Волкова Лариса Александровна Тексты лекций г. Зарафшан

Волкова Лариса Александровна
Тексты лекций
г. Зарафшан-2009 г.
Министерство высшего и среднего специального
образования Республики Узбекистан
Навоийское областное управление среднего
специального профессионального
образования
ЗППК
Кафедра: «Строительных дисциплин»
Тексты лекций
Аннотация
Изложен основные положения теории автомобиля и
двигателя, описаны их механизмы, агрегаты и системы,
главные эксплуатационные свойства, методы расчетного и
экспериментального определения их показателей
Автор: Волкова Лариса Александровна
Рецензенты: 1. Сайдахмедов А. Ш.
2. Ярашев Б. Т.
Тексты лекций
Кафедра: «Строительных дисциплин»
Обсуждены 25 мая 2009 г. и рекомендовано использовать
для учебного процесса согласно протокола № 10
Предисловие
Автомобильный транспорт превратился в один из
основных и наиболее распространенных
видов
транспорта. Он широко обслуживает транспортные
потребности населения.
Основной задачей автомобильного транспорта
является повышение эффективности
и качества
работы транспортной системы.
Целью курса «теория автомобилей и двигателей»
является
изучение
эксплуатационных
свойств
автомобилей и двигателей, а также особенностей их
конструкции.
Теория автомобилей и двигателей изучает их
эксплуатационные
свойства,
обеспечивающие
перевозку грузов и пассажиров с максимальными
производительностью,
безопасностью
и
комфортабельностью при минимальных трудовых и
материальных затратах.
Настоящий текст лекций подготовлен в полном
соответствии с новой
программой подготовки
младших специалистов по специальности «Ремонт и
техническое
обслуживание
автотранспортных
средств».
4
Тема № 1: «Введение. Основы технической термодинамики, теоретические и действительные циклы
двигателей внутреннего сгорания»
План изложения
1.Исторические сведения о создании двигателей
2.Идеальные и реальные газы
3.Параметры, характеризующие состояния газов
4.Законы термодинамики
5.Теоретические и действительные циклы двигателей
Изложение
- 1Двигатель
—
машина,
преобразующая
какой-либо
вид
энергии
в
механическую
работу.
На большинстве современных автомобилей установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в
которых часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в замкнутой рабочей полости, преобразуется в
механическую
работу.
Первый работоспособный поршневой двигатель внутреннего сгорания был построен французским механиком
Ленуаром в I860 г. Двухтактный двигатель с золотниковым распределением работал на светильном газе с
воспламенением от электрической искры без
предварительного сжатия рабочей смеси в цилиндре.
В 1877 г. немецкий механик Н. Отто осуществил предварительное сжатие газовоздушной смеси в цилиндре,
благодаря чему эффективность двигателей резко возросла. В 1892 г. немецкий изобретатель Р. Дизель получил
патент на двигатель внутреннего сгорания нового типа, рассчитанный на использование жидкого топлива. Он
предложил нагревать воздух в цилиндре путем сжатия до температуры, при которой мелкораспыленное
впрыскиваемое топливо могло бы испаряться, окисляться, самовоспламеняться и сгорать по мере поступления в
цилиндр. Такой двигатель был впервые построен в I899 г. на заводе Э. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский
дизель»).
-2Идеальный газ — это абстрактное понятие реального газа; молекулы идеального газа не имеют размеров и
молекулярных сил взаимодействия. Такое допущение позволяет упростить математические выражения законов
термодинамики.
Существующие в природе газы отличаются от идеальных, причем тем больше, чем выше их давление. Известные
газовые законы, строго говоря, справедливы только для идеальных газов. Однако в большинстве случаев реальные
газы с практически достаточной точностью можно рассматривать как идеальные.
Известные газовые законы, строго говоря, справедливы только для идеальных газов. Однако в большинстве
случаев реальные газы с практически достаточной точностью можно рассматривать как идеальные.
-3К параметрам, характеризующим состояние газа, относятся давление р, температура Т и объем V. Изменение
хотя бы одного из этих параметров означает изменение состояния газа.
Температура газа служит мерой кинетической энергии поступательного движения молекул газа и характеризует
степень его нагревания. Температуру газа измеряют термометрами. Широкое распространение получила
международная стоградусная температурная шкала (Цельсия), в которой интервал температур от точки плавления
льда (О °С) до точки кипения воды (100°С) при нормальном атмосферном давлении разбит на сто частей.
В термодинамических расчетах применяется так называемая шкала абсолютных температур — шкала Кельвина, в
которой за единицу измерения температуры принят кельвин (К) — 1/273,16 часть термодинамической
температуры тройной точки воды. За начало отсчета по этой шкале принят абсолютный нуль — условная температура, при которой полностью прекращается поступательное движение молекул. Абсолютный нуль находится
ниже температуры плавления льда на 273° (точнее, на 273,16). Температуру, отсчитываемую по термодинамической шкале, называют абсолютной и обозначают Т.
Международная температурная шкала Кельвина и температурная шкала Цельсия связаны соотношением
Т = t °С + 273
Давление газа определяется средней по времени силой, с которой молекулы газа действуют на единицу площади
стенки сосуда, в котором они заключены.
В системе СИ за единицу измерения давления р принят паскаль (Па) — давление, создаваемое силой один ньютон
5
(Н) при действии на площадь, равную одному квадратному метру, (Н/м2).
Давление окружающего воздуха измеряют барометром. Давление газов в сосудах измеряют манометрами и вакуумметрами, показывающими разность между давлениями газа в сосуде и окружающей среды. Манометры
показывают избыточное давление, а вакуумметры — разрежение.
Барометры, манометры вакуумметры бывают различных типов, из которых наибольшее распространение получили пружинные и жидкостные. В первых давление уравновешивается упругой силой пружины, во вторых —
весом столба жидкости. Каждому давлению соответствует определенная высота столба той или иной жидкости,
создающей своей массой давление.
Перевод показаний приборов, используемых в настоящее время для измерения давления, в систему СИ
осуществляется согласно следующим соотношениям:
1 кгс/см2 = 9,81-104 Па ≈ 100 кПа ≈ 0,1 МПа
1 мм вод. ст. = 9,81 Па
1 мм рт. ст. — 133,32 Па
В термодинамических расчетах используют только абсолютное давление газа, которое отсчитывается от давления,
равного нулю. Абсолютное давление атмосферного воздуха изменяется в определенных пределах. Среднее
давление воздуха за год на уровне моря, определяемое по ртутному барометру при температуре ртути 273 К, равно
примерно 101,3 кПа (это давление принимается за нормальное).Абсолютное давление газа в сосуде определяется
по показаниям двух приборов — барометра и манометра (вакуумметра). Удельный объем вещества представляет
собой объем, занимаемый единицей массы вещества. Рассмотренные выше параметры состояния газа р , v и Т
находятся между собой в определенной взаимосвязи, которая зависит от характера протекания процесса изменения
состояния газа. Эта взаимосвязь параметров определяется газовыми законами: Бойля—Мариотта, Гей –
Люссака, Авогадро и др.
-4–
Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии,
который гласит о том, что э н е р г и я н е у н и ч т о ж а е т с я и н е с о з д а е т с я в н о в ь , н о
м о ж е т п р и и з в е с т н ы х у с л о в и я х п е р е д а в а т ь с я о т о д н о г о т е л а к другому и превращаться из одного ее вида в другой в эквивалентных
к о л и ч е с т в а х . В технической термодинамике рассматриваются только процессы взаимодействия тепловой
и механической энергии. Применительно к ним закон сохранения и превращения энергии называется первым
законом (началом) термодинамики.
Таким образом, первый закон термодинамики определяет взаимосвязь тепловой и механической энергии:
тепловая
энергия
может
превращ а т ь с я
в
механическую,
а
механическ а я в т е п л о в у ю в э к в и в а л е н т н ы х к о л и ч е с т в а х .
Принцип эквивалентности тепловой и механической энергии можно выразить формулой
Q = AW
где Q — количество тепловой энергии; A =Q /W — тепловой (термический) эквивалент механической работы;
W — количество механической энергии.
В системе СИ механическая и тепловая энергия измеряются одной и той же единицей (Джоулем), поэтому А = 1, и
принцип эквивалентности (равенства) между теплотой и работой выражается так:
Q =W
Для уяснения взаимосвязи между тепловой и механической энергией рассмотрим простейшую термодинамическую систему. Эта система включает в себя рабочее тело, аккумулятор тепловой энергии (тепловой
аккумулятор) и аккумулятор механической энергии (механический аккумулятор). Рабочим телом может быть газ
или пар, имеющий определенную внутреннюю энергию U.
Аккумуляторы тепловой и механической энергии, взаимодействуя с рабочим телом, могут аккумулировать
энергию соответствующего вида или отдавать ее. Запасы тепловой и механической энергии в аккумуляторах соответственно равны Q и W.
Согласно закону сохранения энергии общий запас энергии рассматриваемой изолированной термодинамической системы при любых преобразованиях остается постоянным и, следовательно,
ΔQ +Δ U + Δ W = 0 - основное уравнение первого закона термодинамики
показывает, что при любых энергетических процессах алгебраическая сумма изменений запасов энергии тел,
входящих в изолированную систему, равна нулю. Если под ΔQ понимать не изменение запаса энергии в тепловом
аккумуляторе, а количество теплоты, подводимой к рабочему телу или отводимой от него, и учесть, что знаки
ΔQ по отношению к тепловому аккумулятору и по отношению к рабочему телу всегда
противоположны, то уравнение первого закона термодинамики примет вид
.Oно
ΔQ = ΔU +ΔW .
Термодинамическим процессом называется процесс изменения состояния рабочего тела, сопровождающийся изменением его параметров. Всякий процесс может осуществляться в одном из двух
противоположных направлений, одно из которых назовем прямым, а другое — обратным. Каждое из
6
этих направлений относительно другого отличается превращением и перераспределением энергии.
Обратимыми называются такие процессы, при осуществлении которых в прямом и обратном
направлениях все элементы термодинамической системы (рабочее тело, тепловой и механический
аккумуляторы) возвращаются в начальное состояние и количество энергии каждого из них будет
равно начальному ее количеству.
Если при обратном процессе возвращение какого-либо элемента системы в начальное состояние не
обеспечивается, то такой процесс называется необратимым. Все действительные процессы,
происходящие в природе, являются необратимыми. Причина необратимости этих процессов состоит в
их неравновесности. Равновесными называются процессы, при осуществлении которых давления и
температуры одинаковы по всему объему в любой момент процесса.
Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется при расширении рабочего тела в цилиндре или
рабочей камере теплового двигателя. Для получения механической энергии в течение длительного времени и в
достаточном количестве необходимо непрерывное повторение этого процесса. Чтобы обеспечить такое повторение, каждый процесс расширения следует сочетать с процессом сжатия, при котором рабочее тело возвращается в начальное состояние.
Путем совершения этих процессов рабочее тело вновь возвращается в начальное состояние. Такая совокупность
процессов образует круговой процесс или цикл.
Таким
образом,
циклом
называется
сов о к у п н о с т ь
процессов,
происходящих
в о п р е д е л е н н о й п о с л е д о в а т е л ь н о с т и , в р е з у л ь т а т е осущес т в л е н и я
к о т о р ы х р а б о ч е е т е л о в о з в р а щ а е т с я в н а ч а л ь н о е с о с т о я н и е . Работа
совершается за счет тепловой энергии, сообщаемой рабочему телу на отдельных участках цикла. Для оценки
совершенства термодинамического цикла с точки зрения степени преобразования теплоты в работу вводится
понятие термического или термодинамического КПД.
Т е р м и ч е с к и м КПД н а з ы в а е т с я о т н о ш е н и е к о л и ч е с т в а т е п л о т ы , э к в и в а л е н т н о е ц и к л о в о й работе, к количес т в у п о д в е д е н н о й з а ц и к л
т е п л о т ы , т. е.
ηt = W/ Q1
где Q1— количество теплоты, подведенной к рабочему телу за цикл.
Общим в рассмотренных циклах тепловых двигателей является преобразование тепловой энергии в
механическую. Такие циклы называются прямым и происходят по часовой стрелки.
Наряду с прямыми циклами существуют обратные, в которых процессы изменения состояния
протекают против часовой стрелки, линия расширения располагается ниже линии сжатия. На
совершение такого цикла необходимо затратить механическую работу. Обратные циклы осуществляются в холодильных установках и компрессорах.
Если цикл состоит только из обратимых процессов, то он является обратимым.
Из всех возможных термодинамических циклов самым экономичным циклом с наиболее полным
превращением теплоты в работу является цикл Карно, предложенный и теоретически разработанный
французским инженером Сади Карно в 1824 г.
Для обеспечения обратимости необходимо вести цикл бесконечно медленно. Если тепловой баланс
составляют для двигателя, работающего с использованием энергии отработавших газов, то
утилизируемая теплота отработавшего газа включается в качестве дополнительного члена
баланса. Использование энергии отработавшего газа может осуществляться, например, в газовой
турбине.
Тепловой баланс составляют при различных нагрузочных и скоростных режимах работы
двигателя.
При изменении частоты вращения qe достигает максимума при п = 1500 об/мин, причем с
увеличением или уменьшением п доля эффективной теплоты уменьшается.
-5–
Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам,
трудно сравнить в реальных условиях. В этих условиях особенность протекания отдельного процесса рабочего
цикла или деталь конструкции двигателя могут повлиять на конечные результаты сравнения. Поэтому основные
показатели разных циклов на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл
осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине. На втором этапе в теоретической
зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие
действительные условия.
В теоретических циклах введены следующие допущения:
В цикле используется в качестве рабочего тела идеальный газ, состав которого в цикле не изменяется.
1. Циклы считаются замкнутыми, происходящими при постоянном количестве идеального газа.
2. Теплоемкость газа в течение всего цикла постоянна, т. е. не зависит от температуры. Сгорание топлива в
7
цилиндре заменяется мгновенным подводом тепла, а выпуск – мгновенным отводом теплоты в холодный
источник.
3.
Процесс сжатия и расширения газа происходит без теплообмена с окружающей средой, и называются
адиабатическими.
В соответствии с этими допущениями теоретический цикл представляет собой замкнутый цикл, осуществляемый в
воображаемой тепловой машине постоянной несменяемой порцией рабочего тела. Вследствие замкнутости
процессы сгорания и выпуска рабочего тела при действительном цикле заменяют подводом и отводом теплоты.
Процессы сжатия и расширения предполагаются адиабатическими, т.к. это обеспечивает максимальное
теплоиспользование. Теоретические циклы имеют минимальное количество потерь, находящихся в строгом
соответствии со вторым законом термодинамики. Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по
одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности.
Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном объеме
Автомобильные карбюраторные двигатели, а также двигатели газогенераторные, газобаллонные и с впрыском
легкого топлива работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается,
поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом
объеме. В теоретическом цикле какие-либо дополнительные тепловые потери, за исключением количества теплоты
Q2, отсутствуют. Поэтому в полезную работу превращается разность количеств теплоты Q1 – Q2, тогда
термический КПД можно выразить формулой:
Согласно уравнению термического КПД, экономичность цикла с подводом теплоты при постоянном объеме
возрастает при увеличении степени сжатия и показателя адиабаты идеального газа.
Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении
По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или
компрессорные дизели. В дизели в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого
повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление
конца сжатия приближается к 3–4 МПа, и соответствующая температура значительно превышает температуру
самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и,
приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть. В этих двигателях для обеспечения
хорошего распыливания топлива используют сжатый воздух с давлением около 6 МПа, получаемый в специальных
компрессорах, включенных в конструктивную схему двигателя. Насос подает топливо в форсунку, в которую из
компрессора подводится сжатый воздух, и в нужный момент внутренняя полость форсунки сообщается с
цилиндром, куда поступает смесь распыляющего воздуха и топлива. Ввиду постепенной подачи топлива через
форсунку нельзя получить резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением теплоты при V =
const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с подводом
теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс
сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении. Термический КПД
выражается формулой:
Двигатели этого типа в качестве транспортных не использовались вследствие громоздкости установки,
снабженной компрессором, имевшим две или три ступени давления.
Теоретический цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении
(смешанный цикл). Тракторные и автомобильные двигатели работают по смешанному циклу на дизельном
топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14. Термический
КПД теоретического цикла можно определить по разности количества теплоты: Q1' + Q1'', введенных
8
соответственно при V = const и при р = const и Q2, отданного холодному источнику при V = const:
В смешанном цикле повышение степени сжатия улучшает экономические и мощностные показатели. Однако по
мере увеличения степени сжатия прирост использования теплоты постепенно замедляется и после значений
степени сжатия 10–12 становится малоощутимым. В дизельных двигателях значении степени сжатия больше 15
объясняются желанием облегчить пуск холодных двигателей. При повышении степени сжатия растет температура
конца сжатия, что обеспечивает самовоспламенение топлива даже при низких температурах стенок цилиндра и
засасываемого воздуха.
Действительные циклы ДВС. Действительный (рабочий) цикл, осуществляемый в реальном двигателе
внутреннего сгорания, представляет собой разомкнутый цикл. Для изучения действительного (рабочего) цикла
нужно рассмотреть весь комплекс сложных процессов, связанных с превращением термохимической энергии
топлива в механическую работу в реальном двигателе. Исходными для изучения действительного (рабочего) цикла
являются материалы, полученные в основном путем лабораторных испытаний двигателей внутреннего сгорания.
Опорные слова: идеальный и реальный газ, температура, давление, объем, термодинамический процесс,
обратимый и необратимый процессы, т е р м и ч е с к и й КПД, действительный цикл ДВС
Контрольные вопросы
1.Что называется двигателем, и какие были первые они созданы?
2.Какие существуют виды газов?
3.Какими параметрами характеризуются газы?
4.Термодинамический процесс и его виды?
Задание на дом: составить опорный конспект по теме и к нему вопросы
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
9
Тема № 2: «Энергетические и экономические показатели двигателя. Тепловой баланс»
План изложения
1.Показатели, характеризующие рабочий цикл
2.Показатели, характеризующие работу двигателя
3.Тепловой баланс
Изложение
- 1Для оценки степени совершенства рабочего цикла и работы двигателя, а также для сравнения двигателей по их
экономичности и эффективности использования рабочего объема цилиндра используются различные показатели.
Оценка эффективности использования рабочего объема цилиндров двигателя и степени преобразования
выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндров осуществляется с помощью индикаторных показателей.
Часть тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в процессе расширения при осуществлении
рабочего цикла преобразуется в полезную работу газа внутри цилиндра двигателя. Такую работу называют
индикаторной. Индикаторная работа зависит от размеров цилиндра, степени сжатия, частоты вращения коленвала,
способа смесеобразования и т.п.
Среднее индикаторное давление представляет собой индикаторную работу за цикл, отнесенную к единице
рабочего объема цилиндра. Этот показатель удобно использовать для оценки степени эффективности
использования рабочего объема цилиндра.
Индикаторный КПД, характеризующий экономичность действительного цикла, представляет собой отношение
количества теплоты, эквивалентной индикаторной работе, ко всей теплоте топлива, затраченной на получение этой
работы. Индикаторный КПД всегда меньше термодинамического вследствие дополнительных потерь в
действительном цикле, не учитываемых при определении термодинамического КПД. Кроме индикаторного КПД
вводится относительный КПД.
Кроме индикаторного КПД экономичность действительного цикла характеризуется индикаторным удельным
расходом топлива.
Основными факторами, влияющими на индикаторный КПД являются степень сжатия, коэффициент избытка
воздуха, степень повышения давления при сгорании, а также закономерность сообщения теплоты рабочему телу.
-2–
Работу двигателя в различных эксплуатационных условиях можно проанализировать, если установлена связь
между его мощностью, крутящим моментом, расходом топлива и другими величинами и показателями,
определяющими режим работы двигателя.
Режим работы двигателя характеризуется нагрузкой и числом оборотов. Полной нагрузкой называется любой
режим работы двигателя, независимо от числа оборотов, при полностью открытой дроссельной заслонке
(карбюраторные и газовые двигатели) или полной подаче топлива (дизельные двигатели). Частичными нагрузками
называются любые другие режимы работы двигателя при неполном открытии дроссельной заслонки или неполной
подаче топлива. Частичные нагрузки оцениваются в долях от полной нагрузки с указанием соответствующего им
числа оборотов. Зависимость какого-либо основного показателя (или показателей) работы двигателя от другого
показателя или фактора, влияющего на работу двигателя, называется характеристикой двигателя.
Характеристики двигателя строятся на основании опытных данных, получаемых при испытаниях двигателя в
лабораторных условиях. Основными характеристиками двигателя являются: скоростная характеристика;
нагрузочная характеристика; регулировочная характеристика. Испытание и построение регулировочных
характеристик двигателя обычно предшествует получению скоростных и нагрузочных характеристик.
-3–
Тепловой баланс двигателя дает представление о распределении теплоты, выделяющейся при сгорании топлива.
Тепловой баланс может быть составлен на основании данных испытаний двигателя или со значительными
допущениями подсчитан аналитическим методом. Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:
10
,
где: Q – количество теплоты, заключенное в сгоревшем топливе;
QЕ – количество теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя;
QВ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое системой охлаждения и
смазки;
QГ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое с отработавшими газами;
QН – часть полных тепловых потерь, обусловленная неполным или несовершенным сгоранием топлива в цилиндре
двигателя;
QОСТ – остаточный член теплового баланса, учитывающий количество теплоты, теряемое вследствие теплового
излучения в окружающую среду, количество теплоты, соответствующее неиспользованной кинетической энергии
отработавших газов, количество теплоты, соответствующее потерям на трение и на привод вспомогательных
механизмов, а также другие неучтенные потери. Тепловой баланс карбюраторного двигателя показан на рис. 1а,
дизельного – на рис. 1б.
Рис. 1. Тепловой баланс карбюраторного и дизельного двигателя
Количество теплоты, преобразованное в эффективную работу у карбюраторного ДВС, составляет 23–30%, у
дизельного ДВС – 36–38 %. Остальная часть теплоты, выделяющаяся при сгорании топлива, поглощается
различными тепловыми потерями. Тепловой баланс в значительной мере зависит от конструктивных особенностей
двигателя (тип, основные размеры, степень сжатия, система охлаждения, смазки и др.), а также от ряда
эксплуатационных факторов (условия окружающей среды, число оборотов, нагрузка и др.).
Опорные слова: индикаторная работа, индикаторное давление, индикаторный КПД, термодинамический КПД,
относительный КПД, тепловой баланс
Контрольные вопросы
1.Какие показатели характеризуют рабочий цикл двигателя?
2.Какие показатели характеризуют работу двигателя?
3.Что такое тепловой баланс двигателя?
