Вахламов В.К., Шатров М.Г., Юрчевский А.А. Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя

Подождите немного. Документ загружается.

при частоте вращения коленчатого вала 4500

мин"

Максимальный

крутящий момент 82

Н-м

при частоте вращения 3100

мин"

В картере 2 двигателя установлены четыре цилиндра 6 попарно

под углом 90°. Наружная поверхность цилиндров выполнена с реб-

рами охлаждения. Внутри цилиндров находятся поршни 7, свя-

занные шатунами 5 с коленчатым валом 4.

Каждая пара цилиндров закрыта головкой 9 цилиндров, которая

также имеет ребра охлаждения. В головке цилиндров размещены кла-

паны

10,

которые приводятся в действие от распределительного

вала 11, имеющего нижнее расположение. Внутри распределитель-

ного вала установлен вал балансировочного механизма, компенси-

рующего инерционные силы деталей двигателя. Балансировочный

вал имеет противовес и шестеренчатый привод от коленчатого вала.

Горючая смесь приготовляется в карбюраторе 12 и воспламе-

няется в цилиндрах свечами 8 зажигания. Охлаждение двигателя

осуществляется воздухом с помощью нагнетающего вентилято-

ра 13. Рабочая температура двигателя поддерживается с помощью

регуляторов 3, размещенных в

воздухоотводящих

кожухах 15. Мас-

ляный поддон

закрывающий картер двигателя снизу, для луч-

шего охлаждения масла имеет ребра.

Двигатель легкового автомобиля среднего класса, бензиновый, че-

тырехтактный, рядный, четырехцилиндровый, верхнеклапанный,

с нижним расположением распределительного вала, с жидкостным

охлаждением, представлен на рис.

20.5.

Рабочий объем цилиндров

двигателя 2,45 л. Степень сжатия 8,2. Максимальная мощность 70 кВт

при частоте вращения коленчатого вала 4500

мин"

Максимальный

крутящий момент 190

Н-м

при частоте вращения 2300

мин"

Четыре съемных гильзы 5 цилиндров установлены вертикально

в один ряд в блоке 3 цилиндров и закрыты головкой, в которой

размещены клапаны

9и

коромысла 10 клапанов с

осью.

Коленча-

тый вал 1 шатунами 2 соединен с поршнями 4. Распределитель-

ный вал 16 имеет нижнее расположение, а впускные и выпуск-

ные клапаны — верхнее. Клапаны приводятся в действие от рас-

пределительного вала с помощью толкателей 14, штанг 11 и ко-

ромысел 10. Горючая смесь готовится в карбюраторе 8, подается в

цилиндры через впускной трубопровод

и воспламеняется свеча-

ми 12 зажигания. Отработавшие газы из цилиндров удаляются че-

рез выпускной трубопровод 6 в приемную трубу глушителя. Масло

из поддона 18 забирается насосом 17 через

маслоприемник

и,

пройдя очистку в фильтре, подается для смазки трущихся поверх-

ностей деталей двигателя. Охлаждение двигателя жидкостное.

Двигатель легкового автомобиля большого класса, бензиновый,

четырехтактный,

V-образный,

восьмицилиндровый, верхнекла-

панный, с нижним расположением распределительного вала и

жидкостным охлаждением, представлен на рис. 20.6. Рабочий объем

цилиндров двигателя 5,5 л. Степень сжатия 8,5. Максимальная

мощ-

240

Рис. 20.4. Двигатель легкового автомобиля особо малого класса с воздуш-

ным охлаждением:

/ — масляный поддон; 2 — картер двигателя; 3 ~ регулятор температуры двига-

теля; 4 — коленчатый вал; 5 — шатун; 6 — цилиндр; 7 — поршень; 8 — свеча

зажигания; 9 — головка цилиндров; 10 — клапан; 11 — распределительный вал;

/2 — карбюратор; 13 — нагнетающий вентилятор; 14 — топливный насос; 75 —

воздухоотводящий

кожух

иость 162 кВт при частоте вращения коленчатого вала 4200

мин'

Максимальный крутящий момент 450

Н-м

при частоте вращения

2700

мин"

Съемные гильзы 3 цилиндров установлены в два ряда под уг-

лом 90° в блоке 2 цилиндров. Каждый ряд цилиндров закрыт го-

ловкой 12, в которой находятся клапаны 6 и коромысла 7 клапа-

нов с осью. Коленчатый вал 19 с помощью шатунов 16 связан с

поршнями 4, размещенными в цилиндрах. Клапаны расположены

верхней части двигателя, а распределительный вал имеет ниж-

нее

расположение. Привод клапанов от распределительного вала

(сущсствляется

через толкатели 14, штанги

и коромысла 7.

