1. Силы, действующие на автомобиль
При движении автомобиля касательная сила тяги Рк уравновешивается силами сопротивления, которые могут быть представлены следующей суммой:
Pк = Pf + Pw + PA + Pj,
где Pf = Pf1 + Pf2 – сила сопротивления качению автомобиля; Pw – сила сопротивления воздуха; PA – сила сопротивления подъему; Pj – сила инерции.
Последнее слагаемое Pj можно интерпретировать как силу сопротивления разгону.
Силы, действующие на автомобиль в общем случае при движении его на подъем с углом A со скоростью V, показаны в прямоугольной декартовой системе координат ХОZ на рис. 1. Обозначения на рис. 1: G – вес автомобиля; hg – высота центра масс (тяжести); hw – высота действия результирующей силы сопротивления воздуха; Rz1, Rz2 – реакции соответственно на колесах передней и задней осей от действия поперечной составляющей силы тяжести автомобиля GCosA; L1 – расстояние от передней оси до плоскости, проходящей через центр тяжести; L2 – расстояние от задней оси до плоскости, проходящей через центр тяжести; L = L1 + L2 – база автомобиля.
Рис. 1. Силы, действующие на автомобиль в общем случае движения
1.1. Внешние скоростные характеристики двигателя
Сила тяги на ведущих колесах автомобиля зависит от развиваемого двигателем крутящего момента. Характер изменения этой силы будет определяться видом внешних скоростных характеристик, которые представляют собой зависимости крутящего момента, мощности, часового и удельного расходов топлива двигателя от частоты вращения коленчатого вала. Скоростные характеристики двигателя определяются экспериментально или строятся по одной из эмпирических формул, предложенных различными авторами.
На практике наиболее часто используется эмпирическая формула, предложенная Лейдерманом С.Р., которая позволяет построить внешнюю скоростную характеристику двигателя внутреннего сгорания, если известна максимальная мощность двигателя и соответствующая ей частота вращения коленчатого вала. Формула Лейдермана С.Р. имеет следующий вид:
,
(1)
где nN – частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности, об/мин; Nmax – максимальная мощность двигателя, кВт; Ne, ne – текущие значения мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя; A1, A2 – коэффициенты, характеризующие тип двигателя (см. табл. 1).
Таблица 1 – Коэффициенты, характеризующие тип двигателя
Тип двигателя |
Коэффициент |
|
|
A1 |
A2 |
Карбюраторный |
1 |
1 |
Дизельный с непосредственным впрыском |
0,5 |
1,5 |
Дизель с предкамерой |
0,6 |
1,4 |
Дизель с вихревой камерой |
0,7 |
1,3 |
Крутящий момент Me двигателя на режимах внешней характеристики вычисляют по формуле:
Н*м,
(2)
а удельный расход топлива по формуле
г/(кВт*ч),
(3)
где
– эффективный удельный расход топлива
при максимальной мощности двигателя
Nmax;
А* – величина, зависящая от способа
воспламенения горючей смеси: А* = 1,2 –
для карбюраторных двигателей внутреннего
сгорания и А* = 1,55 – для дизелей.
Вычисленные по формулам (1), (2) и (3) значения мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива двигателя представляют графически как функции частоты вращения коленчатого вала двигателя в виде внешних характеристик. Вид внешних скоростных характеристик для карбюраторного двигателя показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешние скоростные характеристики карбюраторного двигателя
На характеристиках отмечены максимальная nmax и минимально устойчивая nmin частоты вращения коленчатого вала. Крутящий момент двигателя достигает максимального значения Mmax при частоте вращения коленчатого вала, равной nM. Максимальному значению мощности Nmax соответствует частота вращения коленчатого вала двигателя, равная nN, а минимальному удельному расходу топлива gmin – частота вращения ng.
Скоростные характеристики мощности и крутящего момента дизеля отличаются тем, что они ограничены справа регуляторной ветвью. Эта ветвь характеристик приближенно может быть аппроксимирована прямыми линиями, наклон которых определяет степень неравномерности регулятора:
,
где
nxx
– максимальная частота вращения
коленчатого вала на режиме холостого
хода, об/мин;
.
Скоростные характеристики дизеля, имеющего регулятор частоты вращения коленчатого вала, называются регуляторными характеристиками.
Для построения регуляторных характеристик дизеля можно рекомендовать следующий порядок расчета. Левые (безрегуляторные) ветви рассчитываются по формулам (1), (2) и (3). Максимальная частота вращения вала двигателя на режиме холостого хода определяется по формуле:
,
где
= 0,05
0,07.
Точки крутящего момента и мощности, соответствующие nN и nxx, соединяют прямыми линиями. Характеристику удельного расхода топлива можно также продолжить прямой линией, стремящейся к бесконечности при стремлении частоты вращения коленчатого вала двигателя к значению, равному nxx. Вид регуляторных характеристик дизеля показан на рис. 3.
Следует иметь в виду, что внешние и регулярные характеристики соответствуют наибольшим часовым расходам топлива двигателем.
Между теоретической скоростью движения автомобиля и частотой вращения коленчатого вала двигателя существует следующая зависимость:
,
(4)
где rд – динамический радиус колеса, м; iк – передаточное число коробки передач включенной передачи; i0 – передаточное число главной передачи; iр – передаточное число раздаточной коробки (если у автомобиля раздаточная коробка отсутствует, то берется iр = 1).
Динамический радиус колеса rд, определенный при движении автомобиля и равный расстоянию от центра колеса до опорной плоскости, мало отличается от статического радиуса и для практических расчетов их можно принять равными.
В табл. 2 приведены значения передаточных чисел и динамического радиуса колеса для некоторых марок отечественных автомобилей.
Рис. 3. Регуляторные характеристики дизеля
Таблица 2 – Передаточные числа, динамический радиус и рабочий диапазон частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобилей
Марка автомо-биля |
Рабочий диапазон частоты вращения вала двигателя, об/мин |
Динамический ра-диус колеса, м |
Передаточные числа |
|||||
|
ne |
rд |
i0 |
i1 |
i2 |
i3 |
i4 |
i5 |
ЗАЗ-968 |
700-4400 |
0,278 |
4,125 |
3,8 |
2,12 |
1,409 |
0,964 |
--- |
ВАЗ-2106 |
800-5200 |
0,278 |
4,1 |
3,24 |
1,989 |
1,289 |
1,0 |
--- |
Москвич - 412 |
750-5800 |
0,281 |
4,22 |
3,49 |
2,04 |
1,33 |
1,0 |
--- |
ИЖ - 2126 |
750-5800 |
0,284 |
3,9 |
3,19 |
1,864 |
1,329 |
1,0 |
0.806 |
ИЖ - 2717, ИЖ - 27171 |
750-5800 |
0,298 |
4,2 |
3,19 |
1,864 |
1,329 |
1,0 |
0.806 |
ГАЗ-53А |
600-3200 |
0,465 |
6,83 |
6,55 |
3,09 |
1,71 |
1,0 |
--- |
ЗИЛ-130 |
600-3200 |
0,485 |
6,32 |
7,44 |
4,1 |
2,29 |
1,47 |
1,0 |
МАЗ -500 |
700-2100 |
0,537 |
7,73 |
7,14 |
3,53 |
1,88 |
1,0 |
0,72 |
КамАЗ -5320 |
600-2600 |
0,485 |
5,94 |
7,82 |
4,03 |
2,50 |
1,53 |
1,0 |