Задание на дом: составить конспект в тезисном варианте по теме и к нему вопросы
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
11
Тема № 3:«Гидродинамика»
План изложения
1.Общие сведения о гидродинамике
2.Физические свойства жидкостей
3.Параметры потока жидкостей
4.Истечение жидкостей через отверстия и насадки
Изложение
-1–
Гидродинамика — это один из разделов гидравлики, в котором рассматриваются законы движения жидкости в
трубах и каналах, процессы истечения жидкости через отверстия и насадки, а также закономерности обтекания
жидкостью твердых тел.
Законы гидродинамики лежат в основе процессов истечения топлива в карбюраторах двигателей с принудительным зажиганием, подачи и впрыскивания топлива в цилиндры дизелей, а также используются при расчете смазочной системы и системы охлаждения двигателей.
Наиболее характерной особенностью жидкости с точки зрения гидродинамики является ее подвижность или
текучесть. С помощью уравнений гидродинамики определяют скорость, давление и другие параметры жидкости в
любой точке занятого ею объема.
Уравнения движения жидкости, учитывающие физические ее свойства, сложны- и не всегда разрешимы.
Упрощение теоретических исследований при достаточной для практики точностью достигается путем пренебрежения некоторыми несущественными для данных условий движения свойствами жидкости. В частности, для решения
многих гидродинамических задач используется модель идеальной жидкости, не обладающей свойствами
температурного расширения, сжимаемости и вязкости. В природе таких идеальных жидкостей не существует. Все
реальные жидкости обладают этими свойствами, но во многих жидкостях они выражены слабо, и ими можно
пренебречь, т. е. можно рассматривать реальную жидкость как идеальную.
Уравнения гидродинамики могут быть использованы также для исследования движения газов, если скорость их
движения значительно меньше скорости звука. При достижении скорости звука необходимо учитывать сжимаемость газа, в этом случае методы гидродинамики неприемлемы. Такое движение газа исследуется в газовой динамике.
-2–
К основным физическим параметрам и свойствам жидкостей, рассматриваемых в гидродинамике, относятся
плотность, удельный вес, удельный объем, температурное расширение, сжимаемость и вязкость.
Плотностью жидкости р называется масса единицы объема этой жидкости, т. е.
р = m/V.
На плотность жидкости незначительное влияние оказывают ее температура и давление, однако это влияние в
гидродинамических расчетах не учитывается.
Значения плотностей (в кг/м3) некоторых жидкостей приведены ниже.
Вода ..................................................................... 1000
Низкозамерзающая жидкость (антифриз) . . . . 1070
Бензин .............................................. . . . . .
750
Керосин .......................................... . . . . .
800
Дизельное топливо ..........................................
870
Масло AM Г-10 ...............................................
850
Веретенное масло ...............................................
880
Масло МТ-16П .................................................
900
Индустриальное масло ......................................
900
Нефть ...............................................................
900
Ацетон .................................................................
700
Спирт ...................................................................
800
Глицерин ............................................................. 1 260
Ртуть .................................................................... 13600
Удельным весом жидкости у называется отношение ее веса к занимаемому объему. Так как вес жидкости равен
произведению массы т на ускорение свободного падения g, то
Удельным объемом жидкости v называется объем единицы массы этой жидкости. Удельный объем обратно
пропорционален плотности, т. е.
v = Vim — 1/р.
Температурным расширением называется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
При нагревании объем жидкости увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Изменение объема жидкости
12
зависит от ее свойств, характеризуемых коэффициентом температурного расширения βt , а также от начального
объема V 0 жидкости и изменения ее температуры ΔT. При этом
ΔV = βt V 0 ΔT.
Коэффициент температурного расширения характеризует изменение единицы объема жидкости при изменении
ее температуры на один, кельвин. Для определенной жидкости коэффициент температурного расширения непостоянен, он зависит от условий нагревания или охлаждения, давления и начальной температуры. Однако в
условиях, при которых применяются жидкости в двигателях, коэффициент температурного расширения с достаточной степенью точности можно принять постоянным.
Сжимаемостью
жидкости называется ее свойство изменять объем при изменении давления. Изменение
объема жидкости
ΔV = βр V 0 Δ р,
где βр — коэффициент объемного сжатия; V 0 — начальный объем жидкости.
Коэффициент объемного сжатия показывает изменение единицы объема жидкости при изменении давления на 1
Па. Величина рр зависит от условий сжатия: температуры и начального давления. Однако эта зависимость слабая, и
при практических расчетах ею часто пренебрегают.
Вязкостью жидкости называется свойство оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно
другой.
При скольжении одного слоя жидкости относительно другого возникают силы трения, направленные в сторону,
противоположную направлению движения. Эти силы являются силами сопротивления движению и называются
силами внутреннего трения. Для обеспечения движения жидкости силы внутреннего трения необходимо преодолевать путем приложения внешних сил. В рассмотренном случае к движущейся пластине приложена сила F.
Сила внутреннего трения зависит от свойств жидкости; она пропорциональна площади поверхности трения и градиенту скорости.
Динамический коэффициент вязкости μ учитывает свойства жидкости и является по существу коэффициентом
внутреннего трения. Он характеризует силу трения, приходящуюся на единицу поверхности двух скользящих
слоев жидкости при градиенте скорости, равном единице.
Часто в гидравлике пользуются также кинематическим коэффициентом вязкости жидкости, равным отношению
динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости, т. е.
v = μ /р.
- 3–
К основным параметрам, характеризующим движение жидкости, откосятся площадь живого сечения S , расход
жидкости Q ( G ) и средняя скорость движения v.
Живым сечением потока жидкости называется такое сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости
частиц потока жидкости. В общем случае живое сечение потока представляет собой некоторую криволинейную
поверхность /—/ (рис. 2). Обычно векторы скорости частиц имеют небольшое расхождение в потоке жидкости, и за
живое сечение в этом случае принимается плоскость, расположенная перпендикулярно к скорости движения
жидкости в средней точке потока.
Рис. 2. Векторы скорости потока
жидкости и живое сечение потока
а)
6)
Рис. 3. Распределение скоростей
движения жидкости в живом сечении
трубы при течении: а — турбулентном;
б — ламинарном
Расходом жидкости (объемным Q или массовым G ) называют объем или массу жидкости, протекающей через
живое сечение потока в единицу времени.
Средняя скорость движения жидкости υcp — осредненная скорость частиц в рассматриваемом живом сечении
потока. Построив векторы скорости частиц, например, в живом сечении трубы (рис. 3), и соединив концы этих
векторов, получим график изменения скоростей, называемый эпюрой скоростей. Если площадь Sa эпюры местных
скоростей разделить на диаметр трубы d, то полученный отрезок будет соответствовать средней скорости
движения жидкости в данном сечении трубы, т. е.
vcp = S/d.
Произведение площади SС живого сечения потока на среднюю скорость движения vcp представляет собой объем
жидкости, проходящей через данное живое сечение в единицу времени. Таким образом, объемный расход
жидкости
Q = S c vcp
13
От параметров потока зависит движение жидкости, которое может быть: установившимся и неустановившимся;
равномерным и неравномерным; неразрывным и кавитационным; ламинарным и турбулентным.
Установившимся называется такое движение, при котором его параметры не изменяются во времени. Примером
установившегося движения является истечение жидкости из резервуара, в котором поддерживается постоянный
уровень жидкости, в среду с неизменными параметрами. Скорость истечения жидкости в этом случае постоянна.
Если уровень жидкости в резервуаре или параметры среды изменяются, то скорость истечения жидкости будет
переменной, и движение становится неустановившимся.
Равномерным движением называется такое движение, при котором параметры потока не меняются по длине
трубопровода или канала. Примером равномерного движения может служить движение жидкости в трубе постоянного диаметра. Движение жидкости по трубе с изменяющимся диаметром будет неравномерным. С
изменением диаметра трубы скорость потока жидкости также изменяется.
Неразрывным движением называется движение, при котором жидкость перемещается сплошным потоком, заполняющим весь объем трубопровода. При движении жидкости неразрывность потока может быть нарушена.
Отрыв потока от стенок трубопровода или от обтекаемого жидкостью тела связан с возникновением кавитации.
Кавитационное движение характеризуется образованием в потоке пузырьков газа или пара. Пузырьки возникают
в зоне давлений ниже некоторого критического давления ркр, значение которого зависит от температуры.
При попадании в зону давления свыше критического пары в пузырьке газа почти мгновенно конденсируются, а
газы растворяются в жидкости. В образовавшиеся пустоты с большой скоростью устремляются частицы жидкости,
что приводит к резкому повышению местного давления до 10—100 МПа и температуры до 1300—1800 К.
Кавитация вредна для гидравлических систем, та-к как она приводит к неравномерной работе этих систем и разрушению (кавитационной эрозии) элементов гидравлических устройств.
Ламинарным называется упорядоченное движение жидкости без перемешивания ее отдельных струек и слоев. Для
ламинарного течения характерны сравнительно невысокая скорость, пренебрежимо малые силы инерции и
значительное влияние сил трения. С возрастанием скорости движения жидкости силы инерции увеличиваются, а
влияние сил трения уменьшается. При достижении определенной скорости режим движения переходит от
ламинарного к турбулентному, при котором жидкость интенсивно перемешивается, траектории движения частиц
становятся случайными, частицы жидкости сталкиваются между собой. Движение жидкости при турбулентном
течении становится беспорядочным, хаотическим.
Скорость течения, при которой происходит переход от ламинарного движения к турбулентному, зависит от
диаметра трубопровода и ряда параметров жидкости. О моменте перехода от одного режима течения к другому для
всех условий движения и независимо от вида и параметров жидкости можно судить по числу (критерию) Рейнольдcа
На основании многочисленных опытов определено численное значение критического числа Рейнольдса: ReKp =
2000--2500. Если число Рейнольдса меньше критического, то режим течения ламинарный, если больше
критического, то турбулентный. В общем случае число Рейнольдса характеризует соотношение между силами
трения и инерции и значение этих сил для движения жидкости. С повышением числа Рейнольдса влияние силы
инерции возрастает, а значение силы трения уменьшается.
В гидродинамике обычно рассматривают ограниченные потоки. Границами потоков служат стенки труб, каналов,
открытая поверхность жидкости, а также поверхности тел, обтекаемых потоком жидкости.
Давление в движущемся потоке подразделяют на статическое р , полное р* и динамическое р д. Статическое
давление в невозмущенном потоке можно определить как давление, которое действовало бы на стенку тела,
движущегося вместе с потоком. Полным давлением называется давление заторможенного без потерь потока.
Динамическое давление представляет собой разность между полным и статическим давлениями:
р д = Р* — Р = 0,5рv2
Для измерения статического и полного давлений предназначены датчики давления (рис. 4).
Рис.4. Схема установки датчиков давления:
1 и 2 — датчики соответственно статического и
полного давлений
Одним из основных законов гидродинамики является закон непрерывности потока, в соответствии с которым при
установившемся движении жидкости произведение средней скорости движения на площадь живого сечения
является постоянным, т. е.
vS = const..
Основным уравнением гидродинамики, выражающим закон движения идеальной жидкости, является уравнение
Бернулли, в соответствии с которым для двух произвольно взятых живых сечений
Z1+P1/Pg +v21/2g = Z2+P2/Pg +v 22/2g
где Z1 и Z2— напор соответственно первого и второго сечений, определяемой высотой расположения жидкости.
Уравнение Бернулли имеет большое практическое значение. Оно позволяет определить давление жидкости в
заданном живом сечении при известной скорости ее течения, скорость истечения жидкости из резервуара с
14
заданным уровнем жидкости в нем, давление жидкости на тело, установленное в ее потоке, а также потери напора
при известных давлениях и скоростях в заданных сечениях.
- 4–
Рассмотрим истечение жидкости через отверстие диаметром d из резервуара, в котором поддерживается
постоянный уровень жидкости, а следовательно, постоянный напор h (рис. 5). При истечении жидкости через
отверстие происходит сжатие струи, и площадь живого сечения ее становится меньше площади отверстия. Это
объясняется тем, что частицы жидкости при входе в отверстие имеют скорости, направленные под углом к его оси.
Сжатие струи характеризуется коэффициентом сжатия, равным отношению площади живого сечения струи SС к
площади отверстия S.
Рис. 5. Истечение жидкости
через отверстие
Рис. 6. Истечение жидкости
через насадку
На практике часто приходится встречаться с истечением жидкости не через отверстие, а через насадку (рис. 6) —
короткую трубку, длина которой, как правило, l = (2-4) dн, где dн — диаметр насадки.
При движении жидкости через насадку так же, как и при истечении через отверстие, происходит сжатие струи.
Минимальное живое сечение струи расположено внутри насадки, а у стенок насадки образуется разрежение. Из-за
наличия разрежения насадка работает как своеобразный насос, дополнительно подсасывая жидкость из резервуара.
Поэтому расход жидкости через насадку по сравнению с расходом через отверстие увеличивается.
Обычно применяются насадки (рис.7) различных конструкций: цилиндрические, конические и коноидальные.
Рис. 7. Насадки:
а и б — цилиндрические внешняя и
внутренняя; в и г - конические сходящаяся и
расходящаяся; д - коноидальная
15
Цилиндрические насадки могут быть внешними (рис.7а). Конические насадки применяются двух типов: сходящиеся (рис. 7 в) и расходящиеся (рис. 7 г ). Сходящиеся насадки используются в тех случаях, когда необходимо
получить высокие скорости истечения жидкости, а расходящиеся — для уменьшения скорости. Коноидальные
насадки (рис.7д ) выполняют по форме вытекающей струи. При этом потери напора в насадке становятся
минимальными, а расход жидкости максимальным.
Расчет истечения жидкости через насадки осуществляется по тем же формулам, которые получены для расчета
истечения жидкости через отверстия, однако значения коэффициентов истечения принимают другие.
Опорные слова: гидродинамика, физические параметры жидкости, плотность, удельный вес, удельный объем,
температурное расширение, сжимаемость, живое сечение, установившееся движение, кавитационное движение,
турбулентное движение, ламинарное движение, число Рейнольдса, уравнение Бернулли, истечене жидкости через
отверстие, истечение жидкости через насадку
Контрольные вопросы
1.Что изучает гидродинамика?
2.Какими физическими свойствами и параметрами характеризуется жидкость?
3.Какие существуют виды движения жидкостей?
4.Что называется насадкой?
5.Какие существуют виды насадок?
Задание на дом: составить кроссворд по теме
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
16
270
Тема № 4:«Карбюрация и смесеобразование в дизеле»
План изложения
1.Карбюрация
2.Требования, предъявляемые к карбюратору
3.Элементарный карбюратор
4.Системы карбюратора
5.Особенности смесеобразования в дизелях
6.Типы камер сгорания в дизелях
Изложение
-1–
Карбюрацией называется процесс приготовления в карбюраторе горючей смеси из топлива и воздуха. Основным
назначением карбюратора является регулирование количества горючей смеси и ее качества в зависимости от
режима работы двигателя.
Карбюратор двигателя должен обеспечить: приготовление горючей смеси при мелком распыливании топлива, его
испарении и хорошем перемешивании с воздухом; изменение состава смеси в соответствии с нагрузкой и частотой
вращения коленчатого вала двигателя, т. е. обеспечение такого дозирования топлива, при котором коэффициент
избытка воздуха, а на всех режимах работы двигателя был бы оптимальным; быстрый переход на любой из
возможных режимов работы двигателя; надежный пуск холодного двигателя и устойчивую его работу на
минимальной частоте вращения в режиме холостого хода; небольшое сопротивление на впуске при работе двигателя с полной нагрузкой; стабильную регулировку всех систем карбюратора в течение длительного времени
эксплуатации двигателя.
При этом карбюратор должен быть надежным, простым и удобным в эксплуатации.
Процессу карбюрации поддаются только легко испаряющиеся топлива; их свойства, влияющие на смесеобразование, называются карбюрационными. Основные из них — испаряемость и плотность, а также теплота
парообразования и поверхностное натяжение, влияющие на испаряемость. Например, бензин, представляющий
собой смесь различных углеводородов, выкипающих в интервале температур 300—550 К, имеет плотность р =
0,69 - 0,75 г/см3 и теплоту парообразования 250- 300 кДж/кг.
Распыливание топлива в карбюраторе происходит вследствие разности скоростей движения топлива и воздуха. В
современных карбюраторах скорость истечения топлива составляет 5—6 м/с, а скорость воздуха 150— 200 м/с.
Испарение топлива начинается в карбюраторе, продолжается во впускном трубопроводе и заканчивается в
цилиндре двигателя. Количество испаряющегося топлива в единицу времени возрастает с увеличением поверхности испарения (тонкости распыливания топлива), с повышением испаряемости топлива и его температуры, а
также с уменьшением давления топливовоздушной смеси, т. е. возрастанием ее скорости во впускном трубопроводе.
-2–
Состав смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха α, который равен отношению количества воздуха,
действительно участвующего в сгорании, к теоретически необходимому для полного сгорания топлива. Смесь
называется нормальной и имеет коэффициент избытка воздуха, равный 1, если в сгорании весовой единицы
топлива
участвуют
15
весовых
единиц
воздуха.
При недостатке воздуха в смеси (α =1,04-0,9) смесь именуется обогащенной, а при его большом недостатке (α =
0,94-0,4)—богатой, в случае избытка воздуха (α = 1,0-1,1)—обедненной, а при еще большем его избытке (α =1,1 —
1,4)—бедной.
Переобогащенная
или
переобедненная
рабочая
смесь
не
воспламеняется.
Для разных режимов работы двигателя наивыгоднейший состав рабочей смеси не одинаков и изменяется при α от
0,6 до 1,2. Важно отметить, что наибольшая мощность двигателя развивается при α = 0,97-0,95, а наибольшая
экономичность достигается при α = l,05 - l,15.
-3–
Простейший (элементарный) карбюратор имеет две камеры— поплавковую и смесительную. В первой из них шарнирно закреплен поплавок и установлен игольчатый клапан, которые поддерживают постоянный уровень топлива
в поплавковой камере и распылителе. В смесительной камере помещаются распылитель, диффузор и дроссельная
заслонка.
Очищенный воздух, проходя с большой скоростью через диффузор, создает в нем разрежение, под действием
которого топливо засасывается из поплавковой камеры через жиклер и вытекает из распылителя в смесительную
камеру. Попав в вихреобразный поток воздуха, топливо разбрызгивается на мелкие капли, перемешивается с
воздухом, частично испаряется, образуя горючую смесь, поступление которой в цилиндры по количеству
17
270
регулируется дроссельной заслонкой. Простейший карбюратор не может менять состав смеси в соответствии с
режимом работы двигателя. При переводе двигателя с малых оборотов на средние вместо обеднения он обогащает
смесь. При малом числе оборотов карбюратор переобедняет смесь. В целях устранения этих недостатков
современные карбюраторы имеют дозирующее устройство, постепенно обедняющее (компенсирующее) смесь при
переходе от малых нагрузок к средним, и вспомогательные дозирующие устройства.
-4–
Устройство холостого хода — это блок жиклеров, через которые топливо в виде эмульсии подводится по
эмульсионным каналам к отверстиям и через них поступает в смесительные камеры за дроссельными заслонками.
На этом режиме работы топливо через главные распылители не поступает из-за малого разрежения в диффузорах.
Экономайзер состоит из конструктивных элементов. Он обогащает состав смеси при работе двигателя на больших
нагрузках и максимальном режиме. Включается экономайзер посредством механического или пневматического
привода в зависимости от положения дроссельных заслонок или разрежения в диффузорах.
Насос-ускоритель обеспечивает кратковременное обогащение смеси, необходимое при быстром разгоне
автомобиля, в начале которого резко открываются дроссели. Это вызывает быстрое опускание штока с поршнем
насоса-ускорителя. Поршень давит на топливо, и впускной клапан закрывается, а нагнетательный клапан
открывается. Топливо под давлением проходит через отверстие полого винта и через распылители и отверстия
впрыскивается в смесительные камеры.
-5–
Смесеобразование в дизелях начинается с момента впрыска топлива около ВМТ, в конце такта сжатия и
продолжается в течение периода, соответствующего углу поворота коленчатого вала 15—40°. Следовательно,
время, отводимое на смесеобразование, в дизелях в 10—15 раз меньше, чем у карбюраторных двигателей. К тому
же дизельное топливо намного медленней испаряется и, обладая большей вязкостью, труднее распыливается.
Вследствие неблагоприятных условий смесеобразования в дизелях топливо сгорает не полностью, поэтому для них
применяются смеси с большим коэффициентом избытка воздуха, чем в карбюраторных двигателях. Улучшение
процесса смесеобразования в дизелях достигается интенсификацией движения воздуха в камере сгорания. Форма
последней оказывает значительное влияние на этот процесс.
-6–
В дизелях применяют два вида камер сгорания: неразделенные и разделенные. Первые обеспечивают большую
экономичность двигателей, их лучший запуск, но в них впрыскивается топливо при очень высоком давлении (до
137 МПа). Разделенные камеры сгорания обладают противоположными качествами, и топливо в них подается под
сравнительно низким давлением (в пределах 9,8—14,7 МПа).
Опорные слова: карбюрация, карбюратор, системы карбюратора, классификация горючей смеси, коэффициент
избытка воздуха, смесеобразование, разделенная и неразделенная камера сгорания
Контрольные вопросы
1.Что называется карбюрацией?
2.Какие требования предъявляют к карбюратору?
3.Какие системы входят в карбюратор?
4.Какие существуют виды камер сгорания в дизелях?
Задание на дом: составить по теме резюме
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
18
270
Тема № 5:«Характеристики двигателей»
План изложения
1.Режимы работы ДВС
2.Устойчивость режима работы ДВС
3.Назначение и виды испытаний
4.Испытательные стенды
5.ТБ при проведении испытаний
Изложение
-1–
Работу двигателя в различных эксплуатационных условиях можно проанализировать, если установлена связь
между его мощностью, крутящим моментом, расходом топлива и другими величинами и показателями,
определяющими режим работы двигателя. Режим работы двигателя характеризуется нагрузкой и числом оборотов.
Полной нагрузкой называется любой режим работы двигателя, независимо от числа оборотов, при полностью
открытой дроссельной заслонке (карбюраторные и газовые двигатели) или полной подаче топлива (дизельные
двигатели). Частичными нагрузками называются любые другие режимы работы двигателя при неполном
открытии дроссельной заслонки или неполной подаче топлива. Частичные нагрузки оцениваются в долях от
полной нагрузки с указанием соответствующего им числа оборотов. Зависимость какого-либо основного
показателя (или показателей) работы двигателя от другого показателя или фактора, влияющего на работу
двигателя, называется характеристикой двигателя. Характеристики двигателя строятся на основании опытных
данных, получаемых при испытаниях двигателя в лабораторных условиях. Основными характеристиками
двигателя являются: скоростная характеристика; нагрузочная характеристика; регулировочные
характеристики. Испытание и построение регулировочных характеристик двигателя обычно предшествует
получению скоростных и нагрузочных характеристик. Скоростной характеристикой называется зависимость
мощности, крутящего момента, расхода топлива и других показателей работы двигателя от числа оборотов.
