ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЯ : «Автомобили» Курс лекций по дисциплине: «Автомобили» Раздел 2. Теория эксплуатационных свойств Лектор – к.т.н., доцент кафедры «Автомобили и тракторы» Грошев Анатолий Михайлович 1

Теория автомобиля – наука о физических явлениях, протекающих при взаимодействии автомобиля с опорной поверхностью и окружающей средой. Изучаются: Зависимости, описывающие движение автомобиля Влияние основных конструктивных параметров на показатели и характеристики основных эксплуатационных свойств Основные эксплуатационные свойства: Тягово-скоростные свойства Тормозные свойства Топливная экономичность Управляемость Устойчивость Маневренность Плавность хода Проходимость 2

Основоположники теории автомобиля как науки Жуковский Н.Е. – начало 20 века Чудаков Е.А. – академик, автор первого в мире учебника «Теория автомобиля» 1935 г., основатель НАМИ, зав. кафедрой «Автомобили» МАМИ Гиттис В.Ю. Яковлев Н.А. Зимелев Г.В. Фалькевич Б.С. – МАМИ Гришкевич А.И. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. – МАДИ Смирнов Г.А., Антонов А.С, Аксенов П.В. и др. 3

Рекомендуемая литература 1. Кравец В.Н., Селифонов В.В.Теория автомобиля: учебник для вузов. М.: ООО «ГРИНЛАЙТ», Кравец В.Н. Теория движения автомобиля: учебник. Н. Новгород: НГТУ, ГОСТ Р – Автотранспортные средства. Требования безопасности и методы проверки. 4. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств» 4

Основы теории качения колеса Виды взаимодействия колеса с опорной поверхностью 1 Эластичное колесо по недеформируемой поверхности 2 Жесткое колесо по деформируемой поверхности 3 Эластичное колесо по деформируемой поверхности 4 Жесткое колесо по недеформируемой поверхности 1. Движение колеса, деформируемого под действием нормальной реакции, по твердой опорной поверхности, когда ее деформация мала в сравнении с радиальной деформацией колеса, и ею можно пренебречь. Например, движение автомобильного колеса по асфальтобетонному покрытию. 2. Движение жесткого колеса по деформируемой поверхности, когда нормальная деформация колеса мала в сравнении с деформацией опорной поверхности. Например, движение автомобиля с жесткими шинами по снежной целине, песчаным и другим рыхлым грунтам. 3. Движение эластичного колеса по деформируемой поверхности, когда деформации колеса и опорной поверхности соизмеримы. Движение автомобиля с малым давлением воздуха в шинах по снегу, песку и т.д. 4. Движение жесткого колеса по недеформируемой поверхности. Например, качение стального колеса трамвая или поезда по рельсовому пути. 5

Основы теории качения колеса Взаимодействие эластичного колеса с твердой опорной поверхностью Неподвижное колесо, нагруженное нормальной нагрузкой Катящееся колесо, нагруженное нормальной нагрузкой 0 – 1 – 2 зона деформации 2 – 3 – 0 зона восстановления R z – нормальная реакция опорной поверхности F z – нормальная нагрузка колеса F x – продольная сила, приложенная к оси колеса R x – продольная реакция опорной поверхности a ш – смещение нормальной реакции дороги, обусловленное особенностями упругих свойств материала шины (тем, что элементарные реакции в набегающей области больше, чем в сбегающей); также: плечо трения и коэффициент трения качения 2-го рода. 6

Свободный радиус колеса Основы теории качения колеса Радиусы автомобильного колеса Свободный радиус r св - половина наружного диаметра D н (наибольшего окружного сечения беговой дорожки) неподвижного колеса при отсутствии контакта с опорной поверхностью, зависит от давления в шине. - коэффициент формы профиля шины. 8

Статический радиус r ст – это расстояние от оси неподвижного колеса, нагруженного только нормальной силой F z, до опорной поверхности Основы теории качения колеса Радиусы автомобильного колеса Статический радиус колеса где z – коэффициент нормальной (вертикальной) деформации шины; z = 0,8 … 0,85 – для радиальных шин легковых автомобилей, широкопрофильных и арочных шин грузовых автомобилей; z = 0,85 … 0,9 – для диагональных шин легковых автомобилей, шин грузовых автомобилей и автобусов, шин с регулируемым давлением (кроме широкопрофильных). 9