241

Рис. 20.5. Двигатель легкового автомобиля среднего класса:

/ — коленчатый вал; 2

—•

шатун; 3 — блок цилиндров; 4 — поршень, 5 — гильза

цилиндра, 6 — выпускной трубопровод, 7 — впускной трубопровод, 8 ~ карбю-

ратор,

9—

клапан,

10—

коромысло,

— штанга;

12—

свеча; 13 — распредели-

тель зажигания; 14 — толкатель, 15 — стартер; 16 — распределительный вал;

/7— масляный насос,

18—

масляный поддон,

19—

маслоприемник

242

•17

Рис. 20.6. Двигатель легкового автомобиля большого класса:

— стартер; 2 — блок цилиндров; 3 — гильза цилиндра, 4 — поршень, 5 — свеча

чажигания;

6 — клапан, 7 — коромысло, 8, 13 — впускной и выпускной трубо-

проводы; 9 — распределитель зажигания; 10 — карбюратор, 11 — штанга; 12 —

юловка

цилиндров; 14 — толкатель; /5 — распределительный вал, 16 — шатун;

— масляный насос; 18 — масляный поддон, 19 — коленчатый вал; 20— мас-

лоприемник

Приготовленная в карбюраторе 10 горючая смесь поступает в

цилиндры

двигателя по впускному трубопроводу 8 и воспламеня-

ется в цилиндрах от свечей зажигания 5. Отработавшие газы удаля-

ются из цилиндров по выпускному трубопроводу 13 и далее через

глушитель

в окружающую среду. Масло к трущимся поверхностям

деталей из поддона

подается с помощью масляного насоса 17.

Современные автомобили оснащаются двигателями с системами

автоматизированного управления впрыском топлива в цилиндры.

Примером такого двигателя с искровым зажиганием для легкового

автомобиля среднего класса является четырехтактный, рядный,

четырехцилиндровый, верхнеклапанный двигатель (рис. 20.7) с

нерхним

расположением распределительных валов и жидкостным

охлаждением. Рабочий объем цилиндров двигателя 2,3 л. Степень

сжатия 9,5. Максимальная мощность

110

кВт при частоте враще-

ния

коленчатого вала 6500

мин'

Максимальный крутящий мо-

мент 206

Н-м

при частоте вращения 2500

мин"

243

Рис. 20.7. Бензиновый двигатель с впрыском топлива легкового автомо-

биля среднего класса:

1 — масляный насос, 2 — коленчатый вал, 3 — шатун, 4 — поршень; 5, 9 —

впускной и выпускной трубопроводы, 6 — распределительный вал впускных

клапанов; 7— распределительный вал выпускных клапанов,

8~-

головка цилин-

дров, 10 — блок цилиндров, 11 — масляный поддон

Цилиндры двигателя расположены вертикально в одном бло-

ке

10,

закрытом головкой 8 цилиндров, в который установлены

два распределительных вала и клапаны. Распределительный вал 6

приводит в действие впускные клапаны, а распределительный

вал

7—

выпускные. Все цилиндры двигателя имеют по четыре кла-

пана — два впускных и два выпускных. Привод распределитель-

ных валов цепной, осуществляется от коленчатого вала 2

Горючая смесь готовится во впускном трубопроводе 5, в кото-

рый поочередно в соответствии с порядком работы цилиндров

двигателя впрыскивается бензин электромагнитными форсунка-

ми. Применение системы впрыска бензина существенно повыша-

ет мощность и крутящий момент

двигателя,

уменьшает расход

топлива и снижает токсичность отработавших газов.

Применение дизеля для легкового автомобиля

обусловлено

рядом

преимуществ, в основном экономического характера. На рис. 20.8

показан четырехтактный, рядный,

четырехцилиндровьщ

дизель с

244

Рис 20.8. Дизель с разделенной камерой сгорания:

—

коленчатый вал, 2 — шатун, 3 — поршень, 4 — блок цилиндров; 5 — головка

цилиндров, 6 — свеча накаливания, 7 — форсунка, 8 — дополнительная камера

сгорания;

9—

распределительный вал,

10—

впускные клапаны,

— выпускной

клапан

разделенной камерой сгорания, верхним расположением клапа-

нов и распределительного вала, с жидкостным охлаждением. Ра-

бочий объем цилиндров 2,2 л. Максимальная мощность 62,5 кВт

при частоте вращения коленчатого вала 4500

мин"

Максимальный

крутящий момент 142

Н-м

при частоте вращения 2250

мин'

Цилиндры двигателя расположены вертикально в одном блоке

4 и закрыты головкой 5. В ней размещены распределительный вал

9, клапаны, камеры сгорания, форсунки и свечи накаливания.