Скоростная характеристика строится по данным испытаний двигателя на тормозном стенде и является основным
документом для оценки двигателя при проектировании и в эксплуатации. По скоростным характеристикам
сравнивают двигатели различных моделей. Различают нормальные и нормально-эксплуатационные скоростные
характеристики. Нормальная скоростная характеристика снимается с двигателя, не оборудованного
вентилятором, воздухоочистителем и глушителем, а иногда и генератором. Нормально-эксплуатационная
скоростная характеристика снимается с двигателя, оборудованного полным комплектом всех вспомогательных
приборов. Скоростная характеристика двигателя может быть построена также аналитическим путем, но с
некоторым приближением. Скоростная характеристика в общем виде показана на рис. 8. Характерными точками
по оси частот вращения двигателя на скоростной характеристике являются: nmin – минимальное число оборотов,
при которых двигатель еще может устойчиво работать при полной нагрузке; nM – число оборотов,
соответствующее максимальному крутящему моменту;
Рис.8. Скоростная характеристика двигателя в общем виде
ng – число оборотов, соответствующее наибольшей экономичности;
ne – число оборотов, соответствующее максимальной мощности;
19
270
nX – максимальное число оборотов, которое может развивать двигатель вхолостую при полностью открытом
дросселе или полной подаче топлива;nP – максимальные или “разносные” обороты, которые двигатель может
развивать без регулятора при полностью открытом дросселе или полной подаче на холостом ходу. Работа при
таком числе оборотов недопустима. Из скоростной характеристики следует, что максимальный крутящий момент
выше крутящего момента, реализуемого при максимальной мощности двигателя. Отношение максимального
крутящего момента при nM к крутящему моменту при ne называется коэффициентом приспособляемости К.
Этот коэффициент является показателем, оценивающим динамические качества двигателя. Он характеризует
способность двигателя преодолевать возможное увеличение суммарных сопротивлений при движении машины без
перехода на низшую передачу. Коэффициент приспособляемости у карбюраторных двигателей составляет 1.1–1.4,
у дизельных 1.05–1.15. Число оборотов nM, соответствующее максимальному крутящему моменту, обычно равно
(0.4–0.7) ne.. Нагрузочной характеристикой называется зависимость часового и удельного расходов топлива от
мощности, крутящего момента или среднего эффективного давления двигателя при постоянном числе оборотов.
Для снятия характеристик по нагрузке необходимы следующие условия:




постоянное число оборотов;
установившийся температурный режим двигателя;
регулировка карбюратора в соответствии с инструкцией завода (карбюраторные двигатели);
наивыгоднейший для данного режима оборотов угол опережения зажигания (карбюраторные двигатели)
или угол опережения впрыска (дизельные двигатели).
Снятие характеристик производится при различных положениях дроссельной заслонки (карбюраторные двигатели)
или при различных положениях рейки топливного насоса (дизельные двигатели). На рис. 9 приводятся
нагрузочные характеристики двигателей ЗИЛ-131 и ЯМЗ-236. Нагрузочные, характеристики позволяют оценить
экономичность двигателя при различных режимах работы (по оборотам и нагрузке).
Рис. 9. Нагрузочные характеристики
Регулировочной характеристикой называется зависимость мощности, крутящего момента, расходов топлива или
одного из этих показателей от какого-либо показателя или фактора, влияющего на работу двигателя. Мощность и
экономичность карбюраторных двигателей зависят от состава горючей смеси, на которой они работают. Эту
зависимость определяют с помощью регулировочной характеристики по составу смеси (рис. 10).
Рис. 10. Регулировочная характеристика по составу смеси
20
270
Для определения регулировочной характеристики испытывают двигатель, поддерживая неизменным число
оборотов коленчатого вала, положение дроссельной заслонки и температуру охлаждающей воды. При испытаниях
изменяют только регулировку карбюратора, устанавливая последовательно топливные жиклеры с разными
пропускными способностями или изменяя расход бензина через жиклеры с помощью регулировочной иглы. При
стабильном числе оборотов коленчатого вала и неизменном положении дроссельной заслонки количество воздуха,
поступающего в двигатель, остается постоянным, поэтому в этих условиях изменение пропускной способности
жиклеров обеспечивает обеднение или обогащение состава горючей смеси, на которой работает двигатель.
Количество тепла, которое должно выделяться при полном сгорании топлива, уменьшается как при обеднении
смеси, так и при ее обогащении, учитывая химическую неполноту сгорания. При уменьшении тепловыделения в
процессе сгорания понижаются максимальные температуры и давления цикла, теплопередача в стенки и тепло,
уносимое с выпускными газами. Рациональная регулировка дозирующей системы выбирается на основании ряда
регулировочных характеристик, полученных для конкретных эксплуатационных режимов.
Регулировочная характеристика по опережению зажигания показывает связь между эффективной мощностью,
расходом топлива и углом опережения зажигания (рис. 11).
Рис. 11. Регулировочная характеристика по опережению зажигания
Из сопоставления кривых регулировочной характеристики двигателя следует, что каждому режиму по числу
оборотов соответствует определенный, наиболее выгодный угол опережения зажигания, при котором достигается
наибольшая мощность. С увеличением числа оборотов наиболее выгодный угол опережения зажигания возрастает.
Последнее объясняется главным образом тем, что с увеличением оборотов время, отводимое на сгорание,
сокращается. Регулировочная характеристика карбюраторного двигателя позволяет установить, что при
рассматриваемом числе оборотов наиболее выгодному углу опережения зажигания соответствует не только
наибольшее значение мощности, но и наилучшая экономичность – минимальный удельный расход топлива.
-2–
В условиях эксплуатации двигателей их нагрузка изменяется в широких пределах. При неподвижном рычаге или
педали, управляющими подачей топлива, изменение внешней нагрузки вызовет колебания частоты вращения
двигателя. В этих случаях для сохранения частоты вращения двигателя, постоянной при изменении внешней
нагрузки, необходимо соответственно изменять мощность дизеля, что возможно за счет разного количества
впрыскиваемого дизельного топлива. Таким образом, при регулировании мощности дизеля и приведении ее в
соответствие с внешней нагрузкой необходимо автоматически изменять цикловую подачу топлива, для чего в
систему питания включают регулятор. В соответствии с этим для оценки параметров, характеризующих работу
дизеля с регулятором, используют регуляторную характеристику, определяющую зависимость чисел оборотов,
часовых и удельных расходов топлива и других параметров от эффективной мощности, при воздействии
регулятора на орган подачи топлива. Регуляторную характеристику снимают, испытывая дизель, причем снятие
регуляторной характеристики должно производиться при постоянном положении органа управления регулятором
путем постепенного увеличения нагрузки от холостого хода до полной. При этом числа оборотов изменяются от
максимальных, определяемых регулятором, до оборотов, при которых крутящий момент дизеля достигает
максимума. В соответствии с этим при увеличении внешней нагрузки повышение мощности дизеля должно быть
получено автоматически за счет возрастания цикловых подач дизельного топлива. Регуляторная характеристика
дизеля представлена на рис. 12.
21
270
Рис. 12. Регуляторная характеристика дизеля
-3–
Испытания двигателей можно подразделить на опытно-конструкторские и серийные.
Опытно-конструкторские испытания делятся на исследовательские и контрольные.
Исследовательские испытания проводятся для изучения определенных свойств конкретного двигателя и в
зависимости от целей могут быть доводочными, испытаниями на надежность и граничными.
Доводочные испытания предназначены для оценки конструктивных решений, принятых для достижения
мощностных и экономических показателей, установленных в техническом задании.
Испытаниями на надежность проводятся для оценки соответствия ресурса двигателя и показателей
безотказности, установленных в техническом задании.
Граничные испытания проводятся для оценки зависимости мощностных, экономических показателей и
работоспособности двигателя от граничных условий, установленных в техническом задании; повыщенных и
пониженных температур окружающей среды; кренов и др.
Контрольные испытания предназначены для оценки соответствия всех показателей опытного двигателя
требованиям технического задания. Они делятся на предварительные и межведомственные.
Предварительные контрольные испытания осуществляются комиссией предприятия-разработчика с участием
представителя заказчика для определения возможности предъявления двигателя на приемочные испытания.
Межведомственные испытания являются приемочными испытаниями продукции опытных образцов,
проводимыми комиссией из представителей нескольких заинтересованных министерств или ведомств. По
результатам межведомственных испытаний решается вопрос о возможности и целесообразности передачи
двигателя для испытаний в условиях эксплуатации.
Серийные испытания являются завершающим этапом технологического процесса производства двигателей для
контроля качества их производства и соответствия характеристик техническим условиям на поставку. Эти
испытания делятся на приемо-сдаточные, периодические и типовые.
Приемо-сдаточные испытания проводятся с целью проверки качества сборки двигателя и отдельных его узлов,
приработки трущихся поверхностей, определения соответствия показателей двигателя техническим условиям на
поставку.
Периодические испытания предназначены для периодического контроля стабильности технологического процесса
в период между этими испытаниями, подтверждения возможности продолжения изготовления двигателей по
действующей нормативно-технической и технологической документации.
Типовые испытания проводятся по программе периодических испытаний с целью оценки эффективности и
целесообразности изменений, вносимых в конструкцию или технологию изготовления двигателей.
Испытания проводятся согласно ГОСТов, в которых установлены условия испытаний, требования к
испытательным стендам и аппаратуре, методы и правила проведения испытаний, порядок обработки результатов
испытаний, объем контрольных и приемочных испытаний.
Перед испытаниями двигатели должны быть обкатаны в соответствии с техническими условиями.
В соответствии с ГОСТом при испытаниях двигателей необходимо измерять следующие параметры: крутящий
момент, частоту вращения коленвала, расход топлива, температуру всасываемого воздуха, температуру
охлаждающей жидкости, температуру масла, температуру топлива, температуру отработавших газов,
барометрическое давление, давление масла, давление отработавших газов, угол опережения зажигания или начала
подачи топлива.
22
270
-4–
Испытание двигателей в лабораториях (стационарных) условиях проводят на специальных стендах испытательной
станции. Каждый стенд оснащен тормозным устройством, топливной, воздухопитающей, газовыводящей
системами, смазочной системой, системами охлаждения и пуска, противопожарным оборудованием и т. п.
Двигатель и тормозное устройство устанавливают на опорах, которые крепятся к плите, связанной с фундаментом
посредством анкерных болтов.
Стенд оснащают специальным пультом с органами пуска двигателя и управления им, а также КИП для
определения температур воды и масла, давления масла, частоты вращения коленвала и другими приборами,
предназначенными для контроля работы двигателя и его систем. Для снятия индикаторной диаграммы на стенде
может быть установлен индикатор.
-5–
Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала при испытаниях двигателей лаборатория
должна быть оборудована в соответствии со специальными требованиями – санитарно – техническими, пожарной
безопасности, ТБ.
Лабораторные помещения должны иметь приточно – вытяжную вентиляцию, исключающую загрязнение воздуха
вредными веществами выше допустимой концентрации, установленной санитарными нормами для рабочих
помещений.
Необходимо принимать меры по снижению уровня шума и улучщению шумоизоляции для выполнения требований
по уровню шума в помещениях, где находятся испытатели и обслуживающий персонал.
Особое внимание следует уделять мероприятиям, предупреждающим взрывы и пожары.
Необходима организация периодического контроля оборудования топливных систем, хранения обтирочных и
горючих материалов в закрытой таре, контроля наличия и готовности к использованию средств пожаротушения.
В аварийных ситуациях и при возникновении пожара двигатель должен быть немедленно остановлен, даже под
нагрузкой.
Опорные слова: полной нагрузкой, частичные нагрузки, скоростная характеристика, нагрузочная характеристика,
регулировочная характеристика, скоростная характеристика, нормальная скоростная характеристика, коэффициент
приспособляемости, нагрузочная характеристика, регулировочная характеристика, регуляторная характеристика,
опытно-конструкторские испытания, исследовательские и контрольные испытания, доводочные испытания,
граничные испытания, межведомственные испытания, приемо-сдаточные испытания, периодические испытания,
типовые испытания
Контрольные вопросы
1.Какие существуют режимы работы двигателя?
2.Какие существуют виды испытаний для двигателя?
3.Чем оснащают стенды для испытаний?
4.Какие необходимо предъявлять требования по ТБ при испытании двигателя?
Задание на дом: составить по теме кластер
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
23
270
Тема № 6:«Кинематика кривошипно-шатунного механизма»
План изложения
1.Типы и схемы механизмов, основные понятия и обозначения
2.Кинематика центрального КШМ
Изложение
-1–
Кривошипно-шатунный механизм является основным механизмом поршневого двигателя. Различают несколько
типов и разновидностей кривошипно-шатунных механизмов. Наибольший интерес с точки зрения кинематики
представляет центральный, дезаксиальный (смещенный) и кривошипно-шатунный механизм с прицепным
шатуном.
Центральным кривошипно-шатунным механизмом (рис. 13) называется механизм, у которого ось цилиндра
пересекается с осью коленчатого вала двигателя. Определяющими геометрическими размерами механизма
являются радиус кривошипа r и длина шатуна lш. Их отношение λ= r/ lш представляет собой постоянную величину
для всех геометрически подобных центральных кривошипно-шатунных механизмов, для современных
автомобильных двигателей λ = 0,31-0,24.
При кинематическом исследовании кривошипно-шатунного механизма обычно вводят в рассмотрение ход поршня
S = 2 r, угол поворота кривошипа α, угол β отклонения оси шатуна в плоскости его качания от оси цилиндра
(отклонение в направлении вращения вала считается положительным, а в противоположном — отрицательным),
угловая скорость ω.
Ход поршня S и длина шатуна lш являются основными конструктивными параметрами центрального кривошипношатунного механизма.
В дезаксиальном (смещенном) кривошипно-шатунном механизме (рис. 14) ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала и смещена относительно ее на расстояние а.
Рис.13. Схема центрального КШМ
Рис. 14. Схема смещенного КШМ
При применении дезаксиального кривошипно-шатунного механизма в двигателе достигаются следующие
преимущества:
1. Возрастает расстояние между коленчатым и распределительным валами, а следовательно, увеличивается
пространство для перемещения нижней головки шатуна.
2. Перераспределяются нагрузки на ходе расширения и ходе сжатия, что способствует более равномерному
износу цилиндров двигателя.
3. При одинаковых радиусах кривошипа и отношениях радиуса кривошипа к длине шатуна возрастает ход
поршня, что обусловливает снижение содержания токсичных составляющих в отработавших газах двигателя.
4. Повышается при прочих равных условиях рабочий объем двигателя, что способствует некоторому увеличению его мощности.
Дезаксиальные механизмы обычно применяются в двигателях с нижним расположением кулачкового вала, так как
позволяют увеличить расстояние между осями коленчатого и распределительного валов и улучшить компоновку
24
270
двигателя.
Принципиальная схема кривошипно-шатунного механизма с прицепным шатуном показана на рис. 15.
Рис. 15. Схема КШМ с прицепным шатуном
Один шатун в этом механизме шарнирно соединен непосредственно с шейкой коленчатого вала и называется главным, а второй — с главным шатуном посредством пальца,
расположенного на его головке, и носит название прицепного.
Система главного и прицепного шатунов применена на дизелях Д12 и т. п. В такой
системе шатунов отмечается высокая жесткость кривошипной головки главного шатуна;
поршни, сочлененные с главным и прицепным шатунами, имеют неодинаковый ход, так
как ось кривошипной головки прицепного шатуна при работе описывает эллипс, большая полуось которого
больше радиуса кривошипа. В двигателях типа Д12 разница в ходе поршней составляет 6,7 мм. Все геометрически
подобные центральные кривошипные механизмы характеризуются одним безразмерным параметром λ.
Дезаксиальные (смещенные) механизмы, кроме параметра λ, характеризуются и относительным смещением е =
a/r. Обычно е = 0,05 - 0,2 мм.
-2–
Задача кинематического расчета заключается в нахождении аналитических зависимостей перемещения, скорости и
ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала. По данным кинематического расчета выполняют
динамический расчет и определяют силы и моменты, действующие на детали двигателя.
При кинематическом исследовании кривошипно-шатунного механизма предполагают, что ω = const, тогда угол
поворота вала α пропорционален времени, поэтому все кинематические величины могут быть выражены в
функции угла α.
Перемещение поршня. За исходное положение механизма принимают положение поршня в ВМТ. При повороте
кривошипа на угол α перемещение х поршня от его начального положения в ВМТ равно отрезку АА' (см. рис. 13),
т. е.
Х = А А' = А'О — АО = r + lш— АО.
При изменении угла α от 0 до 90° шатун одновременно с перемещением к коленвалу отклоняется от оси
цилиндра, причем перемещения шатуна соответствуют движению поршня в одном направлении, в то время как
при изменении угла α от 90 180° наблюдается обратная картина – второе перемещение шатуна соответствует
движению поршня в обратном направлении.
Скорость поршня. Средняя скорость поршня
υп. ср. =(2/π) rω
Средняя скорость поршня в автомобильных двигателях ограничивается условиями надежной работы поршневой
группы, обычно υп. ср. = 8-15 м/с.
Ускорение поршня. Минимальное значение ускорения поршня (jп = 0) соответствует углу поворота кривошипа α,
при котором скорость поршня имеет максимальное значение.
Максимальные ускорения поршня в транспортных двигателях равны 10 000 м/с2.
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра. Ход поршня S и диаметр цилиндра D — основные размеры
цилиндра двигателя. В автомобильных двигателях диаметр цилиндра равен 70—130 мм. Отношение S/ D является
одним из основных параметров, определяющих размеры и массу двигателя. В современных автомобильных двигателях S/ D = 0,8--1,2. Двигатели с S/D > 1 называются длинноходными, а с S/D < 1 — короткоходными. Этот
параметр связан непосредственно со скоростью поршня и мощностью двигателя.
В высокооборотных двигателях отношение S/D целесообразно уменьшать до определенного предела для получения умеренной скорости поршня, увеличения механического КПД, снижения размеров в направлении оси
цилиндра и повышения жесткости коленчатого вала. С уменьшением радиуса кривошипа снижается износ
поршневых колец. При отношении S/D улучшается компоновка детали механизма газораспределения в головке
цилиндров. С уменьшением отношения S/D увеличивается длина двигателя, а в некоторых случаях и его масса.
При этом износ гильз почти не уменьшается, так как износ пропорционален частоте вращения вала и практически
не зависит от хода поршня.
У V-образных двигателей при отношении S/D > 1 межцилиндровые расстояния возрастают, что обусловливает
увеличение длины двигателя, а при отношении S/D < 1 минимальная длина двигателя определяется длиной коленчатого вала, получаемой из расчета износостойкости шеек и прочности щек. Поэтому снижение S/D особенно
целесообразно в V-образных и многорядных двигателях. Применение конструкций с малыми S/D приводит также
к уменьшению высоты и ширины V-образного двигателя, особенно при большом угле развала цилиндров. По той
же причине двигатели с противолежащими горизонтальными цилиндрами целесообразно выполнять
короткоходными.
При выборе оптимального отношения S/D следует учитывать, что силы, действующие на узлы, в большей степени
зависят от диаметра цилиндра и в меньшей от хода поршня.
25
270
Опорные слова: центральный КШМ, дезаксиальный (смещенный) КШМ, КШМ с прицепным шатуном,
перемещение поршня, скорость поршня, ускорение поршня, отношение хода поршня к диаметру цилиндр,
длинноходный двигатель, короткоходный двигатель
Контрольные вопросы
1.Какие существуют виды КШМ?
2.Какие преимущества имеет дезаксиальный КШМ?
3.Что такое короткоходный или длинноходный двигатель?
4.Одной из основных параметров двигателя?
Задание на дом: составить по теме вопросы и к ним ответы
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
Тема № 7:«Динамика кривошипно-шатунного механизма»
План изложения
270
1.Приведение масс деталей КШМ
2.Силы и моменты, действующие в КШМ одноцилиндрового двигателя
3.Расположение кривошипов и порядок работы цилиндров в многоцилиндровых двигателях
Изложение
-1–
Для определения сил инерции, действующих в кривошипно-шатунном механизме, необходимо знать массы
перемещающихся деталей. Определение масс этих деталей затруднено, так как шатуны двигателя совершают
сложное движение. Для упрощения расчетов действительную систему масс кривошипного механизма заменяют
динамически эквивалентной системой, отдельные массы которой совершают только возвратно-поступательное или
только вращательное движение. Такой процесс называют приведением масс.
Все детали кривошипно-шатунного механизма по характеру их движения можно разделить на три следующие
группы.
1. Детали, совершающие прямолинейное возвратно-поступательное движение. К ним относятся поршень,
поршневые кольца, поршневой палец с деталями крепления. Все эти детали объединяются в одну поршневую
группу с массой mп. г.
2. Детали, совершающие вращательное движение. К ним относится кривошип со всеми его элементами,
поршневая группа этих деталей имеет массу тк.
3. Детали, совершающие сложное плоскопараллельное движение. К этой группе деталей относится шатун с
вкладышами и болтами нижней головки и втулкой верхней головки, т. е. шатунная группа с массой тш.
Приведение массы деталей поршневой группы. Масса деталей поршневой группы mп. г. считается
сосредоточенной на оси поршневого пальца. Для определения массы деталей поршневой группы вновь проектируемого двигателя пользуются статистическими данными, которые приводятся в виде конструктивной массы
деталей поршневой группы mп. г о и представляют собой массу поршневой группы, приходящуюся на площадь
поршня,
mп. г о = mп. г. /S
Таким образом, задаваясь mп. г о и зная площадь поршня, можно определить массу поршневой группы mп. г..
Приведение массы шатунной группы. При динамическом исследовании массу шатуна тш (рис. 16) расчленяют
на две массы — на массу тш.п и массу тш.к. Массу тш.п , сосредоточенную на оси поршневого пальца, относят к
массе деталей, имеющих возвратно-поступательное движение, а массу тг, сосредоточенную на оси шатунной
шейки, — к массе вращающихся деталей.
Рис. 16. Схема щатунной группы:
а – реальная; б - эквивалентная
Значение заменяющих масс принимается обратно пропорциональным расстояниям от центра тяжести шатуна до
осей верхней lш д и нижней lш. к головок, т. е.
