Расчет и построение динамической характеристики автомобиля

Изм.

Лист

докум.

Подпись

аДата

Лист

У автомобиля различают динамический фактор по тяге и динамический фактор по сцеплению. Это безразмерные величины, выражаемые в долях единицы или процентах.

Динамическим фактором по тяге называется отношение разности тяговой силы и силы сопротивления воздуха к весу автомобиля:

Рис. 5. Тяговая характеристика автомобиля.

I передача

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

II передача

III передача

IV передача

Изм.

Лист

№ докум.№

Подпись

Дат

Лист

Данные динамического фактора занесены в таблицу 2, по аналогии расчитываем динамический фактор для остальных передач, пользуясь данными из таблицы.

Значения динамического фактора по тяге позволяют судить о тягово-скоростных свойствах конкретного автомобиля при разных нагрузках и сравнивать тягово-скоростные свойства различных автомобилей. При этом чем больше динамический фактор по тяге, тем лучше тягово-скоростные свойства и выше проходимость автомобиля: он способен развивать большие ускорения, преодолевать более крутые подъемы и буксировать прицепы большей массы.

Максимальные значения динамического фактора по тяге составляют 0,3...0,45 для автомобилей ограниченной проходимости и 0,6...0,8 — для автомобилей высокой проходимости.

Динамический фактор по тяге до скорости 4-5 м/с (15-18 км/ч) определяют без учета силы сопротивления воздуха. При скоростях выше этого значения силу сопротивления воздуха Р_в подсчитывают по формуле

I передача

II передача

III передача

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

VI передача

Значения параметров обтекаемости см. на стр. 6.

Значения динамического фактора при скорости выше указанных значений определяют с учетом силы сопротивления воздуха.

Результаты расчетов занести в таблицу 2.

Динамический фактор по тяге часто называют просто динамическим фактором.

Его значение ограничено вследствие наличия сцепления колес с дорогой. Для безостановочного движения автомобиля без пробуксовки ведущих колес необходимо выполнение следующего условия:

где Д_ц — динамический фактор по сцеплению.

Динамическим фактором по сцеплению называется отношение разности силы сцепления и силы сопротивления воздуха к весу автомобиля:

Так как буксование ведущих колес обычно происходит при малой скорости движения и большой тяговой силе, то влиянием силы сопротивления воздуха можно пренебречь. Тогда динамический фактор по сцеплению

где G₂ — вес, приходящийся на ведущие колеса.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Для установления связи между динамическим фактором и условиями движения представим уравнение движения автомобиля в следующем виде:

Р_т = Р_д+Р_в+Р_и ------------- Р_т–Р_в = Р_д+Р_и

Или

Р_т–Р_в = Gψ + . (17)

Где j – ускорение, м/с² , δ_вр – коэффициент вращающихся масс.

Коэффициент δ_вр определяют по эмпирической формуле:

,

Где i_к – передаточное число в коробке передач на данной передаче.

δ₁ ≈ δ₂ ≈ 0,03 – 0,05.

Разделив обе части уравнения 17 на вес G, получим уравнение

силового баланса автомобиля в безразмерной форме:

. (18)

При равномерном движении ускорение равно нулю. Тогда

D=ψ . (19)

Динамической характеристикой автомобиля называется зависимость динамического фактора по тяге от скорости на различных передачах. Динамическая характеристика, представленная на рис. 6, свидетельствует о том, что динамический фактор по тяге на низших передачах имеет большую величину, чем на высших. Это связано с тем, что на низших передачах тяговая сила увеличивается, а сила сопротивления воздуха уменьшается.

Поскольку при равномерном движении D = ψ, ордината каждой точки кривых динамического фактора, приведенных на динамической характеристике, определяет значение коэффициента сопротивления дороги ψ.

Рис. 6. Динамическая характеристика автомобиля:

I —III — передачи; I^′—I передача при уменьшенной подаче топлива; v_max — максимальная скорость автомобиля; v_max(ψ) — максимальная скорость автомобиля для конкретных дорожных условий/

Так, например, точка D_v, соответствующая значению динамического фактора при максимальной скорости v_max, определяет коэффициент сопротивления дороги ψ_v, которое может преодолеть автомобиль при этой скорости, а ординаты точек максимума кривых динамического фактора представляют собой максимальные значения коэффициента сопротивления дороги, преодолеваемого на каждой передаче.