Каждый цилиндр имеет два впускных клапана 10, один выпуск-

ной клапан 11 и разделенную

(двухполостную)

камеру сгорания.

При работе двигателя чистый сжатый воздух с большой скорос-

тью поступает через соединительный канал в дополнительную

камеру 8 сгорания, куда из форсунки под большим давлением

впрыскивается

мелкораспыленное дизельное топливо. В дополни-

юльной

камере сгорания воздух движется с завихрением, что обес-

печивает

его интенсивное перемешивание с впрыскиваемым топ-

245

Рис. 20.9. Дизель легкового автомобиля с вихревой камерой сгорания:

— блок цилиндров, 2 — шатун, 3 — поршень, 4, 12 — уравновешивающие

валы, 5 — головка цилиндров, 6 — выпускной клапан; 7 — распределительный

вал,

8—

впускные клапаны, 9 — форсунка,

10—

свеча

накаливания,

11 — вихревая

камера сгорания, 13 — коленчатый вал

ливом. Полученная смесь воспламеняется от сжатия. Давление в

дополнительной камере резко возрастает и вытесняет из нее еще

несгоревшую смесь в основную камеру сгорания, где и заверша-

ется

сгорание смеси. При пуске двигателя воздух в дополнитель-

ной камере сгорания предварительно подогревается с помощью

специальной свечи 6 накаливания, которая выключается после

пуска.

Применение разделенной

(двухполостной)

камеры сгорания

снижает шум и вибрацию двигателя, а также

дымность^

и токсич-

ность

отработавших

газов.

Дизельный двигатель легкового автомобиля с вихревой камерой

сгорания представлен на рис. 20.9: четырехтактный, рядный,

че-

246

9 10 11 12

Рис.

20.10

Дизельный двигатель грузового автомобиля:

— масляный фильтр, 2 —

маслозаливная

горловина, 3 — указатель уровня

масла, 4 — центробежный масляный фильтр, 5 — коробка термостатов, 6, 9 —

передний и задний рым-болты, 7 — компрессор; 8 — насос гидроусилителя,

10—

водосборная труба, 11 — факельная свеча; 12 — впускной воздухопровод;

— форсунка, 14 — скоба крепления форсунки, 15 — патрубок выпускного

трубопровода,

16—

выпускной трубопровод; 17 — масляный насос

тырехцилиндровый,

верхнеклапанный, с

турбонаддувом,

верх-

ним расположением распределительного вала и жидкостным ох-

лаждением. Рабочий объем цилиндров 2,4 л. Максимальная мощ-

ность 99 кВт при частоте вращения коленчатого вала 4300

мин'

Максимальный крутящий момент 285

• м при частоте вращения

2000

мин'

Четыре цилиндра двигателя расположены вертикально в од-

ном блоке 7, закрытом головкой 5 цилиндров, в которой находят-

ся распределительный вал, клапаны, камеры сгорания, форсун-

ки и свечи накаливания. Распределительный вал 7 имеет зубчато-

247

ременной привод от коленчатого вала 13. Все цилиндры двигателя

имеют по два впускных клапана 8, по одному выпускному клапа-

ну 6 и по вихревой камере сгорания 77.

Вихревая камера сгорания состоит из двух камер — основной и

дополнительной. Дополнительная камера размещена перед основ-

ной. В ней установлены форсунка 9 и свеча накаливания 10. В про-

цессе работы двигателя воздух, вследствие

турбонаддува,

с боль-

шой скоростью поступает в дополнительную камеру, в которую

также под большим давлением впрыскивается мелкораспыленное

дизельное топливо. Специальная форма дополнительной камеры

сгорания заставляет двигаться воздух в камере с большим завих-

рением и интенсивно перемешиваться с впрыскиваемым топли-

вом. Образовавшаяся смесь воздуха и дизельного топлива воспла-

меняется от сжатия. Под действием резко возросшего давления из

дополнительной камеры несгоревшая полностью смесь выталки-

вается в основную камеру, в которой заканчивается ее сгорание.

Свеча 10 накаливания служит для подогрева воздуха в дополни-

тельной камере сгорания при пуске холодного двигателя. После

пуска двигателя свеча выключается.

Двигатель оборудован уравновешивающим механизмом, ком-

пенсирующим инерционные силы поршней, шатунов и других

деталей двигателя. Механизм состоит из двух уравновешивающих

валов 4 и 12, установленных с обеих сторон блока цилиндров и

имеющих зубчато-ременной привод от коленчатого вала двигате-

ля. Применение вихревых камер и уравновешивающего механизма

обеспечивает более мягкую и бесшумную работу двигателя, мень-

шую

дымность

и токсичность отработавших газов.