тш.п = тш lш.к / lш
тш.к = тш lш п/ lш
Теоретически для получения динамически заменяющей системы должны быть выполнены следующие условия:
. =const, т.е. тш + тш.к
неизменность положения центра тяжести шатуна, т. е. тш.п lш п = тш.к lш. к, также момента инерции относительно
центра тяжести шатуна, т. е. Σ тili2 =Iш. Обычно третье условие не выполняется. Ввиду небольших числовых
значений разности моментов инерции приведенной системы и шатуна, практически не влияющих на точность
расчета, третьим условием пренебрегают и динамически замещающей системой считают систему,
удовлетворяющую первым двум условиям.
При динамическом расчете проектируемых двигателей следует пользоваться статистическими данными,
которые так же, как и для деталей поршневой группы, приводятся для конструктивных масс деталей шатунной
группы. Таким образом,
тш о = тш /Fп
270
Приведение массы кривошипа. Неуравновешенные массы кривошипа (рис. 17) заменяют одной приведенной
массой с соблюдением условия равенства центробежной силы инерции действительной массы центробежной силе
приведенной массы. Эквивалентную массу приводят к радиусу кривошипа r и обозначают тк. Массу шатунной
шейки mш.ш с прилежащими частями щек принимают сосредоточенной посередине оси шейки, и так как центр
тяжести ее удален от оси вала на расстояние, равное r, приведения этой массы не требуется.
Массу щеки тщ с центром тяжести на расстоянии р от оси коленчатого вала заменяют приведенной массой (тщ ),
расположенной на расстоянии r от оси коленчатого вала.
б)
a)
Рис. 17. Схемы кривошипа:
а – реальная; б – эквивалентная
Для проектируемых двигателей тк вычисляют, задавая конструктивные массы кривошипов тк о, представляющие
отношение действительной массы кривошипа к площади поршня
тк о = тк / Fп
Эквивалентные схемы кривошипного механизма. После приведения масс кривошипный механизм можно
представить в виде системы, состоящей из двух сосредоточенных масс, соединенных жесткой невесомой связью
(рис. 18).
Рис. 18. Эквивалентная схема одноцилиндрового двигателя
Рис. 19. Эквивалентная схема
V - образного двухцилиндрового двигателя
В V – образных двигателях с коленом вала сочленяются два шатуна противолежащих цилиндров, поэтому кривошипный механизм двухцилиндрового отсека двигателя с центральными шатунами приводится к системе из трех
сосредоточенных масс (рис. 18).
-2–
Силы инерции. Полученная выше двухмассовая система, динамически замещающая кривошипный механизм,
в которой одна масса совершает возвратно-поступательное движение, позволяет достаточно просто определить
силы инерции, действующие на детали кривошипного механизма, Силы инерции, действующие на детали
кривошипного механизма, сводятся к двум силам - силе инерции F j от возвратно-поступательно движущихся
масс кривошипного механизма и центробежной силе инерции Кг от вращающихся масс кривошипного
механизма.
Сила инерции F j действует вдоль оси цилиндра. Она может быть направлена вверх или вниз относительно оси
коленчатого вала.
270
Кроме рассмотренных сил, в кривошипно-шатунном механизме действует и центробежная сила инерции К г . Эта
сила приложена к шатунной шейке кривошипа и направлена вдоль его оси в сторону от оси коленчатого вала.
Она, так же как и сила F j , является неуравновешенной и передается через коренные подшипники на опоры двигателя.
Аналитические и графические выражения сил и моментов. При динамическом исследовании деталей
кривошипно-шатунного механизма для определения, действующих на них сил и моментов могут использоваться
аналитический и графический методы.
Аналитический метод. При определении сил и моментов, действующих в кривошипно-шатунном механизме,
аналитическим методом используются соответствующие уравнения.
-3–
Расположение кривошипов коленчатого вала многоцилиндрового двигателя должно удовлетворять двум
основным требованиям: обеспечению оптимальной равномерности хода двигателя и взаимной уравновешенности
сил инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс.
Чтобы удовлетворить требованиям обеспечения равномерности хода, необходимо создать условия для чередования в цилиндрах вспышек через равные угловые интервалы поворота коленчатого вала. Поэтому для однорядного двигателя угол φ между кривошипами, соответствующий угловому интервалу между вспышками, должен
быть равен при четырехтактном цикле
при двухтактном
φ = 720 i /,
φ = 360/ i,
где i — число цилиндров.
Это же правило сохраняется для определения угла между кривошипами коленчатого вала многорядных двигателей.
На равномерность чередования вспышек в цилиндрах многорядного двигателя, кроме угла между кривошипами
коленчатого вала, влияет и угол у между рядами цилиндров. Для получения оптимальной равномерности хода «рядного двигателя этот угол, называемый обычно углом развала, должен быть в п раз меньше угла между кривошипами коленчатого вала, т. е.
у = φ /n
Тогда угловой интервал между вспышками для четырехтактного двигателя
α всп =720/ ni
для двухтактного
α всп =360/ ni
Для удовлетворения требования уравновешенности необходимо, чтобы число цилиндров в одном ряду и соответственно число кривошипов коленчатого вала было четным, причем кривошипы должны быть расположены
симметрично относительно середины коленчатого вА Л А . Симметричное по отношению к середине коленчатого
вала расположение кривошипов называется зеркальным, так К АК одна половина коленчатого вала является как бы
зеркальным изображением второй его половины.
При выборе формы коленчатого вала, кроме обеспечения условий равномерности хода и уравновешенности двигателя, необходимо учитывать порядок работы цилиндров.
Оптимальным порядком работы цилиндров считают порядок, при котором очередные рабочие ходы происходят в
цилиндрах, наиболее удаленных один от другого. Такой порядок работы позволяет снизить нагрузки на
коренные подшипники коленчатого вала и улучшить охлаждение двигателя.
Шестицилиндровый двигатель обладает лучшей равномерностью хода, чем четырехцилиндровый, и полностью
уравновешен.
Опорные слова: приведение масс, прямолинейное возвратно-поступательное движение, приведение массы деталей
поршневой группы, приведение массы шатунной группы, приведение массы кривошипа
Контрольные вопросы
1.Что называется приведением масс?
2.На какие подразделяется КШМ по характеру движения?
3.Какие силы действуют на КШМ?
4.Как располагаются кривошипы коленвала?
Задание на дом: составить по теме кроссворд
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
270
Тема № 8:«Уравновешивание двигателей»
План изложения
1.Силы и моменты, вызывающие неуравновешенность двигателя
2.Уравновешивание одноцилиндрового двигателя
3.Уравновешивание многоцилиндровых двигателей
4. Балансировка коленчатого вала и равномерность хода двигателя
5.Крутильные колебания коленчатого вала
Изложение
-1–
Двигатель считается уравновешенным, если во время установившегося режима работы на его опоры действуют
постоянные по величине и направлению силы и моменты. У неуравновешенного двигателя силы, действующие
на его опоры и автомобиль в целом, вызывают вибрации, которые приводят к ослаблению крепежных
соединений, нарушению регулировок узлов и механизмов, поломке деталей двигателя, затрудняют пользование
контрольно-измерительными приборами, а также повышение уровня шума. Вибрации, кроме того, оказывают
неблагоприятное воздействие на человеческий организм; они вызывают быстрое утомление и снижение
работоспособности водителя (экипажа).
На основании изложенного при разработке конструкции двигателя стремятся к тому, чтобы уменьшить влияние
переменных сил и моментов.
Комплекс мероприятий по устранению причин неуравновешенности называется уравновешиванием двигателей.
Уравновешивание двигателей осуществляется двумя способами: соответствующим расположением цилиндров и
кривошипов коленчатого вала, при котором силы инерции и моменты от них уравновешиваются установкой
противовесов, центробежные силы, инерции которых и моменты от этих сил в любой момент времени
уравновешивают инерционные силы и моменты, возникающие при движении деталей кривошипно-шатунного
механизма.
Динамический расчет кривошипного механизма показал, что при работе двигателя на его опоры передаются
переменные по величине и направлению силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращательно
движущихся масс, моменты от этих сил, а также опрокидывающий момент, которые вызывают
неуравновешенность многоцилиндрового двигателя.
В зависимости от того, в какой степени устраняются причины, вызывающие неуравновешенность двигателя,
различают полностью уравновешенные, частично уравновешенные и неуравновешенные двигатели.
В ДВС с одним коленчатым валом опрокидывающий момент, возникающий как реакция на действие крутящего
момента, уравновесить невозможно. Следовательно, абсолютной уравновешенности двигателя достигнуть нельзя
даже принципиально
Поэтому практически уравновешенными считают такие двигатели, в которых уравновешены все силы и
моменты, кроме опрокидывающего момента. Если приведенное условие не выполняется, то двигатель будет
частично или полностью неуравновешенным.
Степень неравномерности остающегося неуравновешенным опрокидывающего момента в случае полной уравновешенности двигателя зависит от характера изменения крутящего момента. Поэтому, если нельзя уравновесить
опрокидывающий момент, то можно уменьшить его неравномерность путем снижения неравномерности крутящего момента. Это достигается увеличением числа цилиндров двигателя при равных интервалах между вспышками в отдельных цилиндрах. Необходимо обеспечить также одинаковое протекание рабочих процессов во всех
цилиндрах двигателя, определяемое для дизелей равенством углов опережения впрыскивания и цикловых подач
'топлива, равномерностью наполнения цилиндров, идентичным тепловым режимом и т. п. Для карбюраторных
двигателей к основным факторам, обусловливающим равномерность изменения крутящего момента, относятся
обеспечение однородности состава смеси, равенства углов опережения зажигания и равномерности
распределения смеси по цилиндрам.
Для достижения предусмотренной в процессе конструктивной разработки двигателя его уравновешенности
необходимо выполнить также определенные условия, относящиеся к производству деталей и сборке узлов двигателя, главными из которых являются обеспечение равенства масс поршневых групп, равенства масс и одинаковое
положение центров тяжести шатунов, а также статической и динамической сбалансированности коленчатого
вала.
-2–
В одноцилиндровом двигателе не уравновешены сила инерции вращающихся масс, силы инерции возвратнопоступательно движущихся масс и опрокидывающий момент. Одноцилиндровый двигатель можно уравновесить
только установкой противовесов.
Уравновешивание силы К г . Центробежную силу К г уравновешивают установкой противовесов на
продолжении щеки коленчатого вала. Массу противовесов подбирают так, чтобы возникающая при вращении
вала центробежная сила противовесов была равна силе К г. Для снижения расхода металла р пр (расстояние
центра тяжести противовеса от оси вращения) следует принимать возможно большим, так как при этом масса
противовесов может быть уменьшена. Однако по конструктивным соображениям это не всегда удается.
Количество противовесов определяется условиями компоновки всего уравновешивающего механизма в целом.
Необходимость уравновешивающего механизма в лабораторных одноцилиндровых установках определяется
значительными неуравновешенными силами инерции, действующими в кривошипно-шатунном механизме.
-3–
270
В отличие от одноцилиндрового двигателя на опоры многоцилиндровых двигателей могут передаваться не только
силы инерции, но и моменты от этих сил. Взаимное уравновешивание этих сил и моментов можно достигнуть
путем выбора определенного числа цилиндров и соответствующего расположения их и кривошипов коленчатого
вала. Если таким методом обеспечить уравновешивание не удается, тогда уравновешивание многоцилиндрового
двигателя осуществляется при установке системы противовесов, аналогичной системе для уравновешивания
одноцилиндрового двигателя.
Порядок работы цилиндров двигателя 1—5—3—6—2—4 или 1—2—4—6—5—3.
Так как углы между кривошипами равны и кривошипы не лежат в одной плоскости, сумма центробежных сил и
суммы сил инерции первого и второго порядков равны нулю. Вследствие того, что вал имеет зеркальную симметрию, продольные моменты всех сил инерции равны нулю. Таким образом, рассматриваемый двигатель является
уравновешенным.
Уравновешивание четырехтактного V-образного шестицилиндрового двигателя с углом между осями цилиндров 90°. Угол развала между цилиндрами 90° обеспечивает хорошую компактность конструкции при одновременном относительно небольшом нарушении равенства угловых интервалов между рабочими ходами в отдельных
цилиндрах и некоторым ухудшением равномерности крутящего момента. Кривошипы коленчатого вала такого
двигателя расположены через 120°. Порядок работы цилиндров такого двигателя 1—4—2—5—3—6.
Так как кривошипы вала такого двигателя расположены под равными углами, суммы центробежных сил и сил
инерции первого и второго порядков равны нулю. Вследствие того, что вал несимметричен, в двигателе возникают
продольные моменты от всех сил инерции.
Уравновешивание четырехтактного V-образного восьмицилиндрового двигателя. Угол между кривошипами
коленчатого вала такого двигателя может составлять 180 или 90°. В первом случае коленчатый вал называется
плоским, так как все кривошипы лежат в одной плоскости; во втором случае вал называется крестообразным. Так
как углы между кривошипами обоих валов равны, то сумма сил инерции для крестообразного вала равна нулю; для
плоского вала не равна нулю только сумма сил инерции второго порядка вследствие того, что кривошипы
коленчатого вала лежат в одной плоскости.
При плоском вале моменты всех сил инерции равны нулю (вал имеет зеркальную симметрию). Для несимметричного крестообразного моменты не равны нулю, а момент сил инерции второго порядка равен нулю, так как
кривошипы вала попарно равноудалены от середины вала и угол между кривошипами в каждой паре составляет
180°.
Таким образом, в двигателе с плоским валом необходимо уравновешивать суммарную силу инерции, а в двигателе
с крестообразным коленчатым валом — моменты.
При угле между осями цилиндров у = 90° моменты уравновешиваются установкой противовесов на концах
коленчатого вала. Уравновешивание сил инерции вызывает необходимость размещения дополнительных валов с
противовесами, что значительно усложняет конструкцию двигателя. Поэтому предпочтение обычно отдают
двигателям с крестообразным валом (двигатели ЗИЛ-130, ЗИЛ-131, ЗИЛ-375, ЯМЗ-238, ЯМЗ-740, ЗМЗ-53 и 3A366).
Равномерное чередование вспышек в двигателе обеспечивается при порядке работы цилиндров 1—5—4—2— 6-37-8.
В двигателях ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 для снижения массы кривошипно-шатунного механизма и двигателя в целом
применена система уравновешивания с выносными противовесами, расположенными на переднем конце коленчатого вала и в маховике.
-4–
Балансировкой коленчатого вала называют процесс подбора и закрепления уравновешивающих грузов ля
обеспечения его полной динамической уравновешенности.
Различают два вида балансировки — статическую и динамическую. Динамическая балансировка обеспечивает
большую точность, чем статическая. Поэтому коленчатые валы, к которым предъявляются повышенные
требования в отношении уравновешенности, подвергают динамической балансировке.
Динамическую балансировку выполняют на специальных балансировочных станках (рис. 20).
Рис. 20. Балансировочный станок:
а- конструкция; 6 — схема привода
привода
На раме 1 станка на стойках 4 устанавливают коленчатый вал 5 . Рама связана со станиной неподвижным
шарниром 2 , вокруг которого она может поворачиваться, а также упругой опорой 3 .
Балансировку коленчатого вала производят в плоскостях I - I и II - II в два этапа. На первом этапе плоскость I - I
проходит через ось неподвижного шарнира 2 , и балансировку осуществляют в плоскости II - II; на втором этапе
через ось неподвижного шарнира 2 проходит плоскость II - II, а балансировку проводят в плоскости I – I.
270
Коленчатый вал приводится во вращение с помощью специального привода. Шкив 8, закрепленный на валу
электродвигателя 9, связан лентой 10 со шкивом 11, закрепленным на стержне. Натяжение ленты регулируют
перемещением шкива 11 по стержню 6 . Стержень со шкивом уравновешивается грузом 7 . Если при включенном
электродвигателе движущуюся ленту прижать к плоскости коленчатого вала с помощью рукоятки 12, то вследствие трения вал также начнет вращаться. При достижении требуемой угловой скорости с помощью рукоятки 12
привод отводят от вала.
При вращении коленчатого вала центробежные силы приведенных масс оказывают динамическое воздействие,
вызывая колебания рамы 1 на упругой опоре 3 . Амплитуда колебаний зависит от степени неуравновешенности
вала, упругих свойств опоры 3 и режима работы. Балансировку проводят или на резонансном режиме, или при
угловых скоростях, значительно превышающих резонансные.
Для полного уравновешивания детали необходимо опытным путем определить массу и положение уравновешивающих грузов в плоскостях I - I и II - II , т. е. найти диаметральные плоскости, в которых эти грузы необходимо установить, и определить их статические моменты относительно оси вращения вала.
Для решения этих задач балансировочные станки оборудованы специальной измерительной аппаратурой, а на
современных станках установлено счетно-решающее устройство, с помощью которого определяют положение
уравновешивающего груза. Массу груза подбирают последовательными пробами, ориентируясь на показания
приборов.
Суммарный крутящий момент двигателя даже при установившемся режиме работы в результате периодического
изменения сил давления газов и сил инерции непрерывно изменяется в пределах цикла. Относительное изменение
этих сил характеризуется коэффициентом неравномерности крутящего момента.
Неравномерность крутящего момента уменьшается при увеличении числа цилиндров двигателя.
Периодические изменения крутящего момента по углу поворота коленчатого вала обусловливают периодические
изменения угловой скорости, колебания которой вызывают дополнительные динамические нагрузки на детали
двигателя.
Степень неравномерности вращения коленчатого вала или неравномерность хода двигателя при установившемся
режиме работы оцениваются коэффициентом неравномерности хода.
-5–
Коленчатый вал и соединенные с ним детали представляют упругую систему, которая под действием внешней
переменной нагрузки испытывает колебательное движение. При этом происходит относительное перемещение
масс, вызывающее закручивание и изгиб коленчатого вала.
Колебания, сопровождающиеся периодическим закручиванием участков вала, называются крутильными.
В результате периодического изменения сил давления газов и сил инерции суммарный крутящий момент двигателя
непрерывно изменяется. Неравномерность крутящего момента является причиной возникновения крутильных
колебаний в системе коленчатого вала. Крутильные колебания действуют не только на детали кривошипного
механизма, но и на механизмы передач и приводов.
Как известно из общей теории колебаний, система, состоящая из массивного диска, закрепленного на упругом
стержне, и закрученная моментом на угол, совершает свободные синусоидальные колебания с частотой пс.
Такие колебания называются собственными или свободными, а параметр п0 — собственно частотой колебаний. В
реальных системах (коленчатых валах) свободные колебания достаточно быстро затухают, так как энергия
возбуждения, внесенная в систему, расходуется на преодоление внешних и внутренних сопротивлений.
Если в систему периодически подводить энергию, равную энергии, затраченной на преодоление сопротивлений,
колебания становятся незатухающими.
Колебания, возникающие в реальных коленчатых валах под воздействием периодически изменяющихся моментов
внешних сил, называются вынужденными. Периодически изменяющимися внешними усилиями являются
неравномерные по величине крутящие моменты, действующие на каждом кривошипе. Как следует из динамического расчета, крутящий момент имеет периодический, но не гармонический (синусоидальный) характер.
Для проведения расчета кривую крутящего момента заменяют суммой гармонических кривых — гармоник,
представляющих синусоиды с различными амплитудами, начальными фазами и частотами.
При совпадении частоты какой-либо гармонической составляющей возбуждающего момента с одной из собственных круговых частот колебаний системы возникает резонанс. При резонансе в элементах вала образуются
наибольшие амплитуды колебаний и, следовательно, наибольшие напряжения. Длительное воздействие напряжений, возникающих при резонансе в элементах вала, может привести к их усталостному разрушению. Крутильные
колебания коленчатого вала отрицательно влияют также на работу связанных с ним механизмов и приборов
двигателя. Если в результате расчета окажется, что амплитуды колебаний при резонансе превышают предельно
допустимые значения, необходимо принимать меры для улучшения крутильной характеристики системы. Для
этого в систему вносят изменения, связанные с перераспределением жесткостей и масс, что позволяет изменить
частоту собственных колебаний системы.
Иногда уменьшению крутильных колебаний способствует введение в конструкцию упругих пружинных муфт.
Обладая большой податливостью, такие муфты, помимо основного назначения, способствуют снижению
собственной частоты колебаний системы и позволяют исключить резонанс.
Для этих целей применяют специальные устройства, называемые гасителями крутильных колебаний.
По характеру действия на систему гасители крутильных колебаний делятся на динамические, работа которых не
сопровождается поглощением энергии, и демпферы трения, которые поглощают часть энергии, подводимой
возбуждающим моментом, и рассеивают ее в окружающую среду.
270
Опорные слова: неуравновещенность двигателя, уравновешивание двигателя, балансировка коленвала,
крутильные колебания, собственные и свободные колебания, гаситель крутильных колебаний, порядок работы
дигателя
Контрольные вопросы
1.Какие силы и моменты вызывают неуравновешенность двигателя?
2.Как осуществляют уравновешивание двигателей?
3.Как осуществляют балансировку коленвала?
4.Что называются крутильными колебаниями?
Задание на дом: составить по теме кластер и к нему составить вопросы
Литература: С. Н.Богданов «Автомобильные двигатели» г. Москва «Машиностроение» 1987 г.
33
270
Тема № 9: «Эксплуатационные свойства автомобиля»
План изложения
1.Теория автомобиля – как наука
2.Виды эксплуатационных свойств автомобиля
3.Измерители и показатели
Изложение
-1Теория автомобиля — это наука о его эксплуатационных свойствах, которые характеризуют возможность эффективного использования автомобиля в определенных условиях и позволяют оценить, в какой мере его
конструкция отвечает этим условиям. Знание теории автомобиля необходимо при проектировании новых моделей,
а также при выборе типов автомобилей в соответствии с различными условиями эксплуатации. Реализация
достижений теории на практике дает возможность повысить производительность автомобиля и снизить
себестоимость перевозок. Для этого следует увеличить среднюю скорость движения и уменьшить расход топлива
при одновременном сохранении безопасности движения и обеспечении удобств для водителя и пассажиров.
-2В теории автомобиля рассматривают эксплуатационные свойства, непосредственно связанные с движением
автомобиля. К ним относят динамичность, топливную экономичность, управляемость, устойчивость,
проходимость и плавность хода автомобиля. Остальные эксплуатационные свойства (надежность, долговечность и
др.) рассматривают в других курсах.
Под динамичностью автомобиля понимают его свойство перевозить грузы и пассажиров с максимально
возможной средней скоростью. Чем выше динамичность автомобиля, тем больше его производительность.
Динамичность автомобиля зависит прежде всего от его тяговых и тормозных свойств.
Топливная экономичность — рациональное использование энергии топлива при движении автомобиля.
Затраты на топливо составляют значительную часть стоимости перевозок, поэтому чем меньше расход топлива,
тем ниже эксплуатационные расходы.
Управляемость — свойство автомобиля изменять направление движения при изменении положения
управляемых колес.
