Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Эксплуатационные свойства автомобиля: Учебное пособие

Голосов: 2

В первой и второй главах пособия рассмотрены методы расчета эксплуатационных свойств автомобиля, такие как мощность двигателя, сопротивление движению, расчет передаточных чисел в трансмиссии, топливная экономичность. В третьей главе дан анализ конструктивных факторов, влияющих в той или иной степени на активную безопасность автомобиля. Акцент сделан не на расчет этих параметров, а на установление причинно-следственных связей между ними, что очень важно для студентов, желающих "понять" автомобиль. В четвертой главе рассмотрены общие принципы расчета жесткости подвески, приведена методика расчета упругой характеристики пневматической подвески, рассмотрены конструкции современных амортизаторов. Пособие предназначено для студентов всех форм обучения и его следует рассматривать как дополнение к ранее изданному конспекту лекций по "Теории автомобиля".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
     федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
                   высшего профессионального образования
 «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»




                        А. Ш. Хусаинов



        ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
       СВОЙСТВА АВТОМОБИЛЯ
                         Учебное пособие

Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин
и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия
         для студентов вузов, обучающихся по специальности
                «Автомобиле- и тракторостроение»




                              Ульяновск
                               УлГТУ
                                2011


 УДК 629.113 (075.8)
 ББК 39.33-01я73
   Х-98




       Рецензенты:
       генеральный директор ООО «УНИТЕК» д-р техн. наук Епифанов В. В.,
       зав. каф. «Проектирование и сервис автомобилей» УлГУ,
       д-р техн. наук Антонов И. С.




     Хусаинов, А. Ш.
            Эксплуатационные свойства автомобиля : учебное пособие для сту-
     дентов направления «Наземные транспортно-технологические комплексы»
Х-98
     по профилю 190100.62 – Автомобиле- и тракторостроение / А. Ш. Хусаи-
     нов. – Ульяновск : УлГТУ, 2011. – 109 с.
           ISBN 978-5-9795-0888-7
             В первой и второй главах пособия рассмотрены методы расчета эксплуатацион-
      ных свойств автомобиля, такие как мощность двигателя, сопротивление движению,
      расчет передаточных чисел в трансмиссии, топливная экономичность. В третьей главе
      дан анализ конструктивных факторов, влияющих в той или иной степени на активную
      безопасность автомобиля. Акцент сделан не на расчет этих параметров, а на установле-
      ние причинно-следственных связей между ними, что очень важно для студентов, же-
      лающих «понять» автомобиль. В четвертой главе рассмотрены общие принципы расче-
      та жесткости подвески, приведена методика расчета упругой характеристики пневма-
      тической подвески, рассмотрены конструкции современных амортизаторов.
             Пособие предназначено для студентов всех форм обучения и его следует рас-
      сматривать как дополнение к ранее изданному конспекту лекций по «Теории автомобиля».

                                                                      УДК 629.113 (075.8)
                                                                        ББК 39.33-01я73




                                                                  © Хусаинов А. Ш., 2011
  ISBN 978-5-9795-0888-7                                      © Оформление. УлГТУ, 2011
                                            2


ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................................................................................................... 4
1. Тяговый расчет автомобиля ................................................................................................ 5
   1.1. Расчет необходимой мощности двигателя ................................................................. 5
      1.1.1. Коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля ........................... 5
      1.1.2. Коэффициент сопротивления качению колес ..................................................... 6
      1.1.3. Сила сопротивления воздуха .............................................................................. 10
      1.1.4. Расчет мощности двигателя ................................................................................ 13
     1.1.4.1. Расчет мощности двигателя по максимальной скорости автомобиля ......... 13
      1.1.4.2. Расчет мощности двигателя по динамическому фактору автомобиля ........ 14
      1.1.4.3. Выбор двигателя по результатам расчетов..................................................... 18
      1.1.5. Расчет внешней скоростной характеристики двигателя .................................. 19
   1.2. Расчет передаточных чисел в трансмиссии .............................................................. 21
   1.3. Мощностной и силовой балансы автомобиля .......................................................... 26
   1.4. Динамический паспорт автомобиля .......................................................................... 32
   1.5. Разгонная характеристика автомобиля ..................................................................... 34
   Контрольные вопросы ....................................................................................................... 39
2. Топливная экономичность автомобиля ........................................................................... 41
   Контрольные вопросы ....................................................................................................... 47
3. Активная безопасность автомобиля ................................................................................. 48
   3.1. Тормозные системы современных автомобилей ..................................................... 48
   3.2. Эффективность тормозных механизмов ................................................................... 57
   3.3. Основы управляемости и устойчивости автомобиля .............................................. 61
      3.3.1. Силовой увод шин ............................................................................................... 61
      3.3.2. Кинематический увод шины ............................................................................... 66
      3.3.3. Кинематический увод оси ................................................................................... 68
      3.3.4. Кинематика и эластокинематика шасси автомобиля ....................................... 70
      3.3.4.1. Подвеска............................................................................................................. 70
      3.3.4.2. Рулевое управление .......................................................................................... 77
      3.3.5. Поворачиваемость автомобиля........................................................................... 84
   3.4. Системы контроля управляемости и устойчивости современных автомобилей .. 88
   Контрольные вопросы ....................................................................................................... 91
4. Плавность хода автомобиля .............................................................................................. 93
   4.1. Жесткость подвески .................................................................................................... 93
   4.2. Приведение жесткости подвески к жесткости колеса ............................................. 94
   4.3. Характеристика упругости подвески легкового автомобиля ................................. 94
   4.4. Характеристика пневматического упругого элемента рукавного
   (диафрагменного) типа ...................................................................................................... 96
   4.5. Амортизаторы.............................................................................................................. 99
   Контрольные вопросы ..................................................................................................... 104
Предметный указатель ........................................................................................................ 105
Справочник терминов .......................................................................................................... 107
Библиографический список ................................................................................................ 109




                                                                          3


Введение

      Пособие подготовлено в соответствии с рабочей программой дисциплины
«Теория автомобиля» и одноименным конспектом лекций [1], включающим де-
сять тем:
       1. Теория качения эластичного колеса.
       2. Внешние силы, действующие на автомобиль.
       3. Динамика автомобиля.
       4. Топливная экономичность автомобиля.
       5. Тяговый расчет автомобиля.
       6. Проходимость автомобиля.
       7. Торможение автомобиля.
       8. Устойчивость автомобиля.
       9. Управляемость автомобиля.
       10. Плавность автомобиля.
      В пятой теме – квинтэссенция первых четырех тем, причем материал
весьма кратко изложен в порядке, необходимом для проведения только тягово-
го расчета автомобиля. Однако для проведения студентом расчетов эксплуата-
ционных свойств автомобиля, таких как тормозные свойства, устойчивость,
управляемость, плавность хода, необходимого при выполнении курсовой рабо-
ты по «Теории автомобиля», курсового проекта по «Конструированию и расче-
ту автомобиля» и при дипломном проектировании, этих материалов не доста-
точно. Поэтому назрела необходимость подготовки данного пособия.
      Целью настоящего пособия является формирование у студентов знаний,
умений и навыков по анализу и выбору параметров автомобиля, обеспечиваю-
щих реализацию заданных показателей эксплуатационных свойств.
     В результате освоения пособия «Эксплуатационные свойства автомобиля»
студенты должны
     иметь представление:
      об эксплуатационных свойствах современных автомобилей, их важности
и взаимосвязи между ними;
     знать:
      методы оценки эксплуатационных свойств автомобилей;
      роль и значение эксплуатационных свойств автомобиля, тенденции их
развития;
      методику расчета топливной экономичности автомобиля;
      методику расчета тормозных свойств автомобиля;
      методику расчета нагрузочной характеристики подвески;



                                    4


     уметь:
      анализировать и рассчитывать кинематическую схему узлов и агрегатов
автомобиля;
      выбирать параметры автомобиля, оценивать его потребительские свойства;
     получить навыки:
      для самостоятельного решения задач в области проектирования парамет-
ров автомобиля, использования технических регламентов [2], нормативных до-
кументов ЕЭК ООН, справочной литературы и других информационных источ-
ников при выборе и расчете основных параметров автомобиля, компьютерной
техники в режиме пользователя для выполнения расчетов параметров автомо-
биля в курсовом и дипломном проектировании.