На рис. 20.10 показан четырехтактный,

V-образный,

восьми-

цилиндровый дизельный двигатель грузового автомобиля с верх-

ним расположением распределительного вала и с жидкостным

охлаждением.

Рабочий объем цилиндров двигателя 10,85 л. Степень сжатия 77.

Максимальная мощность

154

кВт при частоте вращения коленча-

того вала 2600

мин'

Максимальный крутящий момент 637 Н • м

при частоте вращения 1600... 1800

мшг

В блоке цилиндров установлены в два ряда под углом 90° съем-

ные гильзы цилиндров. Каждый цилиндр закрыт отдельной голов-

кой. Клапаны расположены в верхней частя двигателя, а распре-

делительный вал имеет нижнее расположение. Клапаны приво-

дятся от распределительного вала через толкатели, штанги и ко-

ромысла. Горючая смесь готовится внутри цилиндров двигателя и

воспламеняется от сжатия. Масло к трущимся поверхностям дета-

лей двигателя подается масляным насосом, который забирает его

из масляного поддона. Охлаждение деталей двигателя жидкостное.

Принудительная подача охлаждающей жидкости к сильно нагре-

тым деталям осуществляется жидкостным насосом.

248

Контрольные вопросы

1. Какие двигатели (бензиновые или дизели) более мощные, эконо-

мичные и экологичные?

2. Какое число и расположение цилиндров может иметь двигатель?

3. Из каких механизмов и систем состоят бензиновый двигатель и ди-

зель?

4. Какое число впускных и выпускных клапанов может иметь цилиндр

двигателя?

5. Сколько распределительных валов может иметь двигатель и каково

их расположение?

РАЗДЕЛ II

ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЯ

Глава 21

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА АВТОМОБИЛЯ

21.1.

Свойства

автомобиля, их оценочные параметры

и определения

Назначение автомобиля — транспортирование грузов, пассажи-

ров или специального

оборудования

из пункта отправления в пункт

назначения.

Автомобиль является частью системы автомобиль — водитель —

дорога — среда, поэтому его

свойства

проявляются в комплекс-

ном

взаимодействии

всех

элементов

системы.

Функциональные

свойства

обеспечивают автомобилю возмож-

ности

выполнять свои функции как транспортного средства.

Свойства надежности характеризуют способность автомобиля

сохранять

работоспособное?

состояние в определенных пределах,

при

заданных

режимах работы и условиях использования, техни-

ческого обслуживания и ре монта.

Эксплуатационные

свойства — это свойртва автомобиля, по-

средством

которых

реализуются: средние скорости

транспортиро-

вания;

расход топлива, связанный с транспортированием; без-

опасность движения автомобиля, выполняющего свои производ-

ственные функции;

возможность

движения по дорогам различно-

го качества, а иногда и без дорог.

В курсе «Теория эксплуатационных свойств

автомобиля»

их

оценивают с помощью системы измерителей и показателей и

формируют критерии оценки,

анализируют

потенциальные свой-

ства автомобиля,

определяет

влияние конструктивных и эксплу-

атационных факторов на его эксплуатационные свойства.

Измеритель

— единица и змерения эксплуатационного свойства

автомобиля,

^апример,

измерителями

динамичности автомобиля

служат

скорорть

ускорение.

Измеритель

характеризует

эксплуа-

тационное свойство с качественной стороны, иногда для полной

оценки свойства

необходимо

несколько измерителей.

Показатель — число, характеризующее количественное значе-

ние

цзмерите

шя.

Показатель?

позволяет оценить эксплуатационное

свойство автомобиля при

определенных

услрвиях

работы. Обычно

показатель используют для

установления

граничных возможнос-

250

гей автомобиля в конкретных условиях эксплуатации. Так, одним

из показателей

тягово-скоростных

свойств автомобиля является

максимальная скорость, развиваемая им на горизонтальном участ-

ке дороги с хорошим покрытием.

Показатели эксплуатационных свойств можно определить экс-

периментальным путем или расчетом. Для получения эксперимен-

тальных

данных автомобиль испытывают на специальных стендах

или непосредственно на дороге в условиях, приближенных к экс-

плуатационным. Воспроизвести при этом все условия эксплуата-

ции сложно, поэтому испытания автомобиля сочетают с теорети-

ческим анализом эксплуатационных свойств и расчетом их пока-

зателен. Чтобы установить степень соответствия конструкции ав-

томобиля требованиям эксплуатации,

необходимо

определить хотя

бы

приближенные

значения

отдельных

показателей. Это легче и

быстрее всего выполнить расчетным методом.