Устойчивость — свойство автомобиля, обеспечивающее сохранение направления движения и
противодействие силам, стремящимся вызвать занос и опрокидывание автомобиля. Особенно высокие требования
к устойчивости автомобиля предъявляются при его работе на скользких дорогах и при движении с большими
скоростями. Устойчивость автомобиля вместе с его управляемостью и тормозной динамичностью обусловливают
безопасность движения.
Проходимость — свойство автомобиля уверенно двигаться по ухудшенным (мокрым, скользким) и плохим
(разбитым, размокшим) дорогам, пересеченной местности вне дорог и преодолевать естественные и искусственные
препятствия (канавы, рвы, пороги) без вспомогательных устройств. Проходимость имеет большое значение для
автомобилей, работающих в сельском хозяйстве, лесной промышленности, на строительстве, в карьерах.
Плавность хода — свойство автомобиля двигаться по неровным дорогам без сильных сотрясений кузова. От
плавности хода зависят скорость движения, расход топлива, сохранность грузов и комфортабельность автомобиля.
Надежность — свойство автомобиля безотказно перевозить грузы и пассажиров в течение определенного
срока без ухудшения основных эксплуатационных показателей.
Долговечность — свойство автомобиля сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при
установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность — свойство автомобиля, определяющее приспособленность к предупреждению и
обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения
ремонтов и технического обслуживания.
В теории автомобиля его эксплуатационные свойства изучают изолированно одно от другого. В действительности
все они тесно взаимно связаны. Так, средняя скорость автомобиля на поворотах может быть ограничена не
динамичностью, а управляемостью и устойчивостью, а на неровных поверхностях - плавностью хода. Увеличение
средней скорости, имеющее решающее значение для производительности автомобиля, может вызвать увеличение
расхода топлива, т. е. ухудшить топливную экономичность, и т. д.
-3Эксплуатационные свойства автомобиля оценивают с помощью системы измерителей и показателей.
Измеритель — это единица измерения эксплуатационного свойства автомобиля. Например, измерителем
динамичности автомобиля служат скорость и ускорение. Измеритель характеризует эксплуатационное свойство с
качественной стороны, иногда для полной оценки свойства необходимо несколько измерителей.
Показатель — это число, характеризующее величину измерителя, его количественное значение. Показатель
позволяет оценить эксплуатационное свойство автомобиля при определенных условиях работы. Обычно
34
270
показатель используют для установления граничных возможностей автомобиля в конкретных условиях
эксплуатации. Так, одним из показателей тяговой динамичности автомобиля является максимальная скорость,
развиваемая им на горизонтальном участке дороги с хорошим покрытием.
Опорные слова: динамичность, топливная экономичность, управляемость, устойчивость, плавность хода,
надежность, долговечность, ремонтопригодность, измеритель, показатель
Контрольные вопросы
1.Что изучает предмет теория автомобилей?
2.Какие эксплуатационные свойства рассматриваются в теории автомобиля?
3.Что такое измеритель?
4.Что такое показатель?
Задание на дом: составить опорный конспект по теме и к нему вопросы
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
35
270
Тема № 10: «Силы и моменты, действующие на автомобиль при его движении»
План изложения
1.Сила тяги на ведущих колесах автомобиля
2.Сопротивление дороги
3.Сопротивление воздуха
4.Сила тяги по условиям сцепления шин с дорогой
Изложение
-1Равнодействующую всех сил, действующих со стороны дороги на колесо в области контакта, называют реакцией
дороги. Ее можно представить в виде трех составляющих: нормальной Rz, перпендикулярной дороге (рис. 21, а),
касательной Rx, действующей в плоскости дороги и в плоскости колеса, и поперечной Ry, лежащей в плоскости
дороги и перпендикулярной колесу.
Рис. 21. Реакции дороги, действующие на колесо
Возникновение реакций Rx и Ry возможно лишь при наличии реакции Rz..
При движении автомобиля ведущее колесо, вращаясь под действием приложенного к нему крутящего момента Мт
(рис. 21, б), стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия. Со стороны дороги на ведущее колесо в
зоне контакта действует противоположно направленная сила - касательная реакция дороги Rx2. При качении колеса
неизбежны необратимые потери в шинах, поэтому для движения автомобиля используется не весь момент,
подведенный к ведущим колесам, а лишь некоторая его часть. В соответствии с этим разделением действительную
силу Rx2, приложенную к колесу со стороны дороги, условно представляют в виде разности двух сил: силы тяги Рт
и силы, учитывающей потери энергии в шинах ведущих колес Pk2:
Rx2= Рт - Pk2
Сила тяги — отношение момента на полуосях к радиусу r ведущих колес при равномерном движении
автомобиля (Рт = Мт/ r). Таким образом, понятие «сила тяги» не учитывает затраты энергии на трение внутри
шины, деформацию дороги, а также на ускорение вращающихся деталей. Эти затраты учитываются отдельно.
На ведомом колесе сила тяги отсутствует (Рт = 0), и при равномерном движении касательная реакция дороги равна
силе сопротивления качению ведомых колес (Rxl = — РК1). Знак минус указывает на то, что реакция на ведомых
колесах имеет направление, противоположное движению автомобиля.
Для определения силы тяги необходимо знать радиус r ведущего колеса и момент Мт. Так как на колеса
автомобиля установлены эластичные пневматические шины, то радиус колеса во время движения изменяется.
Различают следующие радиусы автомобильного колеса.
Статический радиус колеса rс — расстояние от поверхности дороги до оси неподвижного колеса,
воспринимающего вертикальную нагрузку Рг. Значения rс приводятся в технических характеристиках шин.
Динамический радиус колеса rд — расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса. Динамический
радиус увеличивается с уменьшением нагрузки Pz и повышением давления воздуха в шине. При увеличении
скорости автомобиля под действием центробежных сил шина растягивается в радиальном направлении, вследствие
чего радиус rд возрастает.
36
270
Радиус качения колеса rк — радиус условного недеформирующегося катящегося без скольжения колеса, которое
имеет с данным эластичным колесом одинаковые угловую и линейную скорости. Его определяют по формуле
rк = S/(2πnK),
где S — путь, пройденный колесом; nк - число оборотов колеса на пути S.
Разница между радиусами rд и rк в основном вызвана проскальзыванием в области контакта шины с дорогой. Если
проскальзывания нет (ведомое колесо), то радиусы rд и rк к почти равны между собой. В случае полного
буксования колеса путь S = 0 и rк = 0. Во время скольжения заторможенных невращающихся (блокированных)
колес, т. е. при движении юзом, число оборотов nк = 0 и rк →∞.
На дорогах с сухим твердым покрытием скольжение ведущих колес и изменения радиуса невелики. Поэтому
обычно численные значения радиусов rс, rд и rк считают одинаковыми и обозначают буквой r.
-2Взаимодействие автомобиля и дороги сопровождается затратами энергии, которые можно разделить на две
группы: затраты на подъем автомобиля при движении в гору и необратимые затраты на деформацию шин и
дороги.
Сила сопротивления подъему. Автомобильная дорога обычно имеет много чередующихся между собой
подъемов и спусков. Крутизну подъема характеризуют углом αд в градусах или уклоном дороги i, который
υпредставляет собой отношение превышения Н к заложению В (рис. 22).
Рис. 22. Сила сопротивления подъема
Разложим вес G автомобиля (в Н) на две составляющие: на силу Gsinαд, параллельную дороге, и силу Gcоsсαд,
перпендикулярную ей. Силу Gsinαд называют силой сопротивления подъему и обозначают Рп. На автомобильных
дорогах с твердым покрытием углы подъема невелики и не превышают 4-50. Для таких углов можно принять, что
одна сотая доля уклона соответствует 35´ угла αд. При этом уклон i =tgαд≈ sinαд. Тогда
Рп = Gsinaa ≈ Gi.
Мощность, затрачиваемая на преодоление автомобилем подъема с уклоном i,
Nп =Рпυ= G sinαдυ ≈ Giυ.
При движении на спуске сила Рп направлена в сторону движения автомобиля и является движущей силой. Поэтому
угол αд и уклон дороги i считают положительными при движении автомобиля на подъеме и отрицательными при
его движении на спуске.
Сила сопротивления качению. Эта сила зависит от деформации шины и дороги, а также от трения шин о
покрытие. Во время качения колеса между частями шины вследствие их деформации возникает трение, и
выделяющаяся теплота рассеивается, что приводит к потере энергии.
При качении колеса деформации в передней части шины увеличиваются, а в задней — уменьшаются.
Следовательно, элементарные нормальные реакции в передней части контакта больше, чем в задней (рис.23, б), а
их равнодействующая Rz — нормальная реакция — смещена относительно вертикального диаметра колеса вперед
на расстояние аш.
В результате смещения точки приложения нормальной реакции возникает момент Rz аш. Для уравновешивания
этого момента необходимо к колесу приложить равный, но противоположно направленный момент М, или к оси
ведомого колеса — толкающую силу Рх, образующую вместе с касательной реакцией дороги пару сил.
37
270
Из уравнения моментов сил относительно точки А (рис. 23,6) получим
Рх = Rzaш/r.
Отношение аш/ r называют коэффициентом сопротивления качению и обозначают буквой f(f = аш/ r = Рх /RZ)
Рис. 23 .Сопротивление качению:
а – гистерезисные потери в шине; б – качение колеса по твердой дороге
Для определения коэффициента сопротивления качению в зависимости от скорости пользуются эмпирическими
формулами, например:
f = f 0 (1+υ 2 /1500), где f0 — коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля с малой скоростью);
υ — скорость автомобиля, м/с.
Для случая движения автомобиля по дорогам с асфальто-или цементобетонным покрытием хорошего качества
применяют также формулу f = (32 + υ) /2800.
Сила сопротивления дороги. При движении автомобиля на подъеме и спуске составляющая силы тяжести,
перпендикулярная дороге, равна Gcоsсαд. Вследствие этого сила сопротивления качению Рк при движении на
таких участках дороги равна Gf cоsсαд, т. е. она несколько меньше, чем при движении по горизонтальному
участку.
Коэффициент сопротивления качению f и уклон i дороги в совокупности характеризуют качество дороги. Поэтому
введено понятие о силе сопротивления дороги Рд, равной сумме сил Рк и Рп:
Рд = Рк + РП = (f cos ад + sin ал) G ≈ (f + i) G.
Выражение в скобках называют коэффициентом сопротивления дороги и обозначают буквой ψ. Тогда сила
сопротивления дороги
Рд = ψ G.
а мощность сопротивления дороги (в Вт)
Nд = Рд υ = ψ Gυ
-3Автомобиль во время движения перемещает частицы окружающего воздуха, и в каждой точке поверхности автомобиля в результате соприкосновения ее с воздушной средой возникают элементарные силы, нормальные к
поверхности и касательные к ней. Касательные силы являются силами трения. Нормальные силы создают давление
на поверхность автомобиля. Для упрощения расчетов элементарные силы сопротивления воздуха заменяют
сосредоточенной силой сопротивления воздуха Рв. Опытным путем установлено, что сила сопротивления воздуха
(в Н)
Рв = kBFBυ2,
где кв — коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости), зависящий от формы и качества
отделки поверхности автомобиля, Нс2/м4; FB - лобовая площадь автомобиля, м2.
Лобовой площадью FB автомобиля называют площадь его проекции на плоскость, перпендикулярную продольной
оси автомобиля. Определить точное значение лобовой площади довольно трудно, так как для этого нужно
провести обмер автомобиля и вычертить его наружный контур. Поэтому для определения FB пользуются
приближенными формулами:
38
270
грузового автомобиля и автобуса FB = ВНа, где В - колея, м; На — наибольшая высота автомобиля, м;
легкового автомобиля FB = 0,78ВаНа, где – Ва наибольшая ширина автомобиля, м.
-4При определении силы тяги было принято, что ее величина зависит лишь от параметров автомобиля (Ме, итр,
μтр,r). Однако это не означает, что, увеличивая, например, передаточное число трансмиссии, можно реализовать
сколь угодно большую силу тяги, так как предельное ее значение ограничено сцеплением шин с поверхностью
дороги.
Силой сцепления шин с дорогой Рси называют максимальное значение горизонтальной реакции Rmax,
пропорциональное вертикальной нагрузке на колесо,
Рсц = Rmax = φRZ,
где φ - коэффициент сцепления, численно равный отношению силы, вызывающей равномерное скольжение колеса,
к нормальной реакции дороги.
В зависимости от направления скольжения колеса различают коэффициенты продольного φx и поперечного φу
сцепления.
Для движения колеса без продольного и поперечного скольжения необходимо соблюдение условия
Рсц =φRZ ≥√Rx2 + Ry2
При отсутствии поперечных сил
Рсц = φxRZ≥ Rx.
В случае равномерного качения ведущего колеса
RX = PT-Rzf; PT≤ (φx + f)Rz.
Коэффициент φx обычно намного больше коэффициента f, поэтому условие качения колеса без скольжения можно
с небольшой погрешностью представить в виде
Рт≤Рсц = φxRZ
При этом, если сила тяги меньше силы сцепления Рсц, ведущее колесо катится без пробуксовывания. Если сила
тяги больше силы сцепления, ведущее колесо пробуксовывает и для движения используется, лишь часть силы тяги,
равная φxRZ. Остальная часть силы Рт вызывает ускоренное вращение колес, которое продолжается до тех пор,
пока мощность, затрачиваемая на буксование, не уравновесит избыток мощности, подведенной к колесам.
Наиболее часто буксование наблюдается при резком трогании с места автомобиля и во время преодоления
большого сопротивления движению на скользких дорогах.
Движение автомобиля с буксующими колесами неустойчиво. Буксование колес связано с значительными потерями
энергии на трение шин о дорогу и разрушение опорной поверхности, что, в свою очередь, вызывает повышение
расхода топлива. Поэтому при теоретических расчетах и анализе эксплуатационных свойств автомобиля принято
считать, что при нормальных эксплуатационных режимах работы касательная реакция на ведущих колесах не
должна превышать силы сцепления шин с дорогой.
Большое влияние на коэффициент φ оказывает рисунок протектора. Протектор шин легковых автомобилей имеет
мелкий рисунок, обеспечивающий хорошее сцепление с твердым покрытием. У шин грузовых автомобилей
рисунок протектора крупный с широкими и глубокими впадинами. Такие шины врезаются в грунт, улучшая
проходимость автомобиля. При истирании выступов протектора во время эксплуатации ухудшается сцепление
шины с дорогой. Наименьший коэффициент сцепления имеют шины, у которых полностью изношен рисунок
протектора. Поэтому эксплуатация автомобилей с такими шинами запрещена. Недостаточная величина
коэффициента φ является причиной многих дорожно-транспортных происшествий. Для обеспечения безопасности
движения его величина не должна быть менее 0,4.
Опорные слова: сила тяги, сила сцепления шин с дорогой, лобовая площадь, сила сопротивления дороги, сила
сопротивления качению, сила сопротивления качению, сила сопротивления подъему, радиус качения колеса,
динамический радиус колеса, статический радиус колеса
39
270
Контрольные вопросы
1.Что называется силой тяги?
2.Какие существуют виды радиусов на ведущем колесе?
3.Какие на автомобиль действуют силы при его движении?
4.Что называется силой сцепления шин с дорогой?
Задание на дом: составить конспект в тезисном варианте по теме и к нему вопросы
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
40
270
Тема № 11: « Тяговая динамичность автомобиля. Динамический паспорт автомобиля»
План изложения
1.Силовой и мощностной балансы автомобиля
2.Динамический фактор автомобиля
3.Динамический паспорт автомобиля
Изложение
-1Аналитическое решение уравнения движения автомобиля в общем виде невозможно, так как неизвестны точные
функциональные зависимости, связывающие основные действующие силы (Рт, Ртр и Рк) со скоростью автомобиля.
Поэтому уравнение движения обычно решают приближенно, используя графоаналитические методы. Наибольшее
распространение получили методы силового баланса, мощностного баланса динамической характеристики.
Силовой баланс можно записать в следующем виде:
Рт = Рд + Рв + Ри,
Рис. 24.Силовой баланс автомобиля
При помощи графика силового баланса можно определить основные показатели динамичности автомобиля при
равномерном движении. Так, например, максимальную скорость vmax определяют по абсциссе точки пересечения
кривых Рт и Рд + Рв, когда запас силы тяги, а следовательно, и ускорение равны нулю. Если кривая Рт проходит
ниже кривой Рд + Рв, то автомобиль может двигаться только замедленно.
Мощностной баланс. Для анализа динамичности автомобиля можно вместо соотношения сил использовать
сопоставление тяговой мощности Nr с мощностью, необходимой для преодоления сопротивления движению. По
аналогии с уравнением силового баланса уравнение мощностного баланса можно записать в следующем виде:
Nт= Ne - NTP = NK + Nп + NB + Nи,
где Nи = Pи υ— мощность, затрачиваемая на преодоление силы инерции автомобиля.
Рис. 25. Мощностной баланс автомобиля при движении:
а-на высшей передачи; б- на различных передачах
41
270
-2Динамическим фактором D автомобиля называют отношение разности силы тяги и силы сопротивления воздуха
к весу автомобиля:
D = (Рт - Pв)/G = (Меитр μтр r / - kвFB υ2)/G.
Величина D зависит только от конструктивных параметров автомобиля, и поэтому ее можно определить для
каждой конкретной модели. При движении автомобиля на низших передачах динамический фактор больше, чем
при движении на высших, из-за увеличения силы Рт и уменьшения силы PB.
Динамической характеристикой автомобиля называют график зависимости динамического фактора Da
автомобиля с полной нагрузкой от скорости движения на различных передачах.
С помощью динамической характеристики можно определить коэффициент сопротивления дороги при движении
автомобиля с заданной скоростью.
-3Динамический паспорт автомобиля представляет собой совокупность динамической характеристики, номограммы нагрузок и графика контроля буксования. Динамический паспорт автомобиля позволяет решать уравнение
движения с учетом конструктивных параметров автомобиля (Ме и др.), основных характеристик дороги
(коэффициентов ψ и φx) и нагрузки на автомобиль.
Динамическая характеристика и номограмма нагрузок. Динамическую характеристику строят для автомобиля
с полной нагрузкой. С изменением веса автомобиля от Ga до G динамический фактор изменяется, и его можно
определить по формуле
D = (Рт - PB)/G = DaGa/G.
Чтобы не пересчитывать при каждом изменении нагрузки величину D, динамическую характеристику дополняют
номограммой нагрузок, которую строят следующим образом. Ось абсцисс динамической характеристики
продолжают влево и на ней откладывают отрезок произвольной длины. На этом отрезке наносят шкалу нагрузки Н
в процентах (для грузовых автомобилей) или указывают число пассажиров (для легковых автомобилей и
автобусов). Через нулевую точку шкалы нагрузок проводят прямую, параллельную оси D a, и на ней наносят шкалу
динамического фактора D0 для автомобиля без нагрузки. Масштаб для шкалы D0 определяют по формуле а0 =
аaG0/Ga, где аа - масштаб шкалы динамического фактора для автомобиля с полной нагрузкой; G0 — собственный
вес автомобиля в снаряженном состоянии, в который включают вес водителя, Н.
Равнозначные деления шкал D0 и Da (например, 0,05; 0,01 и т. д.) соединяют прямыми линиями.
Наклонные линии на номограмме нагрузок обычно проводят через «круглые» значения динамического фактора,
поэтому при расчетах его промежуточные значения определяют интерполированием.
График контроля буксования. График представляет собой зависимость динамического фактора по сцеплению от
нагрузки и позволяет определить предельную возможность движения по условиям сцепления. Этот график строят
следующим образом. Сначала по формулам, приведенным ниже, определяют динамический фактор по сцеплению
для автомобиля с полной нагрузкой Dscn и без нее D0cu для различных коэффициентов сцепления φx начиная с φx
0,1:
Dсц – (G2/Ga) φx; D0 сц = (G02/Go) φx
где G02 — вес, воспринимаемый ведущими колесами автомобиля без нагрузки, Н.
Затем значение Dа,сц откладывают по оси Dа номограммы нагрузок, а значение Docn по оси D0 и полученные точки
соединяют прямой штриховой линией, на которой указывают величину коэффициента φx = 0,1. Также определяют
положение точек и наносят штриховые линии Dcn для других значений φx = 0,2; 0,3; ...;0,8.
Пользуясь графиком контроля буксования, можно учесть ограничения, накладываемые на движение автомобиля
сцеплением шин ведущих колес с дорогой.
Так же
можно определить
максимальные коэффициент ψ и скорость υ при известных нагрузке Н и
коэффициенте φx или нагрузку Н и скорость υ при известных величинах ψ и φx . Если нагрузка Н = 70% и
коэффициент φx = 0,4, то коэффициент ψ = 0,27. При таком коэффициенте сопротивления дороги автомобиль
может двигаться лишь на первой передаче, причем для равномерного движения дроссельная заслонка должна быть
прикрыта. Если сопротивление дороги не ограничивает движения автомобиля, то он может двигаться с любой
скоростью, вплоть до максимальной (35 м/с). При коэффициентах φ = 0,3 и φx, = 0,5 нагрузка Н = 30%, а скорость
автомобиля υ = 11,5 м/с.
Опорные слова: силовой и мощностной балансы, динамический фактор, динамическая характеристика
42
270
Контрольные вопросы
1.Что называется силовым и мощностным балансом?
2.Что называется динамической характеристикой?
3.Что представляет динамический паспорт автомобиля?
4.Как строят график контроля буксования?
Задание на дом: выписать по теме опорные слова и дать им понятия
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
43
270
Тема № 12:«Тормозная динамичность автомобиля»
План изложения
1.Безопасность движения и тормозной момент
2.Способы торможения автомобиля
Изложение
-1Больше половины всех аварий, возникающих по техническим причинам, происходит из-за неисправности
тормозной системы. Особенно тяжелые последствия вызывает неправильная регулировка или выход из строя
одного из тормозных механизмов. В этом случае при торможении автомобиль заносит, и он теряет устойчивость.
Тяговые и тормозные свойства автомобиля связаны между собой. Чем выше скорость автомобиля, тем больше
внимания необходимо уделять безопасности движения и, следовательно, тем лучше должны быть» тормозные
свойства автомобиля. Возможно несколько способов торможения автомобиля: без использования тормозной
системы (движение накатом), только тормозной системой, совместно тормозной системой и двигателем, только
двигателем, периодическим включением тормозной системы. При длительных торможениях автомобиля, например
на затяжных спусках, происходит интенсивное изнашивание тормозных накладок и барабанов.