1. Тяговый расчет автомобиля

1.1. Расчет необходимой мощности двигателя
      Для выполнения расчета мощности двигателя, необходимой для дости-
жения заданной динамики автомобиля и его максимальной скорости, нужно
знать коэффициенты полезного действия (КПД) трансмиссии, сопротивления
качению колес и лобового (аэродинамического) сопротивления. Эти коэффици-
енты аналитически точно вычислить невозможно из-за большого числа влияю-
щих факторов. Поэтому их определяют эмпирически. Рассмотрим некоторые
альтернативные методы определения вышеперечисленных коэффициентов.

1.1.1. Коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля
      КПД трансмиссии существенно зависит от ее конструкции, передаваемо-
го крутящего момента, скорости автомобиля (угловой скорости валов), темпе-
ратуры масла и других факторов [3, 4]:
                                                           FTp 0  V  kTp  V 2
                       тр  0,98 z  0,97 k  0,995 n                            ,   (1.1)
                                                                    Pe

где z, k, n – число цилиндрических (прямозубых или косозубых) и конических
(с круговыми зубьями или гипоидные) передач, карданных шарниров соответ-
ственно; FTp0 – сила трения в трансмиссии, приведенная к колесам, при скоро-
сти, близкой к нулю, Н; kTp – коэффициент связи скорости V и силы трения в
трансмиссии, Н·с/м; Pe – мощность, развиваемая двигателем на скорости V, Вт;
V – скорость автомобиля, м/с.
       Первая часть выражения (1.1) учитывает потери, обусловленные трением
в узлах и агрегатах трансмиссии, передающих нагрузку (зубчатых зацеплениях,
карданных шарнирах, подшипниках без предварительного натяга).
       В числителе второй части выражения (1.1) первое слагаемое характеризу-

                                               5


ет трение в сальниках и подшипниках, имеющих предварительный натяг. Вто-
рое слагаемое определяет гидравлические потери, вызванные перемешиванием масла.
      Величины FTp0 и kTp определяют экспериментально на режиме выбега.
Для этого автомобиль вывешивают на подъемнике, разгоняют ведущие колеса
на прямой (высшей) передаче почти до максимальной скорости, выключают
передачу и с помощью специальной регистрирующей аппаратуры осуществля-
ют запись изменения угловой скорости колес по времени.
      Для получения расчетных зависимостей величин FTp0 и kTp необходимо
составить и решить систему линейных уравнений. Зависимость силы трения в
трансмиссии от скорости автомобиля V (окружной скорости колес) примем
(в первом приближении) линейной
                              FTp  FTp 0  kTp  V .                               (1.2)

     Левую часть выражения (1.2), согласно второму закону Ньютона, можно
записать через угловое ускорение ε, учитывая ε = dω/dt и ω = V/rk:
                                                J mp      J dV
                              FTp  m  a              mp    ,                 (1.3)
                                                 rk        rk2 dt
где Jтр – момент инерции трансмиссии на нейтральной передаче в коробке пе-
редач (КП), приведенный к колесам, кг·м2; rk – кинематический радиус колес, м.
      Записав в систему уравнений зависимости (1.3) силы трения в трансмис-
сии от скорости для двух разных скоростей движения автомобиля V1 и V2, ре-
шаем ее относительно искомых величин:
                                                             dV2 dV1  J mp
                 dV1 J mp                                            
                 dt  r 2  FTp 0  kTp  V1       kTp     dt    dt  rk2
                                                   
                
                        k
                                                                V2  V1           (1.4)
                 dV2 J mp                          
                           FTp 0  kTp  V2 ,                dV J
                 dt rk2
                                                    FTp 0  1  mp  kTp  V1 ,
                                                    
