Мощностной баланс автомобиля

Распределение мощности двигателя по отдельным видам мощностей, затрачиваемых на преодоление сопротивлений, носит название мощностного баланса и может быть представлено в виде следующего уравнения:

N_е = N_т + N_f + N_w ± N_h ± N_j , или

N_Т = N_е·η_т = v·(Р_f + Р_w ± Р_h ± Р_j),

где η_т, – КПД трансмиссии;

v- скорость движения автомобиля, м/с;

N_Т - мощность, подведенная от двигателя к ведущим колесам автомобиля;

N_тр - мощность, теряемая на трение в агрегатах трансмиссии;

N_f = P_fv - мощ­ность, затраченная на преодоление сил сопротивлению качения колес;

N_h = Р_hv - мощность, затраченная на преодоление сил сопротивления подъему;

N_w = P_wv - мощность, затраченная на преодоление силы со­противления воздуха;

N_j = Р_jv - мощность, затраченная на преодоле­ние силы инерции автомобиля.

Мощность, потерянная в трансмиссии автомобиля, может быть определена как:

N_тр = N_е (1 - η_т).

Потери мощности на самопередвижение автомобиля (мощности сопротивления качению) определяется по формуле:

N_f = Р_f·v = f·G·v ,

где Р_f - сила сопротивления качению;

G - сила тяжести (вес) автомобиля;

f - коэффициент сопротивления качению.

Мощность на преодоление сил сопротивления воздуха:

N_w = Р_w ·v = к_w ·F·v²·v = к_w ·F·v³,

где Р_w - сила сопротивления воздуха;

к_w - коэф­фициент обтекаемости;

F - лобовая площадь автомобиля.

Мощность на преодоление сил сопротивления подъему может быть определена по формуле:

N_h = Р_h·v = G·v·sin α ,

где Р_h - сила сопротивления подъема;

α - угол подъема.

При движении под уклон величина N_h берется со знаком минус.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления разгону (сил инерции), определяют как:

,

где Р_j – сила сопротивления разгону;

δ_вр - коэффициент учета влияния на разгон вращающихся масс двигателя

и автомобиля;

g - ускорение свободного падения;

dv/dt - ускорение автомобиля.

В случае замедленного движения N_j берется со знаком минус.

Порядок построения диаграммы мощностного баланса.

Сначала рассчитывают мощностной баланс для передачи, на которой обеспечивается максимальная скорость v_max автомобиля. Для выбранных ра­нее интервалов по угловой скорости коленчатого вала двигателя и соответствующей ей скоро­сти автомобиля рассчитывают мощностной баланс.

Затем в координатах N-v строят внешнюю скоростную характеристику (рис.4-а).

N, кВт

Частота вращения вала двигателя

а)

N, кВт

Б) в)

Рис.4. Построение графика мощностного баланса автомобиля.

Ниже кривой N_e(v)строят кривую N_Т = N_e - N_тр = N_eη_тр (рис.4-б); затем наносят кривую мощности N_Д (или N_ψ), затрачиваемой на преодоления дорожных сил: N_Д = N_ψ = N_f + N_h (рис.4-в).

Вверх от кривой N_Д откладывают значения мощности сопротивления воздуха N_w (кривая N_Д + N_w) (рис.4-в). Отрезки ординат между кривой N_Д + N_w и осью абсцисс определяют собой суммарную мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивления дороги и воздуха.

Отрезки мощности N_j, заключенные между кривыми N_T и N_Д + N_w, характеризуют запас мощнос­ти, который может быть использован для преодоления повышенного со­противления дороги или разгона автомобиля.

При равномерном движении автомобиля мощность N_T , подведенная от двигателя к ведущим колесам автомобиля, расходуется только на преодоление сопротивления дороги и воздуха.

Если дроссельная заслонка открыта полностью (для дизеля - положение рейки топливного насоса высокого давления соответствует максимальной подачи топлива), то наибольшую скорость V_mаx автомо­биль развивает, когда мощность N_T равна сумме мощностей N_Д и N_w (на рис.4-б точ­ка А). Для равномерного движения автомобиля по той же дороге со ско­ростью, меньшей V_mаx водитель должен уменьшить подачу топлива. Например, для движения со скоростью V₁, топливоподачу нужно уменьшить так, чтобы мощность N_T изменялась по кривой, показанной на рис. 4-б, штриховой линией,

График мощностного баланса для всех передач строят таким же об­разом, только вместо одной пары кривых N_e и N_Т наносят несколько в зависимости от числа передач в коробке (рис.4-в). При изменении пе­редаточного числа коробки передач u_кп изменяется лишь скорость автомобиля; мощность N_e, также мощность N_Т, если не учитывать изменения КПД трансмиссии на различных передачах, остаются без изменений.

