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

[уравненпе (87)1. Поэтому касательная реакция (в Н), действую­ щая на ведущие колеса автомобиля в этом случае:

Передние ведомые колеса пе воспринимают крутящего момента. Поэтому, приняв в выражении (96) гтр = 0, получим формулу для определения касательной реакции, приложенной к передним коле­ сам автомобиля:

где 1г — суммарный момент инерции передних колес в Н -м -с 2. Сопротивление качению шины по дороге является следствием затрат энергии на гистерезисные (внутренние) потери в шине, а также на образование колеи и поверхностное трение (внешние потери). Вследствие сложности учета всех факторов сопротивление качению оценивают по суммарным затратам энергии, условно считая силу сопротивления качению внешней по отношению к авто­

мобилю.

При лабораторных испытаниях величину коэффициента / определяют, используя стенды с беговыми барабанами, аналогич­ ные показанному на рис. 39. Однако на них испытывают не авто­ мобиль, а отдельное колесо, приводимое во вращение электродви­ гателем. Во время дорожных испытаний автомобиль-тягач бук­ сирует свободно катящийся автомобиль или специальную тележку, соединенные с тягачом при помощи троса и динамометра. Чтобы исключить влияние сопротивления воздуха, испытание проводят на небольшой скорости (около 3 м/с).

Сила (в Н), нагружающая динамометр:

Рх= fi%i 4- /->Z2,

где Zx и Z2 — нормальные реакции на переднюю п заднюю оси

Мощность (в кВт), необходимая для преодоления сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью v,

Часто для определения коэффициента / используют также метод выбега, который заключается в следующем. Во время движения автомобиля водитель выключает передачу, вследствие чего авто­ мобиль движется по инерции (накатом). При малой скорости

100

кинетическая энергия автомобиля расходуется главным образом ыа преодоление сопротивления качению. Замеряя путь или время движения автомобиля в определенном интервале скоростей, опре­ деляют величину коэффициента / (см. § 5 гл. IX).

При малой скорости (до 14—16 м/с) коэффициент сопротивления качению можно считать величиной постоянной. В случае движения с большей скоростью коэффициент / заметно увеличивается, так как шина не успевает полностью распрямиться в области контакта, вследствие чего возвращается не вся энергия, затра­ ченная на деформацию шины. Кроме того, при увеличении скорости деформации возрастает внутреннее трение в покрышке, также вызывающее увеличение коэффициента /. Для определения его величины в зависимости от скорости пользуются эмпирической формулой

< 1 0 0 >

где / 0 — коэффициент сопротивления качению при движении

смалой скоростью (табл. 3).

3.Коэффициент сопротивления качению

Пример. Определить сплу и мощность сопротпвленпя качению рас­ считываемого легкового автомобиля (G = 17,9 кН) при его движении с раз­

личными скоростями, если /0 = 0,014. Сила сопротивления качению:

р« - '- ( 1+ ш ) е - ° Л14(1+ ш ) 17900- 3‘ 8 н -

Мощность сопротивления качению: при v = 10 м/с

NР*0 _ 250-10

1000 1000

при v = 20 м/с

318-20

=1000

101

В случае движения автомобиля по твердым покрытиям коэф­ фициент / увеличивается с уменьшением давления воздуха в шине. При передаче крутящего момента коэффициент / немного увели­ чивается, так как шипа при этом деформируется не только в вер­ тикальном направлении, но и по окружности. При большой вели­ чине передаваемого момента элементы протектора проскальзывают по дороге, и на трение в области контакта также затрачивается дополнительная мощпость.

Качение колеса по мягкому грунту вызывает уплотнение час­ тиц грунта под колесом и смещение их в стороны и по направлению движения. На коэффициент сопротивления качению при этом влияют глубина колеи, тип и состояние грунта, диаметр колеса и воспринимаемая нм вертикальная нагрузка. От типа и состояния грунта зависит коэффициент Сг сопротивления грунта сжатию на глубине 1 см от поверхности. Величины Сг приведены в табл. 4.

4. Значение коэффициента Сг

Если величина Сг известна, то коэффициент /можно определить по эмпирической формуле

/ = Т 7 + °>05-

Уменьшение давления воздуха в шине приводит к уменьшению глубины колеи, однако прп этом увеличиваются внутренние потерн в шпне. Поэтому для каждой шины можно найти такую величину внутреннего давления воздуха, прп которой на данном грунте коэффициент / имеет наименьшее значение.