С помощью динамической характеристики можно решать различные задачи по определению тягово-скоростных свойств автомобиля. Рассмотрим некоторые из этих задач.

Определение максимальной скорости движения автомобиля при заданном коэффициенте сопротивления дороги ψ. На оси ординат откладываем значение коэффициента сопротивления дороги ψ, характеризующее данную дорогу, и проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривой динамического фактора D. Точка пересечения и будет соответствовать максимальной скорости, которую может развить автомобиль при заданном коэффициенте сопротивления дороги ψ.

Определение максимального подъема, преодолеваемого на дороге с заданным коэффициентом сопротивления качению f. Для нахождения максимального подъема, который может преодолеть автомобиль при постоянной скорости на любой передаче на дороге с коэффициентом сопротивления качению f, на оси ординат откладываем значение коэффициента f и проводим прямую, параллельную оси абсцисс. Разность между максимальным значением динамического фактора D_max на любой передаче и значением коэффициента f соответствует максимальному подъему, преодолеваемому на выбранной передаче:

(20)

Определение максимального ускорения автомобиля при заданном коэффициенте сопротивления дороги ψ. Для нахождения максимального ускорения j_max, которое может развить автомобиль на любой передаче, необходимо найти разность между максимальным значением динамического фактора на выбранной передаче и значением коэффициента сопротивления дороги (D_max – ψ). Зная эту разность, можно определить значение максимального ускорения по формуле:

(21)

О

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

пределение возможности буксования ведущих колес. При решении данной задачи необходимо сопоставить динамические факторы по тяге и сцеплению. С этой целью определяют значение динамического фактора по сцеплению для заданного коэффициента сцепления φ_х. Найденное значение откладывают на оси ординат и проводят горизонтальную прямую.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

В области, расположенной над проведенной прямой, D_сц<D, следовательно, трогание автомобиля с места на I передаче невозможно, а при его движении неизбежна остановка.

В области, находящейся под этой прямой, выполняется условие D_сц>D, следовательно, при полной нагрузке двигателя, или при полной подаче топлива, движение без пробуксовки ведущих колес невозможно лишь на I передаче. Для движения без буксования ведущих колес на I передаче необходимо уменьшить подачу топлива и динамический фактор по тяге (см. кривую I^′ на рис. 6).

При определении тягово-скоростных свойств динамическая характеристика строится для автомобиля с полной нагрузкой.

Таким образом, для построения динамической характеристики достаточно найти значение D для всех передач и построить график.

6.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Расчет и построение ускорений, времени и пути разгона.

В процессе эксплуатации автомобиль движется равномерно сравнительно непродолжительное время. Большую часть времени он перемещается неравномерно. Так, в условиях города автомобиль движется с постоянной скоростью 15...25% времени работы, а ускоренно (при разгоне) — 30...45%.

Разгон автомобиля во многом зависит от его приемистости, т. е. способности быстро увеличивать скорость движения.

Показателями разгона автомобиля являются ускорение при разгоне j, м/с², время разгона t_p, с, и путь разгона S_p, м.

Показатели разгона определяются экспериментально при дорожных испытаниях автомобиля. Они также могут быть получены расчетным способом.

Ускорение при разгоне

Ускорение, определяемое из динамической характеристики автомобиля, представленного в безразмерной форме, имеет вид

I Передача

По аналогии расчитываем ускорение для остальных передач изменяя и динамический фактор(согласно таблице 2)

Для расчета ускорения при разгоне выберем на динамической характеристике автомобиля пять-шесть значений скорости v, определим

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

соответствующие им значения динамического фактора D и коэффициента сопротивления дороги ψ. Затем, решив уравнение, найдем значения ускорений при разгоне на различных передачах. По результатам расчетов построим график ускорений при разгоне автомобиля.

На рис. 7 представлен график ускорений, характерный для легковых автомобилей. Из рисунка видно, что ускорение на низших передачах больше, чем на высших. Это связано с более высоким динамическим фактором на низших передачах.