Основными эксплуатационными свойствами автомобиля явля-

ются:

динамичность — определяется максимальными скоростями пря-

молинейного движения автомобиля в различных дорожных усло-

виях, способностью быстро увеличивать или уменьшать скорость

движения.

Тяъовая

динамика

(тягово-скоростные

свойства) авто-

мобиля определяется максимальными

скоростями

движения и

максимальными ускорениями в различных дорожных условиях;

тормозная динамика

(тормозные

свойртва автомобиля), определя-

ется способностью

быстро

снижать скорость движения;

тоцливная

экономичность

— характеризуется расходом топлива

автомобилем в различных условиях, связанных с выполнением

его работы по перевозке грузов или пассажиров;

управляемость — свойство автомобиля изменять направление

движения при изменении

положение

управляемых колес;

устойчивость — свойство автомобиля сохранять направление

движения и противодействовать силам, стремящимся вызвать его

занос и опрокидывание. Особенно высокие требования к устой-

чивости предъявляются при работе автомобиля на скользких до-

рогах и при движении с большими

скоростями.

Устойчивость ав-

томобиля вместе с его

управляемостью

и тормозной динамичнос-

тью обусловливают

безопасноегь

движения;

проходимость — свойство автомобиля уверенно двигаться по

ухудшенным (мокрым, скользким) и плохим (разбитым, размок-

шим) дорогам, пересеченной местности вне дорог, преодолевать

естественные и

искусственные

препятствия (канавы, рвы, поро-

ги) без вспомогательных

устройств;

проходимость имеет большое

значение для

автомобилей,

работающих в сельском хозяйстве,

лесной промышленности, на строительстве, в карьерах;

плавность хода — свойство автомобиля двигаться по

неровным

дорогам без сильных

сотрясений

кузова;

от плавности хода зави-

251

сят

скорость движения, расход топлива, сохранность грузов и ком-

фортабельность автомобиля;

надежность — свойство автомобиля безотказно перевозить гру-

зы и пассажиров в течение определенного срока без ухудшения

основных

эксплуатационных

показателей. Надежность является ком-

плексным свойством, включающим долговечность и ремонтопри-

годность.

Под долговечностью понимают свойство автомобиля сохранять

работоспособность до наступления предельного состояния при

установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность

определяет приспособленность автомоби-

ля к устранению его отказов путем проведения ремонта и техни-

ческого обслуживания.

21.2.

Взаимодействие

колеса с опорной поверхностью

Радиус колеса, силы и моменты, действующие на колесо. Коле-

со с пневматической (эластичной) шиной является движителем

автомобиля. У автомобильного колеса с пневматической шиной

различают:

статический радиус

— расстояние от оси неподвижного ко-

леса до опорной поверхности (дороги);

динамический радиус

— расстояние от оси катящегося колеса

до опорной поверхности;

радиус качения

— отношение линейной скорости оси колеса

к его угловой скорости.

Статический радиус определяют по таблицам Госстандарта

«Параметры

автомобильных шин», где имеются данные для шин

при рекомендованных заводом-изготовителем давлении воздуха и

вертикальной нагрузке. Если известны номинальные размеры шин,

то по диаметру обода

м,

ширине профиля шины

м, рас-

считывают статический радиус в предположении равенства ши-

рины и высоты профиля шины:

(21.1)

где

— коэффициент смятия, учитывающий уменьшение высо-

ты профиля

шинь(

из-за смятия под нагрузкой (для стандартных

шин легковых автомобилей

0,84...0,88,

для шин грузовых

автомобилей

0,89...0,9).

Радиус качения определяют, как правило, экспериментальным

путем. С этой целью измеряют путь S, проходимый колесом за

несколько полных оборотов

а затем рассчитывают радиус ка-

чения:

Радиусы статический,

динамический

и качения одного и того

же колеса зависят от вертикальной нагрузки, действующей на

колесо, давления воздуха в шине.

Динамический радиус зависит, кроме того, от скорости авто-

мобиля и передаваемого крутящего момента для колеса, работаю-

щего в ведущем режиме: при увеличении скорости он увеличива-

ется, а при увеличении подводимого от двигателя через транс-

миссию крутящего момента незначительно уменьшается. Радиус

качения в значительно большей степени, чем динамический,

уменьшается при увеличении передаваемого крутящего момента.

Особенно сильно это проявляется в случае проскальзывания ко-

леса

(г

<=о)

и при пробуксовке

(г

= 0).

На дорогах с сухим твердым покрытием скольжение ведущих

колес и изменения радиуса невелики, поэтому обычно числен-

ные значения радиусов

считают

одинаковыми

и обозна-

чают общей буквой

г.

