книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

М. Д. АРТАМОНОВ В. А. ИЛАРИОНОВ М. М. МОРИН

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЯ

Допущено Управлением учебных заведений Министерства автомобильного транспорта РСФСР в качестве учебника для учащихся автотранспортных техникумов

И з д а н и е 2-е, п е р е р а б о т а н н о е

М о с к в а

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1974

А 86 УДК 629.113 (075.3)

Артамонов М. Д., Пларпонов В. А., Морпн М. М. Основы теорпн и конструкции автомобиля. Учебник для техникумов. Изд. 2-е, перераб., М., «Машиностроение», 1974, 288 с.

В учебнике рассмотрены основные положеппя теорий ав­ томобильного двигателя и автомобиля. Опис'дны теоретиче­ ские и действительные циклы карбюраторных двигателей и дизелей, приведены параметры, характеризующие работу двигателей внутреннего сгорания. Изложены основные экс­ плуатационные свойства автомобиля п описаны методы экспериментального и расчетного определения их показате­ лей. Теоретические выводы иллюстрируются числовыми при­ мерами.

Учебник предназначен для учащихся автотраиспортиых техникумов. Табл. 13, ил. 125.

Р е ц е н з е н т : предметная комиссия «Автомобили» Ленин­ градского автотранспортного техникума Редактор пнж. Н. М. Сергеев

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Директивами XXIV съезда КПСС предусмотрен значительный рост выпуска автомобилей и улучшение их использования. Решение этих серьезных задач невозможно без научного обоснования и ана­ лиза основных свойств подвижного состава.

Теория автомобиля — это наука об эксплуатационных свой­ ствах автомобиля. Эксплуатационные свойства изучают с целью повышения 'производительности автомобиля и снижения себестои­ мости перевозок. Для достижения этой цели необходимо увели­ чить среднюю скорость движения на автомобильном транспорте

иуменьшить расход топлива при одновременном сохранении безо­ пасности движения и обеспечении удобств для водителя и пасса­ жиров. Знание теории автомобиля необходимо при проектирова­ нии и доводке новых моделей, а также при выборе типов автомо­ билей в соответствии с требованиями эксплуатации. Выводы теории служат основой для определения производительности подвиж­ ного состава и себестоимости перевозок. На этих выводах основан также расчет деталей автомобиля на прочность и долговечность.

Эксплуатационные свойства характеризуют возможность эф­ фективного использования автомобиля в определенных условиях

ипозволяют оценить, в какой мере конструкция автомобиля соот­ ветствует им.

Втеории автомобиля рассматривают эксплуатационные свой­ ства, непосредственно связанные с движением автомобиля. К ним относят динамичность, топливную экономичиость, управляемость, устойчивость, проходимость и плавность хода автомобиля. Осталь­ ные эксплуатационные свойства (вместимость, прочность, приспо­ собленность автомобиля к техническому обслуживанию и ремонту

ит. д.) рассматривают в других курсах.

Под динамичностью или быстроходностью автомобиля пони­ мают его свойство перевозить грузы и пассажиров с максимально возможной средней скоростью. Чем лучше динамичность автомо­ биля, тем меньше время, затрачиваемое на перевозку, и выше производительность автомобиля.

Динамичность автомобиля зависит от его тяговых и тормозных свойств. Поэтому ее изучают в двух разделах, один из которых посвящен тяговой, а другой — тормозной динамике автомобиля.

3

Топливной экономичностью автомобиля называют его свой­ ство рационально использовать энергию топлива. Затраты на топливо составляют значительную часть стоимости перевозок. Поэтому чем меньше расход топлива, тем дешевле эксплуатация автомобиля.

Управляемость автомобиля — это его свойство изменять на­ правление движения при изменении положения управляемых колес. От управляемости в большой степени зависит безопас­ ность движения автомобиля.

Под устойчивостью автомобиля понимают его свойство сохра­ нять направление движения, противостоять действию сил, стре­ мящихся вызвать занос и опрокидывание автомобиля. Устойчи­ вость автомобиля, так же как и его управляемость и тормозная динамичность, обеспечивает безопасность движения. Особенно хорошей должна быть устойчивость автомобиля при его работе па скользких дорогах и при движении с большими скоростями.

Проходимость автомобиля — это свойство автомобиля рабо­ тать в тяжелых дорожных условиях (снежная целина, болоти­ стая местность, броды) без буксования ведущих колес и задевания за неровности дороги и окружающие предметы. Проходимость имеет большое значение для автомобилей, работающих в сельском хозяйстве, лесной промышленности, на строительстве, в карьерах.