Область графика ускорений при v<v_minсоответствует троганию автомобиля с места при пробуксовке сцепления, которое продолжается незначительное время. Поэтому считается, что разгон начинается с минимальной скорости v_min. Как видно из рис. 7, у легковых автомобилей при максимальной скорости v_maxускорение равно нулю. Это обусловлено тем, что при максимальной скорости запас мощности отсутствует.

На рис. 8 показан график ускорений, типичный для грузовых автомобилей. Как видно из рисунка, максимальные значения ускорений на I и II передачах почти одинаковы, что объясняется высоким значением коэффициента учета вращающихся масс δ_врна I передаче, так как для этой передачи характерно большое передаточное число.

У грузовых автомобилей при максимальной скорости ускорение не равно нулю, что связано с наличием некоторого запаса мощности, позволяющего им, двигаясь с максимальной скоростью, преодолевать дополнительное сопротивление дороги или буксировать прицеп. Однако запас мощности не может быть использован для разгона, так как этому препятствует ограничитель угловой скорости коленчатого вала двигателя.

Различные автомобили имеют неодинаковые максимальные значения ускорения, м/с²: у легковых автомобилей с механической трансмиссией они составляют 2,0...2,5, у грузовых — 1,7...2,0, у автобусов – 1,8…2,3.

Рис. 7. График ускорений легкового автомобиля:

v₁, v₂— значения скорости автомобиля; I —III — передачи

Рис. 8. График ускорений грузового автомобиля:

а, е – начальная и конечная точки разгона; б – г— точки переключения передач; j₁ , j₂ – ускорения в начале и конце интервала скоростей от v₁ до v₂; I - IV – передачи

Графики ускорений позволяют сравнить приемистость различных автомобилей на дорогах с одинаковым сопротивлением движению. Однако такое сравнение не совсем точно, так как различные автомобили имеют неодинаковое максимальное ускорение на каждой передаче и разное число передач в коробке передач. Поэтому более точное сравнение приемистости обеспечивают графики времени и пути разгона.

Время и путь разгона

Время и путь разгона определяют следующим образом. Кривые графика ускорений (см. рис. 8) разбивают на ряд отрезков, соответствующих определенным интервалам скоростей, км/ч: на низшей передаче – 2...3, на промежуточных – 5...10 и на высшей – 10...15. Полагают, что в каждом интервале скоростей разгон происходит с постоянным, средним ускорением

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

где j₁ и j₂ – ускорения в начале и конце некоторого интервала скоростей.

Среднее ускорение можно также рассчитать, зная значения скорости в начале и конце интервала. Так, например, при изменении скорости от v₁до v₂среднее ускорение

где Δ_t – время разгона в заданном интервале скоростей.

Из последнего выражения определяем время разгона в интервале скоростей от v₁ до v₂:

Время разгона автомобиля определяется в такой последовательности

c

c

c

c

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

См. рис. 8: на I передаче – по кривой а-б, на IIпередаче – по кривой б-в, на IIIпередаче – по кривой в-ги на IV передаче – по кривой д-е. Скорости, соответствующие точкам б, ви г, являются оптимальными для переключения передач.

Вычислив значение времени разгона в каждом интервале скоростей, находим общее время разгона на nинтервалах от минимальной v_minдо максимальной v_maxскорости:

Рис. 9. Графики времени и пути разгона автомобиля:

v_min –минимальная скорость автомобиля

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Зная значения времени разгона в различных интервалах скоростей, строим кривую времени разгона (рис. 9). Изломы этой кривой соответствуют моментам переключения передач.

При переключении передач в течение некоторого времени (времени переключения) происходит разъединение двигателя и ведущих колес. При этом разрывается поток мощности и уменьшается скорость движения автомобиля за счет действия сил сопротивления движению.

Время переключения передач зависит от типа двигателя, коробки передач и квалификации водителя. Так, для водителей высшей квалификации время переключения передач составляет 0,5...1 с при бензиновом двигателе и 1...4 с – при дизеле. Увеличение времени переключения передач при дизеле объясняется более медленным снижением угловой скорости коленчатого вала, чем при использовании бензинового двигателя. У менее квалифицированных водителей время переключения передач на 25...40% больше, чем у высококвалифицированных.

Уменьшение скорости, км/ч, автомобиля при переключении передач, зависящее от дорожных условий, скорости движения и параметров обтекаемости, определяется по формуле

где t_п — время переключения передач, с.