Сопротивления неровностей

Ни одно дорожное покрытие не является абсолютно ровным. Даже новые цементно- и асфальтобетонные покрытия имеют неров­ ности высотой около 1 см. Неровности создают дополнительное сопротивление движению автомобиля н вызывают колебания его осей, колес и кузова. Во время этих колебаний в результате трения происходит рассеивание энергии в шине и деталях подвески, кото­ рое может быть довольно значительным.

Форма неровностей, их размеры и расположение имеют слу­ чайный характер и не поддаются аналитическому расчету. Поэтому

102

покрытия, а также продольный профиль дороги. Поэтому введено понятие о силе сопротивления дороги jР„, равной сумме сил Рк ц Рп:

Выражение в скобках называют коэффициентом сопротивления дороги п обозначают буквой ф. Поэтому сила сопротивления дорога

(в Н)

а мощность сопротивления дороги (в кВт)

Пример. Определить силу и мощность сопротивления дороги при дви­ жении рассчитываемого легкового автомобиля со скоростью 10 м/с по дороге с асфальтобетонным покрытием в удовлетворительном состоянии, если угол подъема дороги равен 3°30'. Коэффициент сопротивления качению / = 0,02.

Коэффициент сопротивления дороги

ф = / cos а д + sin а д = 0,02 • 0,998 + 0,061 = 0,081.

Сила сопротивления дороги

/ >a = i|)G= 0,081 ■1790 = 1450 Н.

Мощность сопротивления дороги

с силой сопротивления качению. Поэтому коэффициент ф, учиты­ вающий обе эти силы, имеет в практических расчетах большое значение.

§ 5. СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Движение автомобиля связано с перемещением частиц воздуха, на что расходуется часть мощности двигателя. Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следую­ щих составляющих:

лобового сопротивления, которое вызвано разностью давлений воздуха спереди и сзади движущегося автомобиля (около 55—60% всего сопротивления воздуха);

сопротивления, создаваемого выступающими частями: поднож­ ками, крыльями, номерным знаком (12—18%);

сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10—15%);

трения наружных поверхностей о близлежащие слон воздуха

(8- 10%);

сопротивления, вызванного разностью давлений сверху и снизу автомобиля (5—8%).

Для упрощения расчетов элементарные силы сопротивления воздуха, распределенные по всей поверхности автомобиля, заме­

104

няют сосредоточенной силой сопротивления воздуха Рв. Точку при­ ложения силы Рв называют центром парусности автомобиля.

Опытным путем установлено, что сила сопротивления воздуха

(в Н)

где кв — коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обте­ каемости), зависящий от формы и качества отделки по­ верхности автомобиля, в Н -с2/м4;

Fв — лобовая площадь автомобиля в м2.

Коэффициент обтекаемости кв численно равен силе сопротив­ ления воздуха в Н, создаваемой одним квадратным метром лобовой площади автомобиля, при его движеипи со скоростью 1 м/с.

Рис. 45. Лобовые площади автомобилей:

а —легкового; б —грузового

Лобовой площадью FBавтомобиля называют площадь его проек­ ции на плоскость, перпендикулярную к продольной осп автомобиля (рис. 45). Определить точное значение лобовой площади довольно трудно, так как для этого нужно произвести обмер автомобиля и вычертить его наружный контур. Поэтому для определения пло­ щади FB(в м2) грузового автомобиля (рис. 45, б) пользуются при­ ближенной формулой

где В — колея в м, а На — наибольшая высота автомобиля в м. Для легковых автомобилей с этой целью пользуются формулой

(рис. 45, а)

FB= 0,78-BaHa,

где Ва — наибольшая ширина автомобиля в м.

Произведение /^„называют фактором обтекаемости и обозна­ чают буквой WB.

Средние значения kB, FB, и WBприведены в табл. 6.

105

Мощность (в кВт), необходимая для преодоления сопротивле­ ния воздуха:

в аэродинамической трубе. Схема продувки автомобиля показана на рис. 46, а. Автомобиль 4 подвешивают внутри аэродинамиче­ ской трубы 7, в которой установлен вентилятор 3 с электродвига­ телем 2. Направляющая решетка 6 выпрямляет струи воздуха, устраняя его завихрения при входе в трубу. Поток воздуха, соз­ даваемый вентилятором, стремится сдвинуть автомобиль с такой же силой Р в, которая действует на автомобиль при его движении со скоростью, равной скорости воздушного потока. Определив по показаниям весов 5 силу Рв, а по анемометру 7 — скорость воздушного потока и зная величину лобовой площади автомобиля, можно по формуле (105) вычислить коэффициент кв. При продувке автомобиля в натуральную величину необходимы труба больших размеров и мощные вентиляторы для создания значительных воздушных потоков, движущихся с большой скоростью. Поэтому обычно продувают пе автомобиль, а его модель в 1/5—V10 нату­ ральной величины.