Чтобы

колесо катилось по

опорно^

поверхности, к нему надо

приложить силу или момент. Если

направление

прилагаемого мо-

мента

ровпадает

с направлением вращения колеса, его называют

тягоещм

моментом

в противном случае — тормозным момен-

том

Л/

10р

Разделив моменты на радиус колеса, получают соответ-

ственно тяговую

Л/

/г

и тормозную

тор

/г

силы, дей-

ствующие в зоне контакта.

При

движении

автомобиля ведущее колесо, вращаясь под дей-

ствием приложенного к нему момента

стремится

сдвинуть

верхний слой дорожного покрытия. Со

стороны

дороги на веду-

щее колесо в зоне контакта действует противоположно направ-

ленная сила

/у

(рис.

21.1,

а).

Равнодействующую всех сил, действующих со стороны дороги

на колесо в области контакта, называют реакцией

дороги.

Ее мож-

но

представит^

в виде трех составляющих:

^ормальцой

пер-

пендикулярно^

дороге (рис.

21.1,

б), касательной

действую-

щей в

плоскости

дороги и в плоскости колеса, и поперечной

лежащей в

плрскости

дороги и перпендикулярной колесу. Воз-

никнрвение

реакций

возможно лишь при наличии реак-

ции

При качении колеса неизбежны необратимые потери в

шинах,

поэтому для движения автомобиля используется не вся энергия,

подведенная к ведущим колесам от двигателя. Часть ее расходует-

ся на деформацию эластичной пневматической шины. Вследствие

молекулярногр

трения в резине происходит ее нагрев, а энергия,

преобразованная таким образом в

теплоту,

— это

безвозвратно

потерянная энергия.

=S/(2nn

252

Заесь

и далее индексы 1 и 2 относятся соответственно к ведомым и веду-

щим колесам.

253

Рис.

21.1.

Реакции дороги, действующие на колесо:

а — ведущее колесо; б — ведомое колесо;

Л/

— тяговый мрмент;

— сила тяги;

— радиус колеса;

— касательная, поперечная и нормальная состав-

ляющие реакции дороги;

— составляющие всех сил, действующих на

колесо;

к2

— сила

сопротивления

качению ведущего колеса

Все силы, действующие на автомобиль, для удобства изучения

делят на силы движущие и

силы,

оказывающие сопротивление дви-

жению. В соответствии с этим действительную силу

(основную

составляющую силы сопротивления

качению),

приложенную к

колесу со стороны дороги, условно представляют в виде разности

двух сил: силы тяги

и силы

к2

учитывающей

потери энергии в

шинах ведущих колес:

Рт-Р*2.

(21.2)

Сила сопротивления качению. Эта сила зависит от деформации

шины и дороги, а также ог трения шины о покрытие. Во время

качения колеса между частями шины вследствие их деформации

возникает трение, и выделяющаяся теплота рассеивается, что

Приводит к потере энергии.

Изменяя деформацию шины

при

нагружении

вертикальной

нагрузкой

получают зависимость в виде кривой

(Ш

(рис. 21.2, а).

При снятии нагрузки тем же деформациям шины соответствуют

меньшие значения нагрузок (кривая

7/иО).

Площадь петли

(Ш/иО

представляет собой в масштабе работу, связанную с необратимы-

ми потерями в шине (на

гистерезис*).

При качении колеса деформации в

передней

части шины уве-

личиваются, а в задней —

уменьшаются.

Поэтому при одной и той

же деформации

Д'

участок шины в передней ее части относи-

тельно центра А пятна контакта

нагружен

силой

а участок в

задней части — силой

Р".

Следовательно,

элементарные нормаль-

ные реакции в передней части контакта больше, чем в задней, а

* Гистерезис (запаздывание) — различная реакция

физического

тела на не-

которые внешние воздействия в

з-ависимости

or того, подвергалось ли это тело

ранее тем же воздействиям или

подвергается

им впервые.

254

Рис. 21.2. Сопротивление качению:

—

гистерезисные

потери в шине; б — качение колеса на твердой дороге

их равнодействующая

— нормальная реакция смещена относи-

тельно вертикального диаметра колеса вперед на расстояние

(рис. 21.2,

б).

В результате смещения точки приложения нормальной реак-

ции возникает момент

Для уравновешивания этого момента

необходимо к колесу приложить равный, но противоположно на-

правленный момент

М,

или к оси ведомого колеса приложить

толкающую силу

образующую вместе с касательной реакцией

дороги пару сил.

Из уравнения моментов сил относительно точки А получим

Отношение

Дщ/r

называют коэффициентом сопротивления

ка-

чению и обозначают буквой /:

Коэффициент сопротивления качению численно равен от-

ношению силы, вызывающей равномерное качение колеса, к

нормальной реакции дороги. Отсюда сила сопротивления каче-

нию

•*

* X J •**?»