Для нахождения пути разгона используют те же интервалы скоростей, которые были выбраны при определении времени разгона. При этом считается, что в каждом интервале скоростей автомобиль движется равномерно со средней скоростью

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

При разгоне от скорости v₁до скорости v₂(см. рис. 8) путь разгона в этом интервале скоростей

2,77*0,59=1,63

4,65*0,62=2,88

6,57*0,6=3,94

9,01*1,09=9,82

11,08*0,48=5,31

12,06*1,03=12,42

15,74*3,01=47,37

19,34*1,4=27,07

24,28*8,34=202,5

29,85*4,67=139,4

34,79*20,48=712,5

39,29*14,94=587

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

или с учетом выражения

Путь разгона автомобиля от минимальной v_min до максимальной v_max скорости

Зная значения пути разгона, соответствующие различным интервалам скоростей, строим кривую пути разгона (см. рис. 9). Изломы этой кривой, так же, как и у кривой времени разгона, отвечают переключению передач.

За время переключения передач автомобиль проходит путь

где v_п – скорость в момент начала переключения передач.

Рассмотренный метод определения времени и пути разгона автомобиля является приближенным. Поэтому полученные при расчете результаты могут несколько отличаться от действительных.

Пример расчета:

Рассчитать и построить графики ускорений, пути и времени разгона легкового автомобиля с полной нагрузкой на горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием (f₀ = 0.018). Значения коэффициента f при движении со скоростями, большими 5 м/с, определять по формуле ,где f₀ – коэффициент сопротивления качению при малых скоростях. Значения D взять из таблицы 2.

Коэффициент учета вращающихся масс при движении на первой передаче .

На второй передаче δ_вр2 ~ 1,25; на третьей передаче δ_вр3 ~ 1,12; на прямой передаче δ_вр4 ~ 1,08.

Таблица 3 ускорение автомобиля.

Первая передача	Вторая передача
v	D	j	v	D	j
1.88 3.67 5.63 7.51 10.52 11.64	0.44 0.47 0.48 0.46 0.38 0.33	2.9 3.1 3.2 2.5 2.1	3.28 6.56 9.84 13.12 18.36 20.33	0.24 0.272 0.274 0.25 0.2 0.17	1.8 2.17 2.19 1.98 1.5 1.3
Третья передача	Четвертая предача
v	D	j	v	D	j
5.06 10.12 15.18 20.24 28.33 31.37	0.16 0.173 0.17 0.15 0.10 0.08	1.29 1.4 1.38 1.2 0.74 0.56	6.89 13.78 20.67 27.56 38.58 42.71	0.11 0.12 0.11 0.09 0.04 0.01	0.9 0.94 0.87 0.66 0.18 -0.75

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Таблица 4 времени и пути разгона.

v	j		v	t	t		S	S
1,88	2,9	-	-	-	0,00	-	-	0,00
3,67	3,1		1,79	0,59	0,59	2,77	1,63	1,63
5,63	3,2	3,15	1,96	0,62	1,21	4,65	2,88	4,51
7,51		3,1	1,88	0,6	1,81	6,57	3,94	8,45
10,52	2,5	2,75	3,01	1,09	2,9	9,01	9,82	18,27
11,64	2,1	2,3	1,12	0,48	3,38	11,08	5,31	23,58
	2,1	2,1	-0,64	0,3	3,68	11,32	3,39	26,97
13,12	1,98	2,04	2,12	1,03	4,41	12,06	12,42	39,39
18,36	1,5	1,74	5,24	3,01	7,42	15,74	47,34	86,76
20,33	1,3	1,4	1,97	1,4	8,82	19,34	27,07	113,83
20,24	1,2	1,25	-0,09	0,07	8,89	20,28	1,41	115,24
28,33	0,74	0,97	8,09	8,34	17,23	24,28	202,5	317,74
31,37	0,56	0,65	3,04	4,67	21,9	29,85	139,4	457,14
	0,56	-	-0,37	0,66	22,56	31,18	20,58	477,72
38,58	0,18	0,37	7,58	20,48	43,04	34,79	712,5	1190,22
	0,01	0,095	1,42	14,94	57,98	39,29		1777,22

7.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Разработка кинематической схемы коробки передач.