Динамический радиус r д – это расстояние между осью колеса и опорной поверхностью при качении нагруженного колеса. Основы теории качения колеса Радиусы автомобильного колеса Динамический радиус колеса Для практических расчетов r д r ст. При качении колесо нагружено, помимо нормальной (вертикальной) нагрузки F z, центробежной силой F а и крутящим моментом Т к. С повышением угловой скорости к колеса центробежные силы, действующие на колесо, возрастают, что приводит к увеличению его динамического радиуса. При увеличении крутящего момента или тангенциальной силы, приложенных к колесу в любом направлении, расстояние от опорной поверхности до оси колеса, уменьшается за счет искривления радиальных сечений шины. Если у колеса, не нагруженного крутящим моментом или тангенциальной силой, радиальные сечения были Аа и Вb, то при нагружении они занимают положения А а и В b. Так как эти сечения существенно удлиняться не могут, точки А и В опустятся, а с ними опустится ось колеса. 10

Основы теории качения колеса Радиусы автомобильного колеса Кинематический радиус колеса Радиус качения (кинематический радиус) r к – отношение продольной составляющей поступательной скорости колеса V х к его угловой скорости к. где S – путь, пройденный колесом, м; N к – число оборотов колеса на пройденном пути 11 Экспериментально радиус качения находят из соотношения:

Основы теории качения колеса Радиусы автомобильного колеса Кинематический радиус колеса Радиус качения колеса зависит от крутящего момента и продольной силы: Т и F – коэффициенты тангенциальной и продольной эластичности (характеризуют изменение радиуса качения колеса от крутящего момента и от продольной силы соответственно) Т к и F x – крутящий момент и продольная сила r к.в и r к.с – радиусы качения соответственно ведомого и свободного колеса 12

0-1 и 4-5 – полное скольжение элементов шины относительно опорной поверхности; 1-2 и 3-4 – упругое проскальзывание и скольжение колеса; 2-3 – упругая деформация колес; точка 0 и 5 - юз и буксование колеса. Основы теории качения колеса Радиусы автомобильного колеса Зависимость радиуса качения колеса от передаваемого им момента 13

Ведомым называют режим качения колеса при котором оно приводится во вращение толкающей силой F x, приложенной к оси колеса и совпадающей по направлению со скоростью его продольного перемещения V х. Колесо, работающее в данном режиме, называют ведомым. Условие возможности работы колеса в ведомом режиме при Т к = 0. Основы теории качения колеса Режимы качения колеса Ведомый режим 14

Основы теории качения колеса Режимы качения колеса Ведущий режим Ведущим называют режим, когда колесо приводится во вращение крутящим моментом Т к, вектор которого совпадает с вектором угловой скорости к, и нагружено продольной силой F x (сила тяги), противоположной по направлению скорости V x продольного перемещения колеса. Момент Т т, действующий на колесо, называют тяговым моментом. Колесо, работающее в таком режиме, называют ведущим. 15

Основы теории качения колеса Режимы качения колеса Свободный режим Свободным называют режим, при котором колесо приводится во вращение крутящим моментом Т к, а продольная сила F x = 0. Колесо, работающее в таком режиме, называют свободным. Примеры: 1. Одноколесный цирковой велосипед 2. Колесо полноприводного автомобиля 16

Основы теории качения колеса Режимы качения колеса Нейтральный режим Нейтральным называют режим, при котором колесо приводится во вращение одновременно крутящим моментом Т к и толкающей силой F x. Колесо, работающее в таком режиме, называют нейтральным. Пример: колесо полноприводного автомобиля. 17

Основы теории качения колеса Режимы качения колеса Тормозной режим Тормозным называют режим, при котором колесо приводится во вращение продольной силой F x и нагружено крутящим моментом Т к, вектор которого противоположен вектору угловой скорости к. Продольную силу F x называют толкающей силой, крутящий момент Т – тормозным. Колесо, работающее в названном режиме, называют тормозящим. 18

Основы теории качения колеса Кинематика автомобильного колеса где е – угловая скорость вращения вала двигателя (рад / с); и тр – передаточное число трансмиссии., м / с, Если известна частота вращения вала двигателя n е (мин -1 ), то: e = n e / 30 = 0,105 n e,, м / с 19 Скорость автомобиля

Скорость автомобиля V а (км / ч), где е = d e / dt – угловое ускорение вала двигателя 20 Основы теории качения колеса Кинематика автомобильного колеса Ускорения разгона автомобиля