Для
их
сохранения в тормозную систему включают замедлители, позволяющие плавно снижать скорость и поддерживать ее в нужных пределах. При торможении элементарные силы трения, распределенные по поверхности
фрикционных накладок, создают результирующий момент трения Мтор, направленный в сторону,
противоположную вращению колеса, а между колесом и дорогой возникает тормозная сила Ртор. Максимальная
тормозная сила РТор мах равна силе сцепления шины с дорогой. Современные автомобили имеют тормоза на всех
колесах. Для проверки эффективности действия тормозной системы (рабочих тормозов) в качестве показателей
используют наибольший допустимый тормозной путь и наименьшее допустимое замедление для автомобилей без
нагрузки и с номинальной нагрузкой (проверку интенсивности торможения легковых автомобилей и автобусов по
условиям безопасности движения проводят без пассажиров). Указанные показатели интенсивности торможения
регламентированы правилами дорожного движения. Наибольший допустимый тормозной путь (в м) и наименьшее
допустимое замедление (в м/с2) для автомобилей без нагрузки при торможении с начальной скоростью 8,3 м/с (30
км/ч) на сухой асфальтированной дороге приведены ниже.
Параметр.....................
Sтор
а3mjn
Легковые автомобили................
7,2
5,8
Грузовые автомобили с максимальной массой 8 т и автобусы
длиной до 7,5
м......................
9,5
5,0
Грузовые автомобили с максимальной массой свыше 8 т и
автобусы длиной более 7,5 м..........11,0
4,2
-2-
Совместное торможение автомобиля тормозной системой и двигателем. Такой способ торможения применяют
с целью избежать перегрева тормозных механизмов и ускоренного изнашивания шин.
При таком способе торможения автомобиля тормозной момент на колесах создается одновременно тормозными
механизмами и двигателем. Так как в этом случае нажатию на тормозную педаль предшествует опускание педали
управления подачи топлива, то угловая скорость коленчатого вала двигателя должна была бы уменьшиться до
угловой скорости холостого хода. Однако на самом деле ведущие колеса через трансмиссию принудительно
вращают коленчатый вал. В результате появляется дополнительная сила Рт,д сопротивления движению,
пропорциональная силе трения в двигателе и вызывающая замедление автомобиля. Инерция маховика
противодействует тормозящему действию двигателя. Иногда противодействие маховика оказывается больше
44
270
тормозящего действия двигателя, вследствие чего интенсивность торможения несколько снижается.
На дорогах с малым коэффициентом сцепления совместное торможение повышает поперечную устойчивость
автомобиля по условиям заноса. При торможении автомобиля на дорогах с малым коэффициентом сцепления
продольные и поперечные силы сцепления колеса с дорогой меняются в зависимости от интенсивности
торможения.
При торможении в аварийных ситуациях сцепление полезно выключать.
Торможение автомобиля с периодическим прекращением действия тормозной системы. Заторможенное
нескользящее колесо воспринимает большую тормозную силу, чем при движении юзом, так как коэффициент
сцепления при частичном проскальзывании колес больше, чем при полном скольжении.
Торможение с периодическим прекращением действия тормозной системы обеспечивает наибольшую его
интенсивность. Однако этот способ можно рекомендовать только водителям высокой квалификации, так как для
того чтобы удержать колеса автомобиля на грани юза, не допуская их скольжения, необходимы опыт и большое
внимание. В последнее время получают распространение антиблокировочные устройства, автоматически
уменьшающие тормозной момент при начале скольжения колеса и через некоторое время (0,05...0,1 с) вновь
увеличивающие его. Колеса автомобиля благодаря такому циклическому нагружению тормозным моментом
катятся с частичным проскальзыванием, примерно равным оптимальному, и коэффициент сцепления остается
высоким в течение всего торможения. Введение антиблокировочных устройств уменьшает износ шин и позволяет
повысить поперечную устойчивость автомобиля. Препятствием широкому распространению этих устройств
является сложность их конструкции и малая надежность.
Опорные слова: занос, движение накатом, замедлители, тормозной путь, проверка интенсивности торможения,
проскальзывание, антиблокировочные устройства
Контрольные вопросы
1.Что влияет на возникновение аварий по техническим причинам?
2.В каком случае происходит интенсивное изнашивание тормозных накладок и барабанов?
3.С какой целью применяют совместное торможение автомобиля тормозной системой и двигателем?
4.Что необходимо делать в аварийных ситуациях при торможении?
Задание на дом: составить по теме резюме
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
45
270
Тема № 13:«Понятие о дорожно-транспортной экспертизе»
План изложения
1.Назначение дорожно-транспортной экспертизы
2.Исходные данные для проведения экспертизы
3.Последовательность анализа ДТП
Изложение
-1Дорожно-транспортной экспертизой называют научно-техническое исследование дорожно-транспортного
происшествия специалистами автомобильного транспорта. Дорожно-транспортные происшествия (ДТП)
возникают в результате нарушения режимов движения транспортных средств, вызвавшего травмы или смерть
людей, повреждения транспортных средств и грузов, искусственных сооружении, или нанесшего какой-либо
другой материальный ущерб. Эксперт выясняет технические причины ДТП, определяет скорости движения, тормозной и остановочный пути транспортных средств и т. д.
Целью дорожно-транспортной экспертизы является получение научно обоснованной характеристики
происшествия, определение его объективных причин и возможных способов предотвращения, а также поведения
участников происшествия во всех его фазах. В результате экспертизы должен быть получен ответ на вопрос, имел
ли место несчастный случай или же происшествие явилось следствием неправильных действий участников,
пренебрегших требованиями безопасности или несвоевременно выполнивших необходимые действия для исключения ДТП или снижения тяжести опасных последствий.
-2Исходными данными для проведения экспертизы служат результаты осмотра места происшествия и автомобилей,
а также результаты опроса участников и очевидцев происшествия. Рассмотрим в качестве примера ДТП,
результатом которого был наезд автомобиля на пешехода. Автомобиль двигался на расстоянии от тротуара, на
краю которого находился пешеход. Когда между автомобилем и пешеходом было расстояние, пешеход начал
движение по проезжей части перпендикулярно направлению движения автомобиля. Водитель затормозил, однако
избежать наезда не смог. Автомобиль, ударив пешехода, переместился еще на некоторое расстояние и остановился.
На месте происшествия фиксируют длину следа юза шин по дороге, перемещение автомобиля после его наезда на
пешехода, а также путь, пройденный пешеходом по проезжей части до наезда. Проведя следственный
эксперимент, замеряют диселерометром максимальное (установившееся) замедление азмах или при помощи
переносных приборов коэффициент сцепления в зоне происшествия. На основании опроса свидетелей и других
данных устанавливают примерное значение скорости υ n, с какой перемещался пешеход перед наездом. Остальные
данные, необходимые для расчета, обычно определяют по таблицам, составленным в результате экспериментов.
-3Примерная последовательность анализа происшествия при его экспертном исследовании такова.
Исходя из формул, находят начальную скорость автомобиля перед торможением
υ = 0,5 аз мах tу + ]/2SТор аз мах + (0,5 аз мах tу)2Пренебрегая последним слагаемым подкоренного выражения вследствие его малой величины, можно написать
υ = 0,5 a3 max tу + l/2Sropaз max.
Затем определяют скорость автомобиля в момент его наезда на пешехода
υн = ]/2Sнa3 мах.
Зная величины υ и υн,, можно найти время движения автомобиля с того момента, когда водитель начал реагировать
на пешехода, до момента наезда на него
tH =tcyM + (υ - υн )/a3 max.
46
270
Шириной полосы движения пешехода чаще всего пренебрегают, т. е. изображают его в виде точки. Скорость
пешехода считают постоянной. Тогда время движения пешехода по проезжей части до момента наезда
tп = Sп/υн.
Условие своевременности торможения автомобиля можно записать следующим образом:
tH ≥ tп.
Если это условие не выполнено и время tH меньше времени tп, то водитель действовал с запозданием и автомобиль
успел переместиться из положения одного в положение другое. Чтобы установить, мог ли водитель избежать
наезда на пешехода, если бы не допустил этого запоздания, а действовал
своевременно, определяют
промежуток времени, просроченный водителем:
t зап = tп - tH
За этот промежуток времени автомобиль, двигаясь с начальной скоростью υ, перемещается на расстояние
S зап = υ t зап.
Расстояние между передней частью автомобиля и пешеходом в момент начала движения последнего по проезжей
части
S = Sо + S3an – Sн ,
где S0 — остановочный путь автомобиля.
Если в результате расчетов получится, что расстояние S больше остановочного пути S0, то водитель мог, применив
экстренное торможение, остановить автомобиль до линии следования пешехода. При S ≤ S0 водитель не имел
возможности предотвратить наезд путем торможения, так как пешеход начал движение на слишком малом
расстоянии перед автомобилем или двигался с большой скоростью.
Опорные слова: дорожно-транспортная экспертиза, ДТП, искусственные сооружения, материальный ущерб,
эксперт, технические причины ДТП, научно-обоснованная характеристика происшествия, наезд автомобиля на
пешехода, юз шин, следственный эксперимент, дисселерометр, опрос свидетелей, замедление
Контрольные вопросы
1.Что такое дорожно-транспортная экспертиза?
2.Какова цель дорожно-транспортной экспертизы?
3.Какими исходными данными должен располагать эксперт и как он их использует, анализируя ДТП?
Задание на дом: составить по теме конспект и к нему вопросы
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
47
270
Тема № 14:«Топливная экономичность»
План изложения
1.Измерители и показатели топливной экономичности
2.Топливно-экономическая характеристика автомобиля
3.Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на расход топлива
Изложение
-1Топливо является важнейшим эксплуатационным материалом, который на автомобильном транспорте потребляется в большом количестве. Стоимость топлива составляет 10—15% всех затрат на перевозки. Топливо
необходимо использовать с максимальной эффективностью, не допуская его потерь и неоправданных затрат.
Совершенство конструкции автомобиля оценивают по расходу топлива Q (в л), отнесенному к длине пройденного
пути (пробегу) S* (в км). Путевой расход топлива при пробеге автомобиля 100 км (в л):
qn = 100 Q /S*.
Часто для оценки топливной экономичности подвижного состава применяют также расход топлива (в г),
отнесенный к единице транспортной работы (в ткм):
qтp = QρT1000/(mrpS*гp),
где ρ т — плотность топлива, кг /л; mrp — масса перевезенною груза, т; S*гp - пробег автомобиля с грузом, км.
Измерителем топливной экономичности автомобильного двигателя служат часовой расход топлива GT (в кг/ч) и
удельный эффективный расход топлива gs [в г/(кВт-ч)].
Часовой расход топлива (в кг/ч)
GT = geN е/106,
где Ne — эффективная мощность двигателя, Вт.
Величину GT можно определить также следующим образом:
GT = 3600 QρT/t,
где t — время, соответствующее расходу топлива Q, с.
Показателем топливной экономичности автомобиля служит контрольный расход топлива, т. е. путевой расход (в л)
на 100 км пути, определяемый экспериментально при равномерном движении автомобиля на высшей передаче по
горизонтальной дороге (скорость движения нормирована для каждого типа автомобиля). Кроме того, определяется
расход топлива на переменном режиме «городской цикл». Контрольный расход позволяет оценить качество
продукции, выпускаемой заводами, и соответствие ее утвержденным техническим требованиям и современному
уровню автомобилестроения.
-2Показателем топливной экономичности автомобиля служит минимальный путевой расход топлива,
соответствующий скорости при испытаниях автомобиля с полной нагрузкой на горизонтальном участке дороги с
твердым покрытием. Указываемый в технических характеристиках автомобилей контрольный расход топлива
практически мало отличается от минимального расхода.
ГОСТ предусматривает экспериментальное определение топливных характеристик для движения двух видов:
установившегося и на дороге с переменным профилем. В первом случае замеряют расход топлива при движении
автомобиля на высшей передаче по горизонтальной дороге с заданными постоянными скоростями от минимально
устойчивой до максимальной. Во втором случае замеряют расход топлива при движении автомобиля по
измерительному участку со специально заданным профилем. При этом автомобиль должен двигаться с
максимально возможной скоростью, не превышая, однако, предельного ее значения, установленного ГОСТом.
-3Ухудшение технического состояния автомобиля приводит к увеличению расхода топлива. Топливная
экономичность ухудшается главным образом в результате неправильной регулировки приборов систем питания и
зажигания, а также распределительного механизма двигателя. Так, при неисправном экономайзере расход топлива
может увеличиться на 10...15%. Отклонение уровня топлива в поплавковой камере карбюратора от нормального
также сопровождается ухудшением топливной экономичности, в особенности при малой скорости движения
автомобиля. Если не работает одна свеча зажигания, то расход топлива у автомобиля с шестицилиндровым
двигателем возрастает на 20...25%; при двух неисправных свечах он увеличивается на 50...60%. Неправильная
48
270
установка зажигания может вызвать повышение расхода топлива на 7...10%.
При чрезмерном охлаждении двигателя возрастают тепловые потери, и уменьшается индикаторный КПД
двигателя. Часть топлива поступает в цилиндры в виде неиспарившихся капель и не успевает сгореть. Все это
приводит к увеличению расхода топлива и ухудшению топливной экономичности автомобиля
На топливную экономичность автомобиля влияет также техническое состояние агрегатов шасси. Неправильная
регулировка зацепления зубчатых колес главной передачи, радиально-упорных подшипников и тормозов, малое
давление воздуха в шинах или неправильно отрегулированное схождение управляемых
колес вызывают
дополнительное сопротивление движению и, как следствие, перерасход топлива на 10...20%.
Уменьшение давления с 0,3 до 0,2 МПа (при скорости 15 м/с) увеличивает расход qп почти на 17%.
Опорные слова: эксплуатационный материал, расход топлива, конструкция автомобиля, топливная экономичность,
контрольный расход топлива, плотность топлива, часовой расход топлива, эффективная мощность двигателя
Контрольные вопросы
1.Что относится к основным измерителям и показателям топливной экономичности автомобиля?
2.От каких факторов зависит расход топлива?
3.Что такое топливно-экономическая характеристика автомобиля?
Задание на дом: составить по теме опорный конспект и к нему вопросы
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
49
270
Тема № 15:«Устойчивость автомобиля»
План изложения
1.Показатели устойчивости
2.Занос переднего и заднего мостов
3.Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на поперечную устойчивость
4.Продольная устойчивость
Изложение
-1Под потерей автомобилем устойчивости подразумевают опрокидывание или скольжение автомобиля. В зависимости от направления опрокидывания и скольжения различают, продольную и поперечную устойчивость. Более
вероятна и более опасна потеря поперечной устойчивости, которая происходит под действием центробежной
силы — поперечной составляющей силы тяжести автомобиля, силы бокового ветра, а также в результате боковых
ударов колес о неровности дороги.
Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются максимально возможные скорости движения по
окружности и углы поперечного уклона дороги (косогора).
Потеря устойчивости автомобилем особенно опасна при большой скорости, когда движение его близко к
прямолинейному.
Чем больше скорость автомобиля и чем резче водитель поворачивает рулевое колесо, тем больше сила Ру и, как
следствие, вероятнее потеря устойчивости автомобилем.
Под действием центробежной силы Ру автомобиль может опрокинуться относительно оси, проходящей через
центры контактов шин наружных колес с дорогой.
Автомобиль может потерять устойчивость и во время прямолинейного движения, если водитель резко повернет
управляемые колеса.
Для обеспечения безопасности движения автомобиля по кривым малых радиусов устраивают вираж, на котором
проезжая часть и обочины имеют поперечный наклон к центру кривой (односкатный поперечный профиль).
-2Опаснее занос заднего, а не переднего моста. Для того чтобы устранить занос заднего моста автомобиля,
необходимо уменьшить касательную реакцию на ведущих колесах, прекратив торможение или прикрыв дроссельную заслонку, и повернуть передние колеса в сторону начавшегося заноса.
Поворот передних колес на чрезмерно большой угол может вызвать скольжение задних колес в обратную сторону
и движение автомобиля в направлении, соответствующем новому положению управляемых колес. Поэтому сразу
же после прекращения заноса их следует вернуть в нейтральное положение. Чтобы избежать потери автомобилем
устойчивости, необходимо плавно уменьшать скорость до начала поворота, в особенности на влажной и скользкой
дороге.
-3При определении показателей устойчивости было принято, что автомобиль — твердое тело, в действительности же
он представляет собой систему масс, соединенных шарнирами или упругими элементами. Можно выделить две
основные группы масс; подрессоренные (кузов) и неподрессоренные (колеса, мосты).
У легковых автомобилей с передней независимой и задней зависимой подвесками ось крена ЕЕ наклонена к
дороге. У грузовых автомобилей, имеющих обе зависимые подвески, ось крена ЕЕ расположена примерно
параллельно дороге.
Для уменьшения крена устанавливают стабилизатор поперечной устойчивости и тем самым повышают угловую
жесткость подвески. При крене кузова увеличивается вероятность опрокидывания автомобиля.
Автомобиль может потерять устойчивость при торможении из-за неравномерного распределения тормозных сил
между колесами. Если у автомобиля заторможено лишь одно заднее колесо, например правое, а другое (левое)
катится свободно, то автомобиль отклоняется вправо от прямолинейного движения. Расстояние при этом уменьшается, следовательно, уменьшается также и поворачивающий момент, создаваемый силой инерции Ри. При
неисправности одного из передних тормозных механизмов плечо момента su во время торможения возрастает, что
способствует дальнейшему отклонению автомобиля в сторону. Поэтому неисправность передних тормозных
механизмов опаснее, чем задних.
50
270
-4-
У современных автомобилей с низко расположенным центром тяжести опрокидывание в продольной плоскости
маловероятно и практически исключено. Возможно лишь буксование задних колес, вызывающее сползание
автомобиля, например, во время динамического преодоления автопоездом крутого подъема большой длины.
Критический угол подъема в большой степени зависит от коэффициента сцепления. Для автопоездов при φx = 0,3
этот угол не превышает 4.. .6°, для одиночных автомобилей 4 х 2 он находится в пределах 10...15°. Этим
объясняется часто наблюдаемое в зимнее время буксование ведущих колес тягача автопоезда на сравнительно
пологих подъемах.
Автомобиль со всеми ведущими мостами может преодолевать крутые подъемы без потери продольной
устойчивости даже на мокрых и скользких дорогах (αбуКс = 17...19°).
Опорные слова: показатели устойчивости, потеря автомобиля устойчивости, опрокидывание автомобиля,
скольжение автомобиля, продольная и поперечная устойчивость, вираж, занос переднего и заднего мостов, крен,
критический угол подъема, крутой подъем
Контрольные вопросы
1.Назовите и охарактеризуйте показатели поперечной устойчивости автомобиля?
2.От каких факторов зависит критическая скорость автомобиля, определенная по условиям заноса и
опрокидывания?
3.От каких факторов зависит максимальный угол косогора, определенный по условиям заноса и опрокидывания?
4.Что такое коэффициент поперечной устойчивости, автомобиля и каковы его средние значения для автомобилей
различных типов?
5.Занос, какого моста опаснее: переднего или заднего? Почему?
6.От чего зависит продольная устойчивость автомобиля?
Задание на дом: выписать опорные слова по теме и дать им понятия
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
51
270
Тема № 16:«Управляемость автомобиля»
План изложения
1.Критическая скорость по условиям управляемости
2.Увод колеса и поворачиваемость автомобиля
3.Колебание управляемых колес
4.Стабилизация управляемых колес
Изложение
-1Дорожная обстановка непрерывно меняется, требуя от водителя постоянной готовности изменить характер движения автомобиля. Для этого автомобиль должен иметь возможность легко и быстро изменять свое положение на
дороге под воздействием водителя.
Управляемость автомобиля оценивают по следующим измерителям: критическая скорость по управляемости;
поворачиваемость автомобиля; соотношение углов поворота управляемых колес; стабилизация управляемых колес
и их угловые колебания.
При повороте автомобиля управляемые колеса автомобиля поворачиваются на угол θ. К переднему мосту
приложена толкающая сила Р, составляющая Рх1 которой, параллельная управляемым колесам, при равномерном
движении равна силе сопротивления качению
PKI = G1/f.
Поперечная составляющая силы Р
Р у1=PK1tg θ = G1 ftg θ.
На передний мост действует также центробежная сила передней части автомобиля, направленная вдоль радиуса R1
поворота середины переднего моста.
Критической скоростью υynp по условиям управляемости называют скорость, с которой автомобиль может
двигаться на повороте без поперечного скольжения управляемых колес.
Если скорость автомобиля больше скорости υynp, то управляемые колеса при повороте проскальзывают в
поперечном направлении, и поворот колес не изменяет направления движения автомобиля. Чем меньше радиус
поворота автомобиля, тем меньше должна быть его скорость.
При полном скольжении передних колес, например, в результате торможения, поперечная реакция дороги
возникнуть не может, и автомобиль теряет управляемость.
-2Увод колеса. Качение эластичного колеса, нагруженного поперечной силой, имеет свои особенности, так как
такое колесо может катиться без скольжения под некоторым углом к своей средней плоскости. Такое качение
называют уводом колеса, а угол, который вектор скорости центра колеса образует с его плоскостью,—углом увода
δуВ.
Если приложить к колесу поперечную силу Ру (рис. 26, а), то шина изогнется, и средняя плоскость колеса
сместится относительно центра контакта на расстояние bш. При качении колеса точка В шины войдет в
соприкосновение с дорогой в точке В2, а точка С - в точке С2 и т. д. В результате колесо покатится по направлению
AD2. При этом средняя плоскость колеса окажется расположенной под углом δуВ к направлению движения.
Рис. 26. Увод колеса
52
270
Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых
колес. Есть две основных причины поворачиваемости: увод колес, вызываемый поперечной эластичностью шин, и
поперечный крен кузова, связанный с эластичностью подвески. Соответственно различают шинную поворачиваемость и креновую поворачиваемость автомобиля.
Кривизна траектории зависит от соотношения углов δ1 и δ2. Если δ1 = δ2, то шинную поворачиваемость автомобиля
называют нейтральной. Если δ1 > δ2 шинную поворачиваемость автомобиля называют недостаточной.
Если угол δ1 < δ2 поворачиваемость автомобиля называют излишней.
-3Во время движения управляемые колеса автомобилей, имеющих зависимую подвеску, могут колебаться вместе с
передним мостом в вертикальной плоскости, а вместе с рулевой трапецией — вокруг шкворней (осей поворота) в
горизонтальной плоскости.
Угловые колебания управляемых колес вокруг шкворней недопустимы, так как детали ходовой части и рулевого
управления воспринимают при этом значительные знакопеременные динамические нагрузки, а колебания с
большой амплитудой приводят к потере автомобилем управляемости. Наиболее опасными являются устойчивые
колебания колес, т. е. такие, которые непрерывно повторяются (самовозбуждаются).
Основным средством уменьшения угловых колебаний колес является применение независимой передней подвески.
В этом случае при вертикальных перемещениях управляемых колес не происходит большого их наклона.
-4Стабилизацией управляемых колес называют их свойство сохранять нейтральное положение (занимаемое ими при
прямолинейном движении) и автоматически в него возвращаться.