106

Модель, подвешенную к трубе, воздух омывает со всех сторон, тогда как на дороге воздух обтекает автомобиль в основном сверху и по боковым сторонам. Верхние слои воздуха, которые нахо­ дятся между автомобилем п дорогой, автомобиль увлекает за собой; нижние же слои, расположенные около поверхности дороги, ос­ таются неподвижными. Поэтому величина коэффициента А’в, опре-

Рпс. 46. Аэродинамические испытания автомобиля:

а — схема аородинаишческой трубы; б — расположение моделей автомобиля в аэро­ динамической трубе; 1 — аэродинамическая труба; a — электродвигатель; з — вен­ тилятор: 4 — автомобиль; 5 — весы; 6 — направляющая решетка: 7 — анемометр

деленная продувкой одиночной модели, получается меньше дейст­ вительной. Для устранения этого недостатка продувают пе одну, а две модели, расположенные одна над другой (рис. 46, б).

С целью улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивле­ ния воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно,

Рис. 47. Обтекаемость идеально обтекаемого тела и автомобилей различных типов

а выступающие детали устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У гоночных автомобилей число выступаю­ щих частей уменьшают до минимума, а заднюю часть кузова делают вытянутой, добиваясь плавного ее обтекания' возду­ хом.

Силу сопротивления воздуха у грузовых автомобилей можно уменьшить, закрыв грузовую платформу брезенто.м, натянутым

107

между крышей кабины и задним бортом, илн используя специаль­ ные щитки (обтекатели), уменьшающие завихреиия воздуха.

Примеры обтекания воздухом различных автомобилей пока­ заны на рис. 47.

§ 6. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Уравнение движения автомобиля является основным в тяговой динамике. Оно связывает силы, движущие автомобиль, с силами сопротивления движению и позволяет определить характер дви­ жения автомобиля в каждый момент времени. При изучении дина­ мичности автомобиля считают, что его возможности ограничены лишь мощностью двигателя и сцеплением ведущих колес с дорогой. Остальные ограничения, накладываемые, например, требованиями безопасности движения или комфортабельности, не учитывают.

Рис. 48. Силы и моменты, действующие на автомобиль

В связи с этим в настоящем разделе рассмотрено лишь прямоли­ нейное движение автомобиля. Особенности криволинейного дви­ жения и его влияние на показатели динамичности изложены в гла­ вах, посвященных устойчивости и управляемости автомобиля

(см. гл. XIII и XIV).

Рассмотрим силы и моменты, действующие на автомобиль на подъеме во время его разгона (рис. 48). К центру тяжести авто­ мобиля приложена сила тяжести G = M ag, а также сила инер­ ции Р,', поступательно движущихся масс, направленная проти­ воположно ускорению. Величина силы инерции (в Н)

где М а — масса автомобиля в кг; 7 — ускорение в м/с2.

К колесам приложены моменты сопротивления качению М К1 и М „2, а также моменты инерции М и1 и М П2. Со стороны дороги на шины действуют нормальные реакции Zx и Z2 и касательные реакции Х х и Х 2. Сила сопротивления воздуха Рв приложена

108

к центру парусности автомобиля на высоте hn. Кроме того, к бук­ сирному крюку автомобиля может быть приложена сила Р1ф соп­

рую нужно приложить к автомобилю, чтобы сообщить-ему уско­ рение, равное /. Сравпивая его с силой Р'а, можно убедиться в том, что выражение в скобках показывает, во сколько раз энер­ гия, затрачиваемая при разгоне вращающихся и поступательно движущихся деталей автомобиля, больше энергии, необходимой для разгона автомобиля, все детали которого движутся только поступательно. Таким образом, это выражение учитывает влияние вращающихся масс, что дает основание назвать его коэффициен­

Энергия, затрачиваемая на разгон вращающихся деталей дви­ гателя на прямой передаче, в 2—3 раза, а на низших передачах — в 8—10 раз больше энергии, расходуемой на разгон колес.

Ю9