При отсутствии проскальзывания: Основы теории качения колеса Сопротивление качению автомобильного колеса - момент сопротивления качению ; где F f = T f /r д – сила сопротивления качению (сила, которую необходимо приложить к оси колеса по горизонтали для преодоления момента сопротивления качению) 21

- коэффициент сопротивления качению колеса (в данном случае характеризует только силовые потери) С учетом кинематических потерь: - составляющая, характеризующая кинематические потери, обусловленные скольжением элементов шины. где 22 Основы теории качения колеса Сопротивление качению автомобильного колеса

В настоящее время зависимость коэффициента сопротивления качению от скорости аппроксимируют выражениями: – для шин легковых автомобилей – для шин грузовых автомобилей где f 0 – коэффициент сопротивления качению при скорости, близкой к нулю; k f – коэффициент, учитывающий влияние скорости 23

Зависимость коэффициента сопротивления качению от температуры шины Зависимость коэффициента сопротивления качению от давления воздуха в шине 24 Основы теории качения колеса Сопротивление качению автомобильного колеса

Давление воздуха в шине Зависимость коэффициента сопротивления качению от крутящего момента: 1 и 3 – на мокром асфальте соответственно f и f с ; 2 – на сухом асфальте; 4 – ведомого колеса Основы теории качения колеса Сопротивление качению автомобильного колеса 25 Зависимость коэффициента сопротивления качению от давления в шине: 1 – песок; 2 – пашня; 3 – асфальт

Опорная поверхность Коэффициент сопротивления качению типсостояние Асфальтобетонная и цементобетонная дорога хорошее удовлетворительное 0,007 … 0,015 0,015 … 0,020 Гравийная дорога хорошее 0,020 … 0,025 Булыжная дорога хорошее 0,025 … 0,030 Грунтовая дорога сухая укатанная 0,025 … 0,030 после дождя 0,050 … 0,150 в период распутицы 0,100 … 0,250 Песок сухой 0,100 … 0,300 сырой 0,060 … 0,150 Суглинистая и глинистая целина сухая в пластическом состоянии 0,040 … 0,060 0,100 … 0,200 Снег укатанный целина 0,030 … 0,050 0,100 … 0,300 Обледенелая дорога, лед 0,015 … 0,030 Коэффициент сопротивления качению 26 Основы теории качения колеса Сопротивление качению автомобильного колеса

Сила сцепления колеса с опорной поверхностью – сила трения. В механике различают трение покоя и трение скольжения. Скольжение характеризуется коэффициентом скольжения (буксования или юза) Основы теории качения колеса Сцепление колеса с опорной поверхностью. Коэффициент сцепления r к.с – радиус качения колеса в свободном режиме; r к – радиус качения колеса при заданной величине передаваемого момента Буксование ведущего колеса Юз тормозящего колеса 27

Коэффициент скольжения (буксования) ведущего колеса S = S б = (V т – V x ) / V т = (1 – r к / r к.с ) Коэффициент скольжения (юза) тормозящего колеса S = S ю = (V х – V т ) / V х = (1 – r к.с / r к ) Основы теории качения колеса Сцепление колеса с опорной поверхностью. Коэффициент сцепления 28 - теоретическая скорость поступательного движения центра колеса - фактическая скорость поступательного движения центра колеса

Зависимость коэффициента продольной силы от коэффициента скольжения – коэффициент продольной силы 29 Основы теории качения колеса Сцепление колеса с опорной поверхностью. Коэффициент сцепления

Явление аквапланирования (глиссирования) Основы теории качения колеса Сцепление колеса с опорной поверхностью. Коэффициент сцепления FпFп FzFz F z – нормальная нагрузка F п – подъемная сила 30 Схема взаимодействия колеса с мокрой дорогой с видами трения: 1 – гидродинамическим; 2 – смешанным; 3 – граничным

Изменение коэффициента сцепления в зависимости от скорости на бетонном покрытии 31 Основы теории качения колеса Сцепление колеса с опорной поверхностью. Коэффициент сцепления

Тип и состояние дороги φ x maxφ x 100% Сухой асфальт и бетон 0,8…0,90,7…0,8 Мокрый асфальт 0,5…0,70,45…0,6 Мокрый бетон 0,75…0,80,65…0,7 Грунтовая дорога 0,65…0,70,6…0,65 сухая мокрая 0,5…0,550,4…0,5 Уплотненный снег 0,15…0,20,15 Лед 0,10,07 Коэффициент продольного сцепления 32 Основы теории качения колеса Сцепление колеса с опорной поверхностью. Коэффициент сцепления