На рис.5 приведена диаграмма мощностного баланса автомобиля, которая представляет собой зависимость мощности N_Т на колесах автомобиля для всех передаточных отношений u_кп в коробке передач, мощности сопротивлений качению N_Д (или N_ψ) = N_f (горизонтальный участок дороги: N_h = 0) и воздуха N_w от скорости движения машины v. На этом рисунке в графическом виде представлены данные расчета параметров мощностного баланса легкового автомобиля типа ВАЗ- 2109 (с 5-скоростной коробкой передач: u_кп= 3,636; 1,950; 1,357; 0,941; 0,748) для двух вариантов дорожных условий (сухое асфальтовое покрытие f₀₁ =0,015 и твердая грунтовая дорога f₀₂ = 0,03).

В качестве исходных данных были взяты следующие:

- КПД трансмиссии η_т, = 0,92;

- передаточное число главной передачи u₀ = 3,9;

- кинематический радиус колеса r_к = 0,26 м;

- полный вес автомобиля G = 14500 Н;

- коэффициент аэродинамического сопротивления к_w = 0,25;

- лобовая площадь автомобиля F = 1,9 м².

Величины коэффициента сопротивления качению для различных скоростей движения автомобиля были предварительно подсчитаны по зависимости:

и приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5.

Изменение коэффициента сопротивления качению в зависимости от скорости:

v	км/ч
f1	-	0,015	0,017	0,020	0,023	0,028	0,034	0,042
f2	-	0,030	0,034	0,040	0,046	0,056	0,068	0,084

Скорость автомобиля v на каждой передачи uкп, соответствующая различной частоте вращения вала двигателя n, рассчитывалась по формуле:

; .

Данные расчета приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6.

Соотношение между скоростью автомобиля и частотой вращения двигателя для различных передач коробки передач:

№	n, мин-1	v, км/ч для 1…5 передач КП
		7,59	14,16	20,35	29,34	36,91
		13,81	25,74	36,99	53,35	67,11
		20,71	38,62	55,49	80,02	100,67
		23,47	43,76	62,89	90,69	114,09
		27,61	51,49	73,99	106,70	134,22
		34,52	64,36	92,48	133,37	167,78
		38,66	72,08	103,58	149,37	187,91
uкп	3,636	1,950	1,357	0,941	0,748
u0	3,9	3,9	3,9	3,9	3,9

Мощность N_Т, подведенная от двигателя к ведущим колесам для различных частот вращения вала двигателя (табл.2.7), определена как:

N_Т = N_е·η_т .

Значения N_е для выбранных частот вращения вала двигателя n_е взяты из данных внешней скоростной характеристики двигателя.

Таблица 2.7.

Значения мощности N_Т, подведенной от двигателя к ведущим колесам, для различных частот вращения вала двигателя:

n, мин-1
NТ, кВт	1,37	16,18	29,28	33,51	38,73	44,68	46,50

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления качению, рассчитана по формуле:

N_f = f·G·v ,

где значения коэффициента сопротивления качению f для соответствующих скоростей движения автомобиля берутся из табл. 2.5.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления воздуха, определялась по зависимости:

N_w = к_w ·F·v³.

Замечание. Во всех расчетных зависимостях размерность скорости v приведена в м/с.

Данные расчета приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8.

v	км/ч
Nw + Nf1	кВт	1,5
Nw + Nf2	кВт	1,6

По табличным данным построены графики, обуславливающие в совокупности диаграмму мощностного баланса автомобиля (рис.5).

Рис.5. Диаграмма мощностного баланса автомобиля.

Из диаграммы следует, что максимальная скорость движения автомобиля (v_тах = 155 км/ч) по асфальтированной дороге (f₁ =0,015) достигается на четвертой передачи. По грунтовой дороге (f₁ =0,03) эта скорость снижается до 132 км/ч. Пятая передача используется для повышения топливно-экономических качеств автомобиля (см. раздел «Топливная экономичность автомобиля»).

Правильность проведенного расчета можно проверить по условию, что величина максимального значения скорости должна совпадать с результатом, полученным из графика мощностного баланса автомобиля.

Глава 3.