а момент сопротивления качению

(21.3)

255

Если не учитывать влияние динамических нагрузок, то на гори-

зонтальной дороге реакция

равна весу

приходящемуся на

колесо, а сила сопротивления качению ведомого колеса

=fG

В применении к ведущим колесам термин «сила сопротивле-

ния качению» является условным. Однако при движении автомо-

биля потери на качение ведомых колес всегда имеют место одно-

временно с потерями на качение ведущих колес. При работе авто-

мобиля на

грунтовых

дорогах или в условиях бездорожья в образо-

вании колеи участвуют не только ведомые колеса, но и ведущие,

и сопротивление качению в значительной степени является внеш-

ним по отношению к автомобилю. В связи с этим обычно потери

на качение колес относят ко всему автомобилю и считают их внеш-

ними.

Принимая

коэффициент/равным

для всех колес автомобиля,

получаем силу сопротивления качению автомобиля по горизон-

тальной дороге

P*=fG.

(21.4)

При скорости до

10..Л5

м/с коэффициент сопротивления ка-

чению можно считать постоянным. В случае движения автомобиля

с большой

скоростью

коэффициент/возрастает, так как шина не

успевает полностью распрямиться в области контакта, вследствие

чего колесу возвращается не вся энергия, затраченная на дефор-

мацию шины. Кроме того, при повышении скорости деформации

возрастает внутреннее трение в покрышке, также вызывающее

увеличение коэффициента /

Для определения коэффициента сопротивления качению в за-

висимости от скорости v пользуются эмпирическими формула-

ми, например:

/=/о(1

/1500),

(21.5)

где

— коэффициент сопротивления качению при движении ав-

томобиля с малой скоростью (значения приведены ниже).

При движении автомобиля по дороге с

асфальте

- или цемен-

тобетонным

покрытием хорошего качества применяют также фор-

Мулу/=

(32 +

г;)/2800.

В табл.

2.1.1

приведены значения коэффициентов сопротивле-

ния качению.

При движении автомобиля по дороге с твердым покрытием

сопротивление качению увеличивается с уменьшением давления

воздуха в шине. При передаче крутящего момента оно также не-

много возрастает, так как шина при этом деформируется не толь-

ко в вертикальном направлении, но и по окружности. При боль-

шом

передаваемо^

крутящем моменте элементы протектора про-

скальзывают по

дрроге,

и на трение в области контакта затрачи-

вается дополнительная энергия.

256

Таблица 21.1

Значения коэффициентов сопротивления качению

РИД

и состояние дорожного покрытия

Асфальте-

или

цементобетонное

шоссе в состоянии:

отличном

удовлетворительном

рулыжная

мостовая

С гравийным покрытием

Грунтовая

дорога:

сухая укатанная

после дождя

Цесок

Укатанный снег

/о = при v =

м/с

0,014

0,018

0,25

0,02

—

/СР

0,014.

..0,018

0,01

..0,02

0,023.

..0,03

0,02..

.0,025

0,02.

..0,035

0,05.

..0,15

0,01 ...0,3

0,07.

..0,1

На дорогах всегда присутствуют макро- и микронеровности,

которые

создают дополнительное сопротивление движению авто-

мобиля и вызывают колебания его мостов, колес и кузова. Во вре-

мя этих колебаний происходит рассеивание энергии в шине и де-

талях подвески. Потери энергии обычно учитывают в виде допол-

нительного увеличения

коэффициента/,

которое примерно про-

порционально

Учитывая множество факторов, влияющих на коэффициент/,

для расчетов пользуются его средним значением

Сила сцепления шин с дорогой. Максимальное значение гори-

зонтальной реакции

aaait

пропорциональное вертикальной на-

грузке на колесо, называют силой сцепления

шины

с дорогой:

Дшх

(21.6)

где ф — коэффициент сцепления, численно равный отношению

силы, вызывающей равномерное скольжение колеса, к нормаль-

ной реакции дороги.

В зависимости от направления скольжения различают коэффи-

циенты продольного

и поперечного

<р

сцепления.