Плавностью хода автомобиля называют его свойство двигаться по неровным дорогам без сильных сотрясений кузова. От плавности хода в большой степени зависят средняя скорость движения и рас­ ход топлива, а также сохранность грузов при перевозке и комфорта­ бельность езды в автомобиле.

Каждое из эксплуатационных свойств автомобиля обычно рассматривают отдельно, однако на самом деле все эксплуатаци­ онные свойства связаны между собой. Изменения конструкции автомобиля, предпринятые для улучшения одного из них, неиз­ бежно отражаются па остальных свойствах. Так, для улучшения устойчивости автомобиля центр тяжести стремятся расположить как можно ниже, однако при этом может ухудшиться проходи­ мость автомобиля. Скорость автомобиля зависит прежде всего от его динамичности, но на скользских дорогах ее ограничивают для сохранения устойчивости, а на неровных — для обеспечения плавности хода. Увеличение средней скорости, свидетельствую­ щее об улучшении динамичности, часто сопровождается ухудше­ нием топливной экономичности.

Противоречивость требований, предъявляемых к автомобилю, заставляет конструкторов принимать компромиссные решения, улучшая существенные для данного автомобиля свойства за счет некоторого ухудшения свойств, имеющих меньшее значение. По­ этому оценивать автомобиль следует не по одному из эксплуата­ ционных свойств, а по всему их комплексу.

Современное состояппе науки и техники позволяет создать автомобиль, способный работать в любых эксплуатационных

4

условиях. Однако этому, с одной стороны, препятствует массо­ вость производства автомобилей, для которого характерны огра­ ниченное число выпускаемых разнотипных моделей и унификация агрегатов и узлов, устанавливаемых на автомобили различного назначения. С другой стороны, каждый автомобиль работает в разнообразных условиях и должен иметь определенную универ­ сальность. Этим объясняется, например, выпуск большого коли­ чества грузовых автомобилей с бортовой платформой, пригодной для перевозки грузов различных видов. Однако по мере развития народного хозяйства возникает потребность в специализирован­ ных автомобилях, приспособленных к работе в определенных усло­ виях и предназначенных для перевозки однотипных грузов. Эффек­ тивность использования специализированных автомобилей в 'тех условиях, для которых они предназначены, значительно выше, чем универсальных автомобилей.

Показатели эксплуатационных свойств можно определить экспериментальным путем или расчетным методом. Для получения экспериментальных данных автомобиль испытывают на специаль­ ных стендах или непосредственно на дороге, в условиях, прибли­ женных к эксплуатационным. Проведение испытаний сопряжено с затратой значительных средств и труда большого количества квалифицированных работников. Кроме того, воспроизвести при этом все условия эксплуатации очень сложно. Поэтому испытания автомобиля сочетают с теоретическим анализом эксплуатацион­ ных свойств и расчетом их показателей. Такой анализ особенно важен для работников автотранспорта, получающих от автомо­ бильной промышленности подвижной состав, основные параметры которого изменить практически невозможно. Чтобы установить степень соответствия конструкции автомобиля требованиям эк­ сплуатации, необходимо определить хотя бы приближенные зна­ чения отдельных показателей. Это легче и быстрее всего выпол­ нить расчетным методом.

Автомобиль является сложной машиной, созданной трудом большого количества работников различных отраслей науки и тех­ ники многих стран. Первые автомобили с паровой силовой уста­ новкой, появившиеся в XVIII в., были тяжелыми и громоздкими. В 1860 г. Ленуар изобрел первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на светильном газе. В 1870 г. Ланген и Отто постро­ или четырехтактные газовые двигатели с принудительным вос­ пламенением смеси, а в 1897 г. Р. Дизель создал первый бескомпрессорный двигатель. В 1883 г. появился автомобиль с двига­ телем внутреннего сгорания, построенный К. Бенцем, в 1888 г. — первый мотоцикл Даймлера.

Развитие автомобильной техники сопровождалось совершен­ ствованием научных дисциплин, связанных с изучением эксплуата­ ционных свойств автомобиля. В 1906 г. В. И. Гриневецкий разра­ ботал метод теплового расчета двигателя. В дальнейшем этот метод был дополнен Е. К. Мазингом, Б. G. Стечкиным, Н. В. Инозем­

5

Ч ас ть п е рв ая

ТЕОРИЯ

АВТОМОБИЛЬНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Глава I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

ДВИГАТЕЛЕЙ в н у т р е н н его с г о р а н и я

В двигателе внутреннего сгорания преобразование теплоты в меха­ ническую работу происходит в результате непрерывных измене­ ний состояния рабочего тела, т. е. газов, находящихся в его ци­ линдрах.