Измерителями стабилизации колес при выходе автомобиля из поворота служат стабилизирующий момент и
угловая скорость поворота рулевого колеса при возвращении его в нейтральное положение.
Стабилизирующий момент возникает благодаря продольному и поперечному наклону шкворней, а также
вследствие поперечной эластичности шины.
Опорные слова: управляемость автомобиля, поворачиваемость, угол увода колес, нейтральная поворачиваемость,
излишняя поворачиваемость, недостаточная поворачиваемость, стабилизация управляемых колес
Контрольные вопросы
1.Назовите измерители управляемости автомобиля?
2.Каково условие качения передних колес без поперечного скольжения?
3.Что такое увод колеса, от каких факторов он зависит и как влияет на управляемость автомобиля?
4.Как определить критические скорости автомобиля по условиям управляемости и увода?
5.Как влияют колебания колеса на управляемость автомобиля?
6.Что такое стабилизация управляемых колес и от каких факторов она зависит?
Задание на дом: выписать опорные слова по теме и дать им понятия
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
53
270
Тема № 17:«Проходимость автомобиля»
План изложения
1.Понятие о проходимости автомобиля
2.Геометрические показатели проходимости
Изложение
-1Автомобили работают не только на дорогах с твердым покрытием, но и на грунтовых дорогах, а также на
бездорожье, поэтому они должны обладать хорошей проходимостью.
полно оценить проходимость автомобиля, не существует.
Проходимость зависит от многих факторов, основными из которых являются опорно-тяговые свойства и
геометрические параметры автомобиля, а также конструкции отдельных агрегатов трансмиссии (дифференциала,
коробки передач и др.). На проходимость существенно влияет стиль вождения автомобиля. Скорость движения
автомобилей по бездорожью значительно ниже, чем на дорогах с твердым покрытием.
В зависимости от проходимости автомобили условно делят на три группы. В основу классификации положена так
называемая колесная формула, состоящая из двух цифр: первая цифра соответствует общему числу колес
автомобиля, а вторая — числу ведущих колес. Так, например, колесная формула автомобиля ЗИЛ-130 имеет вид
4x2, автомобиля ГАЗ-66 —4 х 4, автомобиля ЗИЛ-133 - 6 х4, автомобиля ЗИЛ-131 - 6 х 6.
К первой группе относятся автомобили ограниченной (нормальной) проходимости 4 х 2 и 6 х 2, ко второй —
автомобили повышенной проходимости 4x4, 6 х 4 и 6 х 6, к третьей — автомобили высокой проходимости
типа 8x8, имеющие специальную компоновку. При специальной конструкции автомобили 4 х 4 и 6 х 6 имеют
практически такую же проходимость, как автомобили третьей группы.
-2Рассмотрим геометрические показатели, характеризующие проходимость автомобиля в вертикальной плоскости.
Их обычно определяют применительно к статическому положению автомобиля.
Дорожный просвет — это расстояние h между низшей точкой автомобиля и плоскостью дороги (рис. 27), которое
характеризует возможность движения автомобиля без задевания сосредоточенных препятствий (камней, пней и т.
п.).
Углы переднего а и заднего β свеса, а также передний lп и задний свесы lз характеризуют проходимость
автомобиля по неровным дорогам при въезде на препятствие или при съезде с него, например, в случаях наезда на
бугор, переезда через канавы и т. п.
Передний (задний) свес автомобиля определяется расстоянием от крайней точки контура передней (задней)
выступающей части автомобиля по длине до плоскости, перпендикулярной опорной поверхности и проходящей
через центры передних (задних) колес автомобиля.
Продольный радиус рпр проходимости определяет очертания препятствия, которое, не задевая, может преодолеть
автомобиль.
Рис. 27. Геометрические показатели проходимости автомобиля
Свойство автомобиля поворачиваться на минимальной площади называют маневренностью. Это свойство
характеризует проходимость автомобиля в горизонтальной плоскости.
Показатели маневренности автомобиля следующие: минимальный радиус поворота наружного переднего колеса
RH (рис. 28, а), ширина полосы движения А, которую занимает автомобиль при повороте, и максимальный выход
отдельных частей автомобиля за пределы траектории движения наружного переднего и внутреннего заднего колес
(расстояния а и b).
54
270
Максимальную ширину полосы движения (в м) определяют по формуле
А = RH - RB + a + b,
где RB — минимальный радиус поворота внутреннего заднего колеса, м.
Наиболее маневренны одиночные автомобили со всеми управляемыми колесами. При буксировании прицепов
маневренность автомобиля несколько ухудшается, так как прицеп и полуприцеп смещаются к центру поворота
(рис. 28,6 и в) и ширина полосы движения увеличивается. Ширина полосы движения автопоезда растет с
увеличением числа буксируемых прицепов, базы прицепа и длины дышла.
Рис. 28. Показатели маневренности:
а- одиночного автомобиля; б – тягача с прицепом; в – тягача с полуприцепом
Опорные слова: проходимость, ограниченная проходимость, повышенная проходимость, высокая проходимость,
дорожный просвет, угол переднего и заднего свеса, передний и задний свесы, продольный радиус,
маневренность
Контрольные вопросы
1.Назовите основные геометрические показатели проходимости автомобиля?
2.Какими дополнительными средствами можно увеличить проходимость автомобиля?
3.Какие конструктивные факторы влияют на проходимость автомобиля?
4.Назовите специальные типы автомобилей высокой проходимости?
Задание на дом: составить по теме конспект в тезисном варианте
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
55
270
Тема № 18:«Плавность хода автомобиля»
План изложения
1.Влияние колебаний на человека
2.Колебания автомобиля
3.Способы повышения плавности хода автомобиля
Изложение
-1В результате длительного воздействия колебаний кузова, возникающих при движении автомобиля, пассажиры и
водитель сильно утомляются. Колебания кузова отражаются также на сохранности перевозимого груза и самого
автомобиля. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к современному автомобилю, является
повышение плавности хода и улучшение комфортабельности.
Колебания автомобиля можно разделить на низкочастотные (до 15...18 Гц) и высокочастотные — вибрации.
Вибрационная чувствительность организма составляет 15...1500 Гц. С высокой частотой преимущественно
колеблются неподрессоренные массы, а низкой — подрессоренные (кузов). Неподрессоренными массами
называются части автомобиля (мосты, колеса и др.), вес которых не воспринимается подвеской, а передается через
шину на опорную поверхность. Подрессоренными называются массы, вес которых передается через упругие
элементы подвески. Действие колебаний на организм человека зависит от их частоты, амплитуды,
продолжительности и направления воздействия.
В настоящее время нет единого мнения о пределах частот колебаний, которые соответствуют определенному виду
воздействия на организм человека. Человек не ощущает колебаний при ходьбе, так как привык к частоте,
составляющей в зависимости от числа шагов в секунду 1.7...2,5Гц.
С увеличением скорости колебаний плавность хода автомобиля ухудшается.
Влияние знакопеременных ускорений на организм человека в большей степени зависит от частоты колебаний. С
увеличением частоты даже небольшие ускорения колебаний могут вызвать неприятные или болезненные
ощущения.
-2Кузов автомобиля имеет шесть степеней свободы (рис. 29, 6) и может совершать шесть различных типов
колебаний. Линейные перемещения вдоль осей х, у и z соответственно обозначаются и называются; sx — подергивание, sy — шатание и sz — подпрыгивание. Угловые перемещения вокруг этих осей называются: αх —
покачивание, α у — галопирование и α z - виляние. Из-за сложности исследования системы с шестью степенями
свободы при расчете подвески обычно изучают только два вида колебаний, т. е. рассматривают кузов как систему с
двумя степенями свободы: линейные вдоль оси z и угловые вокруг оси у. Эти типы колебаний имеют
первостепенное значение для комфортабельности, так как они вызывают у человека наиболее болезненные ощущения, обусловленные у первых большой амплитудой, у вторых плохо переносимой направленностью.
Рис. 29. Схема колебаний тела с одной степенью свободы и упрощенная схема колебательной системы
автомобиля
Буквами с1 и с2 на схеме обозначены приведенные жесткости таких упругих элементов, прогиб которых равен суммарным прогибам подвесок и шин, воспринимающих одинаковую нагрузку. Для определения приведенной
жесткости сПр рассмотрим схему на ( рис. 30, б), где изображен груз весом Gп, установленный на упругом элементе
56
270
подвески и шине, жесткости которых соответственно равны сп и сш.
Под действием веса Gn упругая система деформируется, величина деформации равна сумме прогибов упругого
элемента подвески и шины: fn = Gn/cп+ Gn/cщ. Вместе с тем суммарный прогиб этой системы, который определяют
по изменению положения оси колеса (в м), fn = Gu/cnp. Следовательно, Gn/cnp = Gn/cn + Gn/сщ. Решив это
равенство относительно жесткости спр, получим
Спр = (СпСщ)/(сп + Сш).
Рис. 30. Схемы для определения положения центра упругости и приведенной жесткости подвески
Жесткость передней или задней подвески современных автомобилей находится в пределах 20...60 кН/м, а
жесткость шин в пределах 200...450 кН/м. Меньшие значения жесткостей относятся к легковым, а большие —
к грузовым автомобилям.
Для смягчения вертикальных колебаний кузова sz используют мягкую подвеску, которая в момент переезда
препятствия значительно деформируется. Однако после переезда через препятствие колебания кузова при наличии
мягкой подвески будут продолжаться, затухая весьма медленно. С целью гашения начавшихся колебаний
устанавливают амортизаторы.
Чтобы иметь представление о том, каким образом можно уменьшить галопирование, познакомимся с понятием о
центре упругости системы. Центром упругости системы называют точку, при приложении к которой внешней
возмущающей силы возникает только линейное перемещение системы. Для определения положения центра
упругости рассмотрим стержень, который опирается на упругие элементы подвески (рис. 30, а).
Если возмущающая сила Р приложена не к центру упругости (Ц. у.), а в другой точке, то возникает как линейное,
так и угловое перемещение стержня (положение 1). Если сила Р приложена к центру упругости, то происходит
только линейное перемещение стержня (положение 2). В последнем случае fl =f2, вследствие чего галопирование
отсутствует.
-3Шины влияют на высокочастотные колебания автомобиля. Для улучшения плавности хода автомобиля целесообразно иметь шины возможно меньшей жесткости. Жесткость шин уменьшают, снижая давление воздуха в них и
увеличивая ширину профиля.
Применение независимой подвески передних колес позволяет получить отношение статических прогибов
передней и задней подвесок, близкое к единице. В результате при наезде автомобиля на препятствие
галопирования практически не происходит, так как кузов перемещается параллельно самому себе. При
применении независимой подвески для задних ведущих колес значительно усложняется конструкция привода
колес.
Поэтому, как правило, независимую подвеску применяют только для передних колес. Однако в настоящее время
для заднеприводных автомобилей среднего и большого классов все более широкое применение находит задняя
независимая подвеска.
В качестве упругого элемента независимой подвески используют пружины, а в последнее время также
пневматические упругие элементы, реже — торсионы. Пружины и торсионы по сравнению с листовыми рессорами
имеют меньшую массу, большую долговечность, практически не имеют внутреннего трения, просты в
изготовлении и не нуждаются в уходе. Пневматическая подвеска обеспечивает высокую плавность хода благодаря
небольшой жесткости и благоприятному характеру изменения упругой характеристики, а также возможности
регулирования в широких пределах жесткости подвески и высоты кузова.
57
270
Опорные слова: плавность хода, колебания, покачивание, галопирование, виляние, приведенная жесткость
Контрольные вопросы
1.Каковы виды колебаний автомобиля?
2.Что такое центр упругости системы?
3.Как влияют шины на плавность хода автомобиля?
4.Каковы преимущества независимой подвески?
Задание на дом: составить по теме конспект в тезисном варианте
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
58
270
Тема № 19:«Типы трансмиссий автомобиля»
План изложения
1.Ступенчатая механическая трансмиссия
2.Гидромеханическая трансмиссия
3.Электромеханическая трансмиссия
Изложение
-1Трансмиссия автомобиля предназначена для передачи крутящего момента и мощности от двигателя к ведущим
колесам, изменения угловой скорости колес и подводимого к ним крутящего (тягового) момента по величине и
направлению. Момент изменяют с помощью трансформатора (преобразователя) крутящего момента, например,
коробки передач. В зависимости от типа преобразователя трансмиссии делят на механические (ступенчатые и
бесступенчатые) и гидромеханические, гидрообъемные и электромеханические (бесступенчатые).
Одним из агрегатов ступенчатой механической трансмиссии является механический преобразователь — коробка
передач, трансформирующая крутящий момент с помощью зубчатых колес, включаемых в разных сочетаниях, что
позволяет получить различные передаточные числа.
Высшая передача у большинства коробок прямая с передаточным числом, равным единице. Иногда высшая
передача повышающая, т. е. с передаточным числом меньше единицы, что позволяет снизить угловую скорость
коленчатого вала на 10... 20 %, замедлить изнашивание деталей и уменьшить расход топлива при движении с той
же скоростью, что и на прямой передаче:
Движение назад обеспечивает передача заднего хода, соединяющая промежуточный и ведомый валы не двумя, а
тремя зубчатыми колесами, что изменяет направление вращения ведущих колес (иногда вместо третьего зубчатого
колеса применяют блок с двумя зубчатыми колесами).
Кроме коробки передач в механическую трансмиссию входят также и другие элементы (агрегаты, механизмы и
детали), передающие и преобразующие крутящий момент. Их число и взаимное расположение зависят от колесной
формулы автомобиля и расположения двигателя и ведущих мостов. Так, у легковых автомобилей наиболее
распространенного типа — заднеприводных 4 х 2 с передним расположением двигателя — в трансмиссию входят
сцепление, коробка передач, карданная передача и ведущий мост, состоящий из главной передачи, дифференциала
и двух полуосей. Такое расположение двигателя и элементов трансмиссии считается классическим. К
преимуществам этой схемы следует отнести равномерное распределение нагрузки между передним и задним
мостами и возможность размещения сидений между ними, в зоне меньших колебаний кузова, а к недостаткам необходимость установки сравнительно длинной карданной передачи.
Более компактны, легки и экономичны трансмиссии заднеприводного и переднеприводного легковых
автомобилей 4x2 соответственно с задним и передним расположением двигателя. Это объясняется тем, что сцепление, коробку передач, главную передачу и дифференциал можно расположить в общем картере, а момент от
дифференциала к колесам ведущего моста или ведущего управляемого моста передавать двумя короткими
поперечными карданными передачами.
При сравнительно редком заднем расположении двигателя и трансмиссии можно обеспечить лучшую обзорность и
разместить сиденья между мостами, а также лучше изолировать салон от шума двигателя и отработавших газов.
Однако при этом ухудшаются управляемость и устойчивость автомобиля. Кроме того, водитель и передний
пассажир хуже защищены от травм при наездах и столкновениях, чем в автомобилях, трансмиссии которых
выполнены по схеме с передним расположением двигателя. Переднее расположение двигателя и трансмиссии
позволяет улучшить управляемость и устойчивость автомобиля, а поперечное расположение двигателя упрощает
главную передачу. Вместе с тем при движении переднеприводного автомобиля на подъеме дороги со скользким
покрытием возможно пробуксовывание ведущих управляемых колес в результате уменьшения нагрузки на
передний мост.
Так как грузовые автомобили 4x2 имеют обычно задний привод и переднее расположение двигателя, то их
трансмиссии также состоят из сцепления, коробки передач, карданной передачи и ведущего моста. Иногда
грузовые автомобили имеют разнесенную главную передачу, состоящую из центральной главной передачи и двух
планетарных колесных редукторов.
По мере увеличения числа ведущих мостов трансмиссия грузового автомобиля усложняется. Так, у автомобиля
повышенной проходимости 4 х 4 с передним расположением двигателя , кроме сцепления, коробки передач,
59
270
карданной передачи и заднего ведущего моста, в трансмиссию входят также передний ведущий управляемый мост
и раздаточная коробка, соединенная с ним и коробкой передач карданными передачами. Еще сложнее
трансмиссии автомобилей повышенной проходимости 6x6. В трансмиссиях автомобилей этого типа карданной
передачей задний ведущий мост соединен с раздаточной коробкой или с промежуточным ведущим (проходным)
мостом, а передний ведущий управляемый промежуточный ведущий мосты - с раздаточной коробкой. В некоторых раздаточных коробках таких многоприводных автомобилей устанавливают межосевой дифференциал. 14.
Ступенчатые механические трансмиссии обычно проще, легче, экономичнее и надежнее бесступенчатых
трансмиссий и имеют сравнительно высокий КПД (0,80.. .0,95). Одним из их недостатков является разрыв потока
мощности при переключении передач, вызывающий замедление движения, что снижает интенсивность разгона и
ухудшает проходимость автомобиля. Кроме того, правильность выбора передачи в зависимости от условий движения и момента переключения передач зависит от квалификации водителя и поэтому выбор не всегда оптимален
— близок к наиболее выгодным режимам работы двигателя. Значительное же число переключений передач в
городских условиях движения вызывает сильное утомление водителя.
-2Гидромеханическая трансмиссия состоит из гидротрансформатора, плавно автоматически изменяющего величину
передаваемого момента в зависимости от нагрузки; и элементов ступенчатой механической трансмиссии.
Механическая часть гидромеханической трансмиссии состоит из ступенчатой коробки передач, имеющей
передачу заднего хода, карданной передачи и ведущего моста. Преимущества и недостатки гидромеханической
трансмиссии в значительной степени связаны с использованием гидротрансформатора в качестве основного
преобразователя. К преимуществам гидротрансформатора следует отнести бесступенчатое автоматическое
изменение передаточного числа трансмиссии в зависимости от нагрузки, что обеспечивает плавное трогание
автомобиля с места, а также ликвидирует необходимость переключения передач, что снижает утомляемость
водителя; улучшает проходимость автомобиля вследствие плавной и непрерывной передачи момента; примерно в
2 раза повышает долговечность двигателя и трансмиссии в результате уменьшения в ней крутильных колебаний и
динамических нагрузок; снижает вероятность остановки двигателя при резком увеличении нагрузки. Однако
гидромеханическая трансмиссия по сравнению со ступенчатой механической трансмиссией имеет такие недостатки, как значительно меньший КПД, так как КПД гидротрансформатора лишь в узком диапазоне значений ir.T
достигает 0,85...0,92, что ухудшает динамичность и топливную экономичность автомобиля; большую сложность,
массу и стоимость (около 10% стоимости автомобиля) конструкции; необходимость в установке ступенчатой
механической коробки, так как коэффициент трансформации гидротрансформатора обычно невелик (не более
2,5…..3 %).
-3В электромеханической трансмиссии механическая энергия двигателя преобразуется в связанном с ним генераторе
в электрическую, которая затем в одном или нескольких тяговых электродвигателях, соединенных с ведущими
колесами, снова преобразуется в механическую.
При одном тяговом электродвигателе мощность от него к ведущим колесам передают элементы механической
трансмиссии (карданная передача и ведущий мост). В электромеханической трансмиссии многоприводного
автомобиля тяговые электродвигатели расположены внутри так называемых мотор-колес и соединены с ними с
помощью колесных редукторов, а с генератором — электропроводами. Двигатель-генератор в обоих случаях
можно установить в нужном положении, а в любом, наиболее удобном с точки зрения компоновки месте.
Опорные слова: трансмиссия, ступенчатая механическая трансмиссия, гидромеханическая трансмиссия,
электромеханическая трансмиссия, мотор-колеса, гидротрансформатор, переднеприводные, заднеприводные
Контрольные вопросы
1.Для чего предназначена трансмиссия автомобиля?
2.Как классифицируют трансмиссии в зависимости от способа преобразователя крутящего момента?
3.Каковы устройство и принцип действия трансмиссии различных типов?
4.В чем состоят преимущества и недостатки различных типов трансмиссий?
Задание на дом: составить по теме опорный конспект и к нему вопросы
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
60
270
Тема № 20:«Сцепление, коробка передач и раздаточная коробка»
План изложения
1.Классификация сцеплений
2.Коробки передач
3.Раздаточная коробка
Изложение
-1Сцепление предназначено для кратковременного разъединения двигателя и трансмиссии и плавного соединения
их между собой. Кроме того, оно ограничивает возникающие в трансмиссии динамические нагрузки.
По принципу действия сцепления делят на фрикционные, гидравлические (гидромуфты, гидротрансформаторы) и
электромагнитные.
Фрикционные сцепления в зависимости от формы и конструкции трущихся поверхностей подразделяют на
конусные, в настоящее время не применяемые, дисковые и специальные (используемые как элементы
автоматических коробок передач).
Дисковые сцепления подразделяют на «сухие» (принцип действия которых основан на трении без смазочного
материала) и мокрые (работающие в масле), применяемые сравнительно редко. По числу ведомых дисков
сцепления могут быть однодисковые (наиболее распространены), двухдисковые (значительно реже) и
многодисковые (используют как элементы автоматических коробок).
По способу создания нажимного усилия различают сцепления пружинные (с одной центральной или несколькими
периферийными пружинами); полуцентробежные (с пружинами и центробежными
грузиками), которые
практически не применяют; центробежные (с центробежными грузиками) и электромагнитные (без
ферронаполнителя).
В зависимости от типа привода различают сцепления с механическим или гидравлическим приводом. Управление
сцеплением может быть неавтоматическим или автоматическим.
К сцеплениям предъявляют следующие основные требования: они должны обеспечивать плавность включения и
чистоту выключения; иметь минимальный момент инерции ведомых частей; хорошо отводить теплоту от
трущихся деталей; ограничивать динамические нагрузки в трансмиссии; незначительно снижать нажимное усилие
при изнашивании, а также должны быть уравновешенными и легкими в управлении. Кроме того, они должны
удовлетворять таким общим требованиям, как простота конструкции, обслуживания и ремонта, надежность и
долговечность.
-2–
Коробка передач предназначена для изменения передаваемого крутящего момента по величине и направлению.
Ее используют также для длительного разъединения двигателя и трансмиссии.
Ступенчатые коробки передач классифицируют по следующим основным признакам: по подвижности валов и осей
различают коробки с неподвижными валами {геометрическими осями валов) и планетарные (с подвижными осями
части зубчатых колес — сателлитов); по числу валов коробки с неподвижными валами делят на двух-, трех-и
многовальные; по числу ступеней, т. е. передач для движения вперед, коробки могут быть двух-, трех-, четырех-,
пяти-и многоступенчатыми (двух- и трехступенчатые коробки применяют совместно с бесступенчатым
трансформатором); по способу переключения передач их подразделяют на коробки с переключением передач
подвижными зубчатыми колесами (каретками), зубчатыми муфтами, синхронизаторами или фрикционами; по
выполняемым функциям коробки делят на основные и дополнительные (делители и демультипликаторы); по
способу управления различают неавтоматические (с непосредственным и дистанционным управлением),
полуавтоматические и автоматические коробки передач.