                                                              dt rk2
где V1 = (0,2…0,3)Vmax , V2 = (0,7…0,8)Vmax; Vmax – максимальная скорость авто-
мобиля, м/с.
      Часто переменные факторы в учебных (!) задачах не учитывают из-за
сложности их экспериментального определения, а определяют КПД лишь для
режима полного нагружения трансмиссии:
                              тр  0,98 z  0,97 k  0,995n .                      (1.5)



1.1.2. Коэффициент сопротивления качению колес
     При качении эластичного колеса по твердой поверхности на деформацию

                                            6


резины затрачивается некоторое количество энергии, которая выделяется в ви-
де теплоты – шина нагревается. Эта потеря энергии проявляется в виде силы
сопротивления качению Fk этого колеса.
      Сила сопротивления Fk зависит от множества факторов, наиболее значи-
мыми из которых являются конструкция шины, нагрузка на колесо Gk и ско-
рость его качения (скорость автомобиля):
                          Fk = fk · Gk;      fk = f0 · (1 + Af · V2),                  (1.6)
где fk – коэффициент сопротивления качению эластичного колеса по твердой
поверхности при скорости V; f0 – коэффициент сопротивления качению при
скорости, близкой к нулю, учитывающий конструкцию (свойства) шины и ка-
чество дороги (табл. 1.1); Af – коэффициент влияния скорости (табл. 1.2), с2/м2.

                                                                                 Таблица 1.1
         Коэффициент f0 сопротивления качению эластичного колеса*
             Состояние сухой асфальтобетонной        хорошее       0,008…0,015
             дороги                                  удовл.        0,015…0,030
             Обледенелая асфальтобетонная дорога                   0,015…0,020
             Гравий укатанный                                      0,020…0,025
                                                     хорошее       0,025…0,030
             Состояние булыжника
                                                     удовл.        0,035…0,050
                                                     сухая         0,025…0,035
             Укатанная грунтовка
                                                     мокрая        0,050…0,150
*
 Меньшие значения соответствуют шинам бо́льшего диаметра (например, R20), с бо́льшим
давлением (600…800 кПа), с более насыщенным рисунком протектора («слик» или шины для
сухих дорог), с ме́ньшей глубиной протектора (изношенные), радиальной конструкции.
                                                                                 Таблица 1.2
                                                                   *
                         Коэффициент Аf влияния скорости
                          Тип           Размерность скорости V
                      автомобиля       км/ч              м/с
                                              –5
                       Легковой     (4…5) · 10      (5,1…6,5) · 10–4
                                              –5
                       Грузовой     (2…3) · 10      (2,6…3,9) · 10–4
*
    Меньшие значения соответствуют шинам с бо́льшим индексом скорости.
      Как видно из табл. 1.1, коэффициент f0 сопротивления качению зависит от
качества и состояния дорожного покрытия: чем оно ровнее, тем меньше сопро-
тивление качению. Это объясняется тем, что каждую локальную неровность
покрытия дороги шина огибает, деформируется: чем больше неровностей, тем
больше локальных деформаций шины и тем больше потери на внутреннее тре-
ние в шине, следовательно, больше и f0.
      Зависимость fk(V), описанная линейным уравнением (1.6), не совсем точ-
на: при малых скоростях качения (менее 30 км/ч) реальные значения fk оказы-
ваются меньше расчетных (рис. 1.1). Это связано, по-видимому, с влиянием
центробежных сил: на малых скоростях центробежные силы не велики, брекер
                                            7


