,65: 0,7) G — для грузовых автомобилей и (0,5:0,55) G — для легковых, где G — вес автомобиля; — коэффициент сопротивления качению.

, (5.2)

где а — расстояние от вертикальной оси колеса до места расположения реакции R от веса Gк, передаваемого на колесо; — радиус качения пневматического колеса; = λ * r, где r — радиус недеформированного колеса, λ — коэффициент уменьшения радиуса колеса в зависимости от жестокости шин (λ = 0,93 — 0,96).

Установлено, что практически значение остается постоянным до скорости V= 50 км/час и находится в зависимости от типа покрытия в пределах = (0,01-0,06). При увеличении скорости возрастает, т.к. при наезде колеса на неровности кинетическая энергия, прямо пропорциональная V², затрачивается в значительно большей стпени на преодоление этих препятствий.

При V>50 км/час f определяется по зависимости

V- ,

где — коэффициент сопротивления качению при V до 50 км/час.

Используя положения теоретической механики и рис. 5.1, можно записать: Т = Рк –

Т = Рк – Т = Рк – (5.4)

Очевидно, что движение автомобиля возможно при Т >Рк.

Наибольшее значение силы трения, а значит, и тягового усилия, определяется по зависимости Тmах = φ ∙ Gсц, где φ — коэффициент сцепления; Gсц сцепной вес автомобиля, передаваемый на ведущее колесо.

Естественно, сила трения (сцепления) достигает наибольшей величины (при одном и том же сцепном весе, передаваемом на колесо) при максимальном значении коэффициента сцепления φ.

Коэффициент сцепления является переменной величиной и зависит от многих факторов (состояния покрытия проезжей части, режима торможения, наличия боковых сил, давления в шине, рисунка протектора, скорости и пр.). φ изменяется в широких пределах (φ=0,1-0,7) и поэтому его лишь условно можно рассматривать как параметр, однозначно характеризующий покрытие.

Максимально возможное значение φmax ведущих колес с покрытием в данных условиях соответствует моменту, предшествующему началу их буксования, а тормозящих колес — переходу от торможения трения тормозных колодок о барабан к скольжению по покрытию заблокированных колес юзом.

Различают коэффициент продольного сцепления φ1, соответствующий началу проскальзывания или буксования колеса при качении или торможении без боковой силы Yk; и коэффициент поперечного сцепления φ2 – поперечная составляющая коэффициента сцепления , возникающая при смещении катящегося ведущего колеса под углом к плоскости движения под воздействием бокового усилия Yk, когда колесо, вращаясь, скользит вбок.

Коэффициент поперечного сцепления φ2 используется для оценки устойчивости автомобилей против заноса при движении по горизонтальным кривым, когда на автомобиль действует поперечная центробежная сила; φ2≈ (0,85-0,9) φ1.

Коэффициент сцепления является важнейшей характеристикой транспортно-эксплуатационных качеств автомобильной дороги. От φ зависит не только возможность реализации тяговой силы автомобиля, но и устойчивость автомобиля против заноса на кривых, возможность своевременной остановки автомобиля перед препятствием или пешеходом. Недостаточное сцепление шины с колесом с покрытием часто является первопричиной дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Установлено, что повышение коэффициента сцепления в 2 раза позволяет уменьшить число ДТП в 1,5 раза.

На значения коэффициентов сцепления оказывают влияние многие факторы. Установлено, что на значение коэффициента сцепления большее влияние оказывает состояние дорожного покрытия, чем его тип. Это связано

с тем, что в идеальных условиях при любых покрытиях твердые выступы минеральных частиц вдавливаются в шину и поэтому колесо может проскользнуть преимущественно в результате деформации резины протектора.

По мере износа покрытий их шероховатость уменьшается, а следовательно, уменьшается и их сцепление с колесом. Коэффициент сцепления наиболее устойчив у цементобетонных покрытий в сухом состоянии при продолжительности их службы до 10-12 лет, у асфальтобетонных — 5-8 лет. При износе (стирании) покрытий на 50-60% коэффициент сцепления уменьшается на 30-40%. Иначе говоря, с течением времени коэффициент сцепления снижается.

Коэффициент сцепления зависит: от материала, из которого изготовлена шина (наибольший коэффициент сцепления обеспечивают шины, изготовленные из высокогистерезисных резин); типа рисунка протектора шин (на влажном покрытии шины с рисунком протектора, имеющим большую расчлененность, обеспечивают более высокий коэффициент сцепления); степени износа протектора шины (при полном истирании рисунка протектора коэффициент сцепления снижается на 35-45%, а на влажных и грязных покрытиях примерно еще на 20-25%).

Коэффициент сцепления снижается вследствие наличия на покрытии грязи, пыли, продуктов износа шин и т.п., ибо ими заполняются впадины поверхностей покрытия протекторов шин, что уменьшает их шероховатость.

Исследования показали, что коэффициент сцепления уменьшается с увеличением скорости. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях движения шина не успевает полностью деформироваться, так как продолжительность контакта с покрытием для этого недостаточна, а следовательно, неровности покрытия вдавливаются в шину на меньшую глубину. На сухих покрытиях снижение коэффициента сцепления с увеличением скорости менее ощутимо.

Влага, смачивая зону контакта между шиной и покрытием, действует как смазка, разделяющая шероховатые поверхности (покрытия и колеса), снижая коэффициент сцепления. При слое воды на покрытии толщиной в несколько миллиметров и сильном износе шин и скорости, близкой к 100 км/час, может возникнуть явление аквапланирования, когда образующийся между шиной и покрытием водяной клин, создающий гидродинамическую подъемную силу, резко снижает давление колеса на дорогу, вследствие этого контакт передних колес с покрытием может полностью прекратиться с потерей управляемости автомобиля.

При наличии на покрытии грязи и т.д. φ сильно меняется во время дождя. В первый период дождя образуется сравнительно густая пленка грязи, которая играет роль смазки, уменьшающей коэффициент сцепления. Постепенно смазка разжижается, частично смывается дождем и коэффициент сцепления начинает возрастать, тем не менее не достигая значения φ на сухом покрытии.

В целом коэффициент сцепления изменяется в широких пределах в течение года в связи с изменением климатических условий. Естественно, что φ наиболее высок летом и снижается зимой. Поэтому в зимний период проводят различные мероприятия, повышающие коэффициент сцепления (очистка дорожных покрытий от снега, льда, устранение гололеда и скользкости покрытий путем посыпки песком, шлаками, противогололедными смесями и пр.).

Источник статьи: http://zdamsam.ru/a54634.html