Совокупность этих изменений или процессов называют дейст­ вительным циклом двигателя.

Действительный цикл состоит из реальных процессов, проис­ ходящих в цилиндре двигателя при переменных значениях теплоем­ костей воздуха и продуктов сгорания. В результате сгорания топ­ лива химический состав, а следовательно, и физические свойства газов, находящихся в цилиндре, значительно изменяются. Строго говоря, количество газов во время сжатия и расширения тоже не остается постоянным, так как открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, как правило, не совпадают с шодходом поршня к в. м. т. и н. м. т. Кроме того, в цилиндре происходит интенсивный теплообмен между газами и стенками цилиндра и поршнем, а также возникают гидравлические и механические потери.

Сложность протекания реальных процессов в цилиндре двига­ теля затрудняет их анализ при помощи обычных термодинамиче­ ских формул. Поэтому для выявления и анализа основных факто­ ров, определяющих главнейшие качественные показатели работы двигателя, пользуются теоретическими (термодинамическими) циклами.

В теоретических циклах в отличие от действительных отсут­ ствуют какие-либо потери за исключением неизбежного отвода теплоты в холодный источник, так как согласно второму закону термодинамики без такого отвода теплоты невозможно ее преобра­ зование в механическую работу.

7

При рассмотрении теоретических циклов принимают следую­ щие допущения:

1.Циклы считают замкнутыми, происходящими при постоянном количестве идеального газа, т. е. не учитывают процессы впуска

ивыпуска и вызванные ими насосные потери.

2.Теплоемкость газа в течение всего цикла принимают равной постоянной величине, не зависящей от температуры.

3.Сгорание топлива в цилиндре двигателя заменяют мгно­ венным фиктивным подводом теплоты извне, а выпуск отработавших

газов — мгновенным фиктивным отводом ее в холодный источник. 4. Процессы сжатия и расширения газа считают происходящими

адиабатически, т. е. без теплообмена с внешней средой.

Из этих допущений следует, что значения к. п. д. теоретических циклов выше, чем значения к. п. д. у соответствующих реальных двигателей. Однако при помощи теоретических циклов можно выяснить влияние основных термодинамических факторов на про­ цесс преобразования теплоты в механическую работу, а также произвести сравнения различных циклов с точки зрения их эф­ фективности и экономичности.

Для поршневых двигателей внутреннего сгорания можно использовать три теоретических цикла, которые отличаются спо­ собами подвода теплоты к рабочему телу:

1.Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. При таком способе подвода теплоты процесс сгорания близок к про­ цессу сгорания в двигателях с принудительным воспламенением смеси электрической искрой.

2.Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении. В этом случае процесс сгорания близок к процессу сгорания, происходя­ щему в двигателях с распиливанием топлива сжатым воздухом (для

современных двигателей его це используют).

3.Цикл с подводом теплоты как при постоянном объеме, так

ипри постоянном давлении (смешанный цикл). При данном способе подвода теплоты процесс сгорания аналогичен процессу сгорания

вдвигателях с бескомпрессорным распыливанием топлива и вос­ пламенением от сжатия.

Отвод теплоты в холодный источник согласно второму закону термодинамики во всех.циклах происходит при постоянном объеме.

§ I. ЦИКЛ С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме, изображенный в виде графика на рис. 1, состоит из следующих процессов.

При сжатии рабочего тела (газа) давление в цилиндре изменя­ ется по линии ас без теплообмена с внешней средой, т. е. адиабати­ чески. Затем на участке cz при постоянном объеме, т. е. по изохоре, извне подводят теплоту-^!, вследствие чего температура и давление газа повышаются. После этого по линии zb происходит адпабатиче-

8

ское расширение газа, а по линии Ъа — отвод теплоты Q2 в холод­ ный источник по пзохоре. Следовательпо, рабочее тело, претерпев ряд изменений, возвращается к исходному состоянию, в резуль­ тате чего цикл замыкается. Цикл можно повторять неограничен­ ное число раз при соблюдении указанных выше условий.

Полезная механическая работа цикла Lt пропорциональна площади фигуры aczb, ограниченной кривыми отдельных процес­ сов цикла, и эквивалентна разности между подведенной теплотой Q1 и отведенной в холодный источник теплотой Q3, т. е.

Lt — Q\ —<?2-

Степень использования подведенпой теплоты Q1 в результате частичного преобразования ее в полезную механическую работу Lh т. е. тепловую экономичность

цикла, оценивают термическим коэффициентом полезного действия

к = — — показатель адиабаты;

си Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Подставляя найденные значения температур в формулу тер­ мического к. п. д., получим

9