 шины не сильно натянут и поэтому гнется, огибая неровности дороги. Резина
 протектора сжимается незначительно. С ростом скорости натяжение брекера
 увеличивается, колесо «округляется», площадь пятна контакта шины с дорогой
 уменьшается, из-за чего контактные давления растут, при этом резина протек-
 тора сильно деформируется. При скорости больше 140 км/ч могут возникнуть
 колебания беговой дорожки шины, что приведет к росту fk. График (см.
 рис. 1.1) получен для радиальных шин легковых автомобилей. Для шин диаго-
                                                  нальной конструкции коэффици-
   0,06                                           ент сопротивления качению выше
                                                  на 20…30%.
   0,05
                 Полином                                При изменении давления в
   0,04          fk=f0(1+Af ·V2)
                                                  шине и/или нагрузки ее профиль
   0,03                                           деформируется: при номинальных
   0,02                                           давлении и нагрузке, пятно кон-
fk                                                такта шины с дорогой будет «иде-
   0,01                 Отклонение
                        от полинома               альным» (рис. 1.2, а). При недос-
      0                                           таточном давлении или при пере-
        0      10     20      30   40   50 м/с 60
                                                  грузке – беговая дорожка проги-
        0       50        100       150 км/ч 200  бается внутрь шины (рис. 1.2, б),
                        V                         при избыточном давлении или не-
 Рис. 1.1. Экспериментальная зависимость коэффи-
циента сопротивления качению f эластичной шины
                                                  догрузке – наружу (рис. 1.2, в).
                                  k
  по твердой поверхности от скорости качения V

Учесть влияние давления в шине и нагрузки на нее позволяет следующая зави-
симость [7]:
                            k          550 000  90  Gk 1100  0 ,0388  Gk 2  ,   (1.7)
                   fk          5,1 
                                                                           V 
                          1000                pш                 pш            

где k – коэффициент, учитывающий конструкцию шины; Gk – вертикальная на-
грузка на колесо, Н; pш – давление в шине, Па; V – скорость качения (автомоби-
ля), м/с.
       Сравнительный анализ коэффициентов сопротивления качению, полу-
ченных с помощью зависимостей (1.6) и (1.7), показал, что зависимость (1.7)




                 а)                           б)                           в)
     Рис. 1.2. Влияние давления в шине (или нагрузки на нее) на форму сечения ее беговой
      дорожки: а) при номинальных давлении и нагрузке; б) при недостаточном давлении
                  или перегрузке; в) при избыточном давлении или недогрузке

                                                  8


дает заниженный результат для легковых автомобилей (табл. 1.3), так как она
получена для шин грузовых автомобилей.

                                                                                     Таблица 1.3
                                                                              *
                    Расчет коэффициента сопротивления качению
       Загрузка автомобиля Давление в передней / По зависимо- По зависимости (1.7) для
          (развесовка, %)      задней шине рш, кПа        сти (1.6)**   передней / задней шины
      Снаряженный (55/45)                                                    0,01064/0,01042
                                     210/210
                                                           0,014244          0,01092/0,01126
      Груженый (45/55)
                                     220/230                                 0,01061/0,01063
    *
       При скорости 27,7 м/с (100 км/ч); f0 = 0,010; Af = 0,00055; k = 0,8; перераспределения
       нагрузки между левыми и правыми, передними и задними колесами нет.
    **
       Ее учитывает давление в шине и нагрузку на нее.

      Для шин легковых автомобилей следует выбирать поправочный коэффи-
циент k значительно больше, чем рекомендуется в [7] для радиальных шин. На-
пример, если назначить k = 1,2*, то при нулевой скорости по (1.7) получим f0 =
0,01, что соответствует общепринятым значениям коэффициента для летних
шин R16…R18 современных легковых автомобилей; если k = 1,7, то f0 = 0,015
(шины R14…R15); если k = 2, то f0 = 0,018 (шины шипованные или с развитым
(внедорожным) протектором). Применение скорректированного коэффициента
k позволяет «раскрыть» все достоинства зависимости (1.7) перед (1.6), более
точно оценивая управляемость автомобиля при изменении развесовки (про-
дольной и/или поперечной) автомобиля, проявляющейся при динамичном про-
хождении поворота.
      Водители часто пренебрегают заводской рекомендацией, касающейся по-
вышения давления в шинах при полной загрузке автомобиля. Между тем, по-
вышение давления на 10…20 кПа (0,1…0,2 атм) дает 3…6% снижения коэффи-
циента сопротивления качению (см. табл. 1.3, столбец 4, строки 2 и 3). Конечно,
снижение незначительное, особенно если учесть еще и аэродинамическое со-
противление. Однако пренебрегать рекомендацией все равно нельзя, потому
что давление в шинах не просто влияет на управляемость, а определяет ее!
      Экспериментально определить коэффициент сопротивления качению
можно, проведя записи замедлений (a1 и а2) автомобиля с грузом (m1) и без него
(m2) на некоторой скорости. Так как груз находится внутри автомобиля, то аэ-
родинамическое сопротивление автомобиля Fw не изменяется, но изменяется
нагрузка на колеса, что изменяет силу сопротивления качению колес. Для дан-
ной скорости движения составляется система уравнений