Для движения колеса без продольного и поперечного скольже-

ний необходимо соблюдать условие

При отсутствии поперечных сил

^сц

Фх^г

Дх-

В случае равномерного качения ведущего колеса

9 Вахламов

(21.7)

(21.8)

257

(21.9)

Коэффициент

обычно намного больше коэффициента/, по-

этому условие (21.9) качения колеса без скольжения можно с

небольшой погрешностью представить в виде

<Р

СЦ

ФХ

(21.10)

При этом, если сила тяги меньше силы сцепления

сц

веду-

щее колесо катится без пробуксовывания. Если сила тяги больше

силы сцепления, ведущее колесо пробуксовывает и для движения

используется лишь часть силы тяги, равная

Остальная часть

силы

вызывает ускоренное вращение колес, которое продол-

жается до тех пор, пока мощность, затрачиваемая на буксование,

не уравновесит избыток мощности, подведенной к колесам. Наи-

более часто буксование наблюдается при резком трогании с места

автомобиля и во время преодоления большого сопротивления дви-

жению на скользких дорогах.

Движение автомобиля с буксующими колесами неустойчиво.

Буксование колес связано с значительными потерями энергии на

трение шин о дорогу и разрушение опорной поверхности, что, в

свою очередь, вызывает повышение расхода топлива. Поэтому в

теоретических расчетах и анализе эксплуатационных свойств ав-

томобиля принято считать, что при нормальных эксплуатацион-

ных режимах работы касательная реакция на ведущих колесах не

должна превышать силы сцепления шин с дорогой.

На дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления за-

висит главным образом от трения скольжения между шиной и

покрытием. При смачивании твердого покрытия коэффициент

сцепления резко падает вследствие образования пленки из частиц

грунта и воды, уменьшающих трение между шиной и дорогой.

Коэффициент сцепления понижается особенно значительно, если

на покрытии имеется пленка глины. Сильным дождем эта пленка

может быть смыта, тогда коэффициент

ср

опять приближается к

значениям, характерным для сухого покрытия.

Большое влияние на коэффициент ф оказывает рисунок про-

тектора. Шины легковых автомобилей имеют мелкий рисунок про-

тектора, обеспечивающий хорошее сцепление с твердым покры-

тием. У шин грузовых автомобилей рисунок протектора крупный,

с широкими и глубокими впадинами. Такие шины врезаются в

грунт, улучшая проходимость автомобиля. При истирании высту-

пов протектора во время эксплуатации ухудшается сцепление шины

с дорогой. Наименьший коэффициент ф имеют шины, у которых

полностью изношен рисунок протектора, поэтому эксплуатация

автомобиля с такими шинами запрещена.

Недостаточное сцепление шин с дорогой, т.е. низкий коэффи-

циент ф является причиной многих дорожно-транспортных про-

258

исшествий. Для обеспечения безопасности движения его значение

не должно быть менее 0,4.

Из-за радиальной деформации шины относительные скорости

точек, расположенных на ее окружности и в зоне контакта с до-

рогой, различны. Изменяются они и по длине зоны контакта, что

приводит к упругой окружной деформации шины и скольжению

ее элементов по дороге.

Скорость скольжения во многом зависит от момента, прило-

женного к колесу, и от сцепных свойств шины и дороги. Так, если

к колесу приложен тяговый момент, то скорости скольжения эле-

ментов шины в зоне контакта направлены противоположно ско-

рости центра колеса, и оно

пробуксовывает.

Если скорость центра

колеса равна нулю и колесо останавливается (не имеет поступа-

тельного перемещения), продолжая вращаться, то говорят о пол-

ном буксовании колеса. Когда к колесу приложен тормозной мо-

мент, то направления скоростей элементов шины в контакте и

центра колеса совпадают — происходит его проскальзывание по

ходу. Если заторможенное колесо движется поступательно, не вра-

щаясь, то говорят о полном скольжении, или юзе колеса.

Полное буксование и юз являются предельными случаями дви-

жения колеса. Частичное проскальзывание и частичное буксова-

ние почти всегда наблюдаются при нормальной эксплуатации ав-

томобиля.

Увеличение тягового (или тормозного) момента, приложен-

ного к колесу, вызывает его буксование или проскальзывание от-

носительно дороги. С увеличением проскальзывания или буксова-

ния шины по дороге коэффициент сцепления сначала возрастает,

а затем, достигнув максимума, уменьшается. При полном буксо-

вании ведущих колес и при юзе тормозящих колес коэффициент

сцепления может быть на

10...25

% меньше максимального. Осо-

бенно заметно уменьшение коэффициента сцепления на мокрых

и обледенелых дорогах.

Таблица 21.2

Значения коэффициента сцепления

Вид и состояние дорожного покрытия

Асфальте-

или

цементобетонное

шоссе

Дорога:

щебенчатая

грунтовая

покрытая укатанным снегом

Коэффициент сцепления

для покрытия

сухого

0,7...0,8

0,6.

..0,7

0,5.

..0,6

мокрого

0,3.

..0,4

0,3 ...0,5

0,2.

..0,4

0,2.

..0,3

259