Наибольшее распространение получили четырех- и пятиступенчатые коробки передач. Многоступенчатые коробки
с числом ступеней 6—16 устанавливают на грузовых автомобилях большой грузоподъемности или высокой
проходимости.
Требования. К основным требованиям, которые предъявляют к ступенчатым коробкам передач, следует отнести
обеспечение наилучших тяговых и топливно-экономических свойств автомобиля, легкости управления,
безударного переключения часто используемых передач, бесшумности работы, а также общих требований
(высокий КПД; простота конструкции и небольшая стоимость; малые габаритные размеры и масса; удобство
обслуживания и ремонта, надежность).
Чтобы удовлетворить первое требование, необходимо правильно выбрать число ступеней коробки передач и
61
270
определить их передаточные числа. Так, например, увеличивая число ступеней, можно улучшить динамичность и
топливную экономичность автомобиля. Однако при этом усложняется конструкция, возрастают габаритные
размеры, масса и стоимость коробки, а также затрудняется управление автомобилем. Вместе с тем увеличение
числа ступеней обычно сопровождается увеличением времени, в течение которого происходит разрыв потока
мощности, что может ухудшить динамичность автомобиля.
Легкость управления коробкой передач зависит от ее конструктивной схемы, способа переключения передач и
типа привода переключения. Как указывалось, передачи переключают с помощью подвижных зубчатых колес
(кареток), зубчатых муфт (обычных или легкого включения), синхронизаторов или фрикционов. Наиболее просты
коробки с переключением передач каретками, однако каретки не обеспечивают безударного переключения
передач, и поэтому долговечность коробки оказывается очень низкой. Зубчатые муфты несколько повышают ее
долговечность, так как удары при переключении воспринимает большее число зубьев муфт и включаемых зубчатых венцов. Вместе с тем при установке муфт удары полностью не устраняются, а конструкция коробки
усложняется.
Для безударного бесшумного переключения передач устанавливают синхронизаторы, которые, однако, усложняют
конструкцию, увеличивают габаритные размеры, массу - и стоимость коробки передач. Поэтому наибольшее
распространение получили коробки, в которых высшие передачи переключают синхронизаторами, а низшие —
зубчатыми муфтами и каретками.
Шум при работе коробки передач, зависящий в основном от типа установленных в ней зубчатых колес,
значительно уменьшается при замене прямозубых зубчатых колес косозубыми или шевронными (последние
используют очень редко).
- 3–
Раздаточная коробка распределяет крутящий момент между ведущими мостами многоприводного автомобиля.
Классификация. Раздаточные коробки могут быть одно-, двух- и очень редко трехступенчатыми. Ступени
двухступенчатой коробки являются или понижающими, или одна из них понижающей, а другая — прямой.
Если на автомобиле повышенной проходимости установлена основная коробка, имеющая необходимое число
ступеней и требуемое передаточное число низшей передачи, то раздаточная коробка только распределяет
крутящий момент между ведущими мостами. Когда же в качестве основной использована коробка передач
автомобиля обычной проходимости, то в раздаточной коробке предусматривают понижающую передачу.
В зависимости от схемы раздаточные коробки делятся на коробки с блокированным и дифференциальным
приводами ведущих мостов и отличаются одна от другой, например, у автомобиля 4x4, тем, что валы переднего и
заднего мостов в первой из них связаны между собой зубчатыми колесами жестко, а во второй — межосевым
дифференциалом.
Если на рассматриваемом автомобиле установлена раздаточная коробка с блокированным приводом, то в определенных условиях (при неодинаковых радиусах качения передних и задних колес, во время движения на повороте
или на неровной дороге) в трансмиссии может возникнуть циркуляция мощности.
В этих условиях ведущие колеса одного из мостов могут тормозиться, затрудняя движение автомобиля. В результате трансмиссия закручивается ими дополнительным моментом, и через нее к другому мосту передается
мощность, которая больше мощности, развиваемой двигателем. Это явление, названное циркуляцией мощности,
сопровождается увеличением потерь энергии в трансмиссии, интенсификацией ее изнашивания и повышением
расхода топлива.
Для предотвращения циркуляции мощности часто в раздаточной коробке устанавливают межосевой
дифференциал. Межосевой дифференциал позволяет ведущим колесам мостов, с которыми он связан, вращаться в
указанных выше условиях с различными угловыми скоростями, что исключает циркуляцию мощности. Кроме
того, он распределяет крутящий момент между ведущими мостами в соответствии со средними нагрузками,
которые они воспринимают. Если воспринимаемые мостами нагрузки одинаковы по величине, то устанавливают
симметричный дифференциал, а если неодинаковы, то несимметричный. Однако межосевой дифференциал
ухудшает проходимость автомобиля, так как при буксовании на месте даже одного колеса автомобиль не может
начать движение. В этом случае дифференциал необходимо блокировать.
Требования. Кроме требований, предъявляемых к ступенчатым коробкам передач, к раздаточным коробкам
предъявляют также следующие дополнительные требования: они должны улучшать проходимость автомобиля,
распределяя крутящий момент в соответствии со средними нагрузками, которые воспринимаются его ведущими
мостами; повышать передаточное число трансмиссии настолько, чтобы автомобиль мог двигаться по плохим
дорогам, бездорожью и преодолевать значительные подъемы (до 60%) и иметь минимально устойчивую скорость
движения при работе двигателя на режиме максимального момента в пределах 0,5...1,4 м/с.
62
270
Опорные слова: сцепление, коробка передач, синхронизатор, раздаточная коробка, межосевой дифференциал,
блокирование
Контрольные вопросы
1.Для чего предназначено сцепление автомобиля?
2.Какие требования предъявляют к сцеплению?
3.Для чего предназначена коробка передач?
4.Для чего предназначена раздаточная коробка?
5.Какие требования предъявляют к раздаточной коробке?
Задание на дом: выписать опорные слова и дать им понятие
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
63
270
Тема № 21:«Карданная передача. Ведущий мост. Ходовая часть»
План изложения
1.Карданная передача
2.Ведущий мост
3.Ходовая часть
Изложение
-1–
Карданная передача предназначена для передачи крутящего момента от одного агрегата трансмиссии к другому в
тех случаях, когда оси их валов не совпадают и могут изменять свои положения (т. е. когда крутящий момент
передается 'под углом).
В зависимости от числа карданных шарниров карданные передачи делят на двух-, трех- и многошарнирные.
Наибольшее распространение получила двухшарнирная карданная передача. При значительном расстоянии между
агрегатами их соединяют трехшарнирной карданной передачей с промежуточной опорой.
В зависимости от кинематических особенностей различают карданные шарниры неравных и равных угловых
скоростей. Карданные шарниры равных угловых скоростей делят на сдвоенные, шариковые (с делительными
канавками или делительным рычажком) и кулачковые. Сдвоенный карданный шарнир представляет собой два
карданных шарнира, выполненных в виде единого механизма.
Требования. К карданным передачам предъявляют следующие основные требования: они должны обеспечивать
достаточно малую пульсацию угловой скорости валов; минимальные динамические нагрузки, возникающие из-за
дисбаланса (неуравновешенности) деталей карданной передачи; возможность передачи момента под большими
углами (например, в приводе ведущих управляемых колес) и бесшумность работы.
-2–
Ведущий мост воспринимает силы, действующие между колесами и подвеской, а его механизмы предназначены
для передачи крутящего момента от карданного вала к колесам автомобиля. Ведущие мосты делят на неразрезные
и разрезные. Колеса ведущих мостов могут быть только ведущими (задние мосты), либо одновременно ведущими
и управляемыми (передние мосты).
Ведущий мост состоит из главной передачи, дифференциала, привода к ведущим колесам и балки.
Главная передача предназначена для преобразования крутящего момента. Ее передаточное число выбирают исходя из условия согласования частот вращения коленчатого вала двигателя и колес на основном режиме движения
автомобиля, когда в коробке передач включена прямая передача. Конструкция главной передачи должна
обеспечивать необходимое передаточное число, высокий КПД, минимальные вертикальные габаритные размеры,
плавную, бесшумную работу. Различают зубчатые и червячные главные передачи. Червячные передачи из-за
небольшого КПД получили ограниченное применение. Зубчатые главные передачи могут быть одинарными и
двойными.
Дифференциал распределяет крутящий момент между ведущими колесами и обеспечивает их вращение с разными угловыми скоростями.
Дифференциалы классифицируются: по кинематической схеме — симметричные и несимметричные; по величине
внутреннего трения или коэффициенту блокировки — малое трение, А"б = 0,05...0,2; повышенное, Гб = 0,25...0,8 и
полная блокировка А$=1,0; по способу блокировки, а также по конструктивным признакам — зубчатые
кулачковые и т. д.
По способу изготовления балки ведущих мостов могут быть штампованными или литыми, а по конструкции —
цельными или составными.
Цельные штампованные балки прямоугольного или трубчатого сечения состоят из двух штампованных из
листовой стали половин. Штампованные сварные балки имеют меньшую массу и стоимость по сравнению с
литыми балками. Однако их жесткость меньше жесткости литых балок. Поэтому на автомобилях большой
грузоподъемности применяют цельные литые (из ковкого модифицированного чугуна или стали) балки мостов. В
полуосевые рукава балок запрессовывают трубы из легированной стали, на концах которых устанавливают
ступицу колес. Такие балки имеют большие габаритные размеры и массу, но обладают высокой прочностью и
жесткостью.
64
270
Составные балки мостов отливают из ковкого чугуна. Картер балок состоит из двух частей (разъем в продольной
плоскости), в каждую из которых запрессовывают стальные полуосевые рукава. Составные балки при меньшей
массе более прочны, чем литые. Недостатками конструкции являются трудоемкость изготовления и зависимость
жесткости конструкции от надежности соединений.
-3–
Подвеска служит для упругого соединения рамы или кузова с мостами (колесами) автомобиля, она уменьшает
динамические нагрузки и обеспечивает затухание колебаний кузова и колес.
Подвески автомобилей состоят из направляющих устройств, упругих элементов и устройств, гасящих колебания.
Направляющее устройство определяет кинематику движения колес и передает на раму (кузов) продольные и
поперечные силы, а также их моменты. Упругие элементы смягчают вертикальные динамические нагрузки,
возникающие при движении автомобиля по неровной дороге, улучшая плавность хода автомобиля. Гасящее
устройство (амортизатор) вместе с трением в подвеске обеспечивает быстрое затухание колебаний кузова и колес.
Для уменьшения бокового крена автомобиля в подвеску вводят дополнительный упругий элемент — стабилизатор.
По типу направляющего устройства подвески делят на зависимые и независимые. У зависимой подвески
перемещение одного колеса вызывает перемещение другого колеса. У независимой подвески каждое колесо
перемещается самостоятельно.
По типу упругого элемента различают подвески с металлическими (рессоры, пружины, торсионы), резиновыми,
пневматическими и гидропневматическими упругими элементами.
К подвеске предъявляют следующие требования: обеспечение высокой плавности хода, создающей возможность
движения автомобиля с высокими скоростями на неровных дорогах; создание оптимальной величины затухания
колебаний кузова и колес; наличие минимальной массы неподрессорных частей.
В трехосных автомобилях подвеску второго и третьего мостов выполняют балансирной, что обусловливает
равенство вертикальных нагрузок, приходящихся на их колеса. Наибольшее распространение получили зависимые
рессорные балансирные подвески.
Преимуществом балансирной подвески перед индивидуальной подвеской каждого из мостов является то, что она
за счет поворота балансира вокруг его оси выравнивает вертикальные нагрузки, действующие на мосты. Если же
перемещения колес одинаковы по величине, но противоположны по направлению, то упругая характеристика
представляет собой линию. Центр балансира не перемещается, и подвеска имеет как бы нулевую жесткость.
К направляющему устройству балансирной подвески предъявляют специфические требования: ограничение
горизонтальных перемещений рессоры относительно балки моста и уменьшение угловых перемещений мостов,
влияющих на износ шарниров, шлицевой муфты и опорных поверхностей рессор.
Автомобильные колеса служат для передачи сил и моментов, действующих между мостами и опорной поверхностью, а также для обеспечения заданного направления движения автомобиля и снижения динамических нагрузок
на автомобиль от неровностей дороги.
По назначению колеса делятся на ведущие, ведомые и управляемые. Основные требования к колесам —
минимальная затрата энергии на перекатывание и выдерживание направления движения автомобиля.
Применяют также бездисковые колеса со спицевыми или барабанными ступицами. У спицевых ступиц пять-шесть
спиц заменяют диски колес. На концах каждой спицы имеются конические поверхности, служащие для крепления
обода /. От поперечных смещений колесо удерживается прижимами. Шпильки прижимов расположены по
окружности относительно большего диаметра, чем у дисковых колес, и поэтому меньше нагружены. Барабанные
ступицы используют на грузовых автомобилях большой грузоподъемности. Обод колеса посажен на коническую
часть барабана . Основные преимущества бездисковых колес — простота конструкции и низкая стоимость, масса,
меньшая на 10...15%, чем у дисковых колес, и удобство монтажно-демонтажных работ.
Автомобильные шины классифицируют по способу герметизации внутренней полости — на камерные и бескамерные; по форме профиля — на обычные, широкопрофильные, арочные и пневмокатки; по конструкции каркаса
— на шины с диагональным каркасом (тороидные шины), с радиальным каркасом (шины типа Р); по способу
работы — на шины с нерегулируемым и регулируемым давлением воздуха.
Шины должны иметь высокую износостойкость, обеспечивать хорошее сцепление с дорогой; малое давление на
грунт (особенно для автомобилей повышенной и высокой проходимости) ; малое сопротивление качению;
достаточную теплостойкость и хорошие упругие и амортизирующие свойства, способствующие повышению
плавности хода автомобиля.
Камерные шины. Эти шины наиболее распространены и применяются как на дорожных, так и внедорожных
автомобилях.
Бескамерные шины. При проколе шины воздух выходит из нее медленно, что дает возможность водителю
65
270
остановить автомобиль и избежать аварии (повышается безопасность движения).
Шины типа Р. Отличительной чертой этого типа шин является конструкция каркаса и брекера: каркас имеет
радиальное расположение нитей корда, а брекерный пояс — окружное. Нити каркаса воспринимают только
радиальные нагрузки, что позволяет уменьшить число слоев корда почти вдвое и увеличить на 25 ... 30 %
радиальную эластичность шин.
Рама является несущей системой, на которой монтируют кабину, кузов и все агрегаты и механизмы автомобиля.
Рама автомобиля должна иметь высокую жесткость и прочность при минимальной массе, чтобы исключить
возможность расшатывания и поломки элементов при движении автомобилей со значительным перекосом мостов
и колес; рациональную конструкцию, позволяющую удобно размещать агрегаты и механизмы; форму,
обеспечивающую низкое расположение центра тяжести автомобиля, значительный ход подвески и большие углы
поворота управляемых колес.
Все грузовые и легковые автомобили с большим рабочим объемом двигателя имеют раму. В зависимости от
конструкции рамы делятся на лонжеронные и хребтовые (центральные).
Опорные слова: карданная передача, карданные шарниры, ведущий мост, главная передача, дифференциал,
ходовая часть, подвеска, рама, колеса, шины
Контрольные вопросы
1.Для чего предназначена карданная передача?
2.Какие требования предъявляют карданной передаче?
3.Для чего предназначен ведущий мост?
4.Что входит в ведущий мост?
5.Что относится к ходовой части автомобиля?
6.Какие существуют виды шин?
Задание на дом: составить по теме кроссворд
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
66
270
Тема № 22:«Кузов автомобиля. Механизмы управления»
План изложения
1.Кузов автомобиля
2.Рулевое управление
3.Тормозная система
Изложение
-1–
Кузов служит для размещения водителя, пассажиров и перевозимого груза.
По характеру воспринимаемых нагрузок кузова делят на несущие, полунесущие и разгруженные. Несущий кузов
воспринимает все силы, возникающие при движении автомобиля. Полунесущий кузов, жестко связанный с рамой,
воспринимает часть нагрузок, приходящихся на раму. Разгруженный кузов, укрепленный на раме при помощи
упругих элементов, кроме веса груза, не воспринимает никаких сил.
В зависимости от конструкции кузова выполняются бескаркасными, каркасными и полукаркасными. В
соответствии с типом автомобиля различают кузова легковых автомобилей, автобусов, грузовых и
грузопассажирских автомобилей. В грузовых автомобилях водитель и пассажиры находятся в кабине, а
перевозимый груз размещается на платформе.
К кузову относится оперение, закрывающее части автомобиля, расположенные внутри кузова и кабины (капот,
крылья и т. п.).
Большинство современных пассажирских автомобилей имеют несущие кузова.
Кузова легковых автомобилей. Кузова легковых автомобилей классифицируют по числу дверей, рядов сидений и
конструкции крыши.
По числу дверей различают двухдверные, трех-, четырех-и пятидверные автомобили, по конструкции крыши —
закрытые и открывающиеся со съемным верхом, по числу рядов сидений — одно, двух- и трехрядные.
Кузова автобусов. В соответствии с назначением автобусы делят на городские, междугородные, туристские и специальные. Современные автобусы имеют компоновку вагонного типа, при которой габаритные размеры кузова
совпадают с габаритными размерами автобуса. Кузов автобуса каркасной конструкции. Каркас обычно делают
сварным из стальных труб прямоугольного сечения. К нему крепят наружную и внутреннюю облицовку,
выполненные из легких сплавов или стеклопластиков. Несущее основание кузова автобуса изготовляют из
штампованных профилей. Соединение каркаса с основанием может быть жестким или упругим.
Кузов грузового автомобиля. Основными его частями являются кабина и платформа. По способу изготовления
кабины делятся на каркасные и бескаркасные, по числу мест — на одно-, двух- и трехместные.
На раме автомобиля кабина устанавливается перед двигателем, над двигателем или за двигателем. Кабины,
располагаемые над двигателем, как правило, выполняются откидывающимися.
Грузовой кузов может иметь вид бортовой платформы (автомобили общего назначения), фургона, цистерны и т. д.
Он может быть самосвальным. Бортовая платформа, обычно открытая, оборудуется дополнительными
устройствами для наращивания бортов и установки тента. К раме бортовая платформа крепится с помощью
стремянок.
К кузовам предъявляются следующие требования: обтекаемая форма; удобное расположение органов управления;
хорошая обзорность для водителя и пассажиров; надежная изоляция от пыли, влаги, нагревания и шума; удобное
расположение сидений; наличие вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха, освещения салона; удобство
выхода и входа пассажиров.
-2–
Рулевым управлением называется совокупность устройств, обеспечивающих поворот управляемых колес автомобиля при воздействии водителя на рулевое колесо.
Рулевое управление состоит из рулевого вала, рулевого механизма, рулевого привода и усилителя рулевого
привода (последний может отсутствовать). В соответствии с классификационными признаками рулевое
управление может быть правым или левым — в обратной зависимости от стороны движения, принятого в данной
стране; с рулевым приводом к одному или нескольким управляемым мостам; с постоянным или переменным
передаточным числом рулевого механизма; с червячным, винтовым, кривошипным или шестеренным (реечным)
67
270
рулевым механизмом; с механическим или гидравлическим приводом управления; с усилителем либо без него.
К рулевому управлению предъявляются следующие требования: обеспечение высокой управляемости и
устойчивости движения автомобиля; создание условий качения колес с минимальным боковым уводом;
обеспечение оптимальных усилий на рулевом колесе при управлении автомобилем; предотвращение передачи
толчков от дороги на рулевое колесо; обеспечение стабилизации управляемых колес; соответствие положениям
инженерной психологии и безопасности конструкции.
Надежность рулевого управления в значительной степени определяет безопасность движения автомобиля, поэтому
сохранению этого свойства на необходимом уровне уделяется весьма большое внимание. Прочность, а
следовательно, и безотказность деталей в большой мере зависят от их материала.
-3–
Тормозной системой автомобиля называется совокупность устройств, предназначенных для снижения скорости
его движения, поддержания постоянной скорости движения на спусках и удержания на стоянке.
В соответствии с ГОСТ 22895 — 77 автомобиль оборудуется рабочей, запасной и стояночной тормозными
системами, а автомобили с полной массой 12 т и выше, а также предназначенные для эксплуатации в горных
условиях, должны иметь еще и вспомогательную систему. Каждая тормозная система состоит из тормозных
механизмов и тормозных приводов.
К тормозным системам автомобиля предъявляются следующие требования: обеспечение требуемой эффективности
торможения; сохранение устойчивости автомобиля при торможении; повышенная эксплуатационная надежность;
стабильные тормозные свойства; плавное действие (рабочей, запасной и стояночной при движении), что
необходимо для комфортабельной и безопасной езды; легкое управление.
.Для повышения надежности тормозной системы автомобиля используется так называемый принцип резервирования, который применительно к автомобилям выражается в обязательном наличии рабочей и запасной тормозных
систем. При выходе из строя одной из них тормозные свойства автомобиля обеспечиваются оставшейся системой.
При проектировании и изготовлении требование повышенной надежности элементов тормозных систем
удовлетворяется их гарантированной прочностью. Конкретные технологические и конструктивные мероприятия,
снижающие вероятность отказа тормозных механизмов или улучшающие их качества, рассматривались выше.
Активными мероприятиями, повышающими безопасность движения, являются: повышение тормозных свойств
автомобиля путем применения тормозных систем, обеспечивающих полное использование сцепного веса каждого
колеса; установка противоблокировочных устройств и шин с высокими сцепными свойствами во всех
направлениях; использование быстродействующих приводов к тормозным механизмам, больших замедлений при
торможении независимо от температуры тормозных механизмов; увеличение максимального замедления при
торможении.
Тенденции развития тормозных систем автомобилей характеризуются реализацией указанных выше мероприятий,
а также дальнейшим облегчением управления тормозными механизмами. По-видимому, на автомобилях получат
более широкое применение тормозные системы с двигателем в качестве источника энергии, а также будут
разработаны и использованы противоблокировочные устройства.
Опорные слова: кузов, несущие, полунесущие и разгруженные кузова, бескаркасные, каркасные кузова,
полукаркасные кузова, оперение, рулевое управление, тормозная система, тормозной механизм, тормозной
привод. противоблокировочное устройство
Контрольные вопросы
1.Для чего предназначен кузов и что к нему относится?
2.Какие существуют виды кузовов?
3.Для чего предназначено рулевое управление?
4.Что входит в рулевое управление?
5.Для чего предназначена тормозная система?
6.Какие требования предъявляют к тормозным системам?
Задание на дом: составить по теме опорный конспект и к нему вопросы
Литература: В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва «Машиностроение» 1985 г.
69
270
Список используемой литературы
1. С. Н.Богданов
«Автомобильные
«