*
 Для назначения коэффициента k > 0,8 (радиальные шины) требуются дополнительные ис-
следования.
                                                 9


              m1  a1  f k  m1  g  Fw              m  a  m2  a 2
                                           откуда f k  1 1             .        (1.8)
              m2  a 2  f k  m2  g  Fw               g m1  m2 
     Проведя вычисления для всего диапазона скоростей получают зависи-
мость коэффициента сопротивления качению от скорости. Если поварьировать
давлением в шинах и массой груза, то можно получить регрессионную зависи-
мость, подобную (1.7).

1.1.3. Сила сопротивления воздуха
      При движении автомобиля воздушная среда оказывает сопротивление его
перемещению. Сопротивление окружающей среды обусловлено трением в при-
легающих к поверхностям автомобиля слоях воздуха, сжатием воздуха перед
автомобилем, разрежением за ним, вихреобразованием вокруг выступающих
частей автомобиля и вокруг него в целом.
      Аэродинамическое сопротивление автомобиля оценивается двумя его ха-
рактеристиками: коэффициентом обтекаемости сх и площадью миделева (попе-
речного) сечения автомобиля А.
      Коэффициент аэродинамического сопротивление автомобиля имеет пять
составляющих, которые оценивают только при доработке аэродинамики кузова*:
         Сопротивление формы – 52%.
Для современных автомобилей наиболее значимый параметр. Наилучшими показателями
обладают автомобили, кузова которых имеют носовой и кормовой обтекатели, а ширина и
высота кузова к корме сужается (каплевидная форма).
            Интерференционное сопротивление – 16%.
Вызвано увеличением скорости потока воздуха в процессе обтекания кузова. Например, ско-
рость потока воздуха, стекающего с лобового стекла на боковое зеркало выше скорости ав-
томобиля на 30…50 %. Так как сила сопротивления воздуха зависит от квадрата скорости,
следовательно, аэродинамическое сопротивление зеркала, расположенного в таком потоке
выше в 1,7…2,25 раза по сравнению с зеркалом, отодвинутым от этого потока (от лобового
стекла) хотя бы на 200…300 мм.
            Индуктивное сопротивление – 15%.
Определяется количеством кинетической энергии, необходимым для сообщения потоку ско-
рости, перпендикулярной направлению движению автомобиля (вверх–вниз, вправо–влево).
            Поверхностное сопротивление – 5%.
Определяется неровностями поверхности, обтекаемой потоком воздуха. У современных ав-
томобилей стекла вклеены в проем кузова (что, кроме улучшения аэродинамики автомобиля,
увеличивает жесткость кузова на кручение), зазоры между панелями кузова минимальны, а
сами они выровнены друг относительно друга, ручки дверей утоплены, днище кузова выров-
нено и т. д. Все эти мероприятия снижают поверхностное сопротивление.
            Сопротивление внутренних течений – 12%.
Определяется сопротивлением потоку через радиаторы (двигателя, кондиционера, автомати-
ческой КП), обтеканием элементов подвески, выхлопной системы, тормозных механизмов,
салона (через климатическую систему и/или открытые окна) и т. д.
*
    Численные значения даны на примере автомобиля типа ВАЗ–2109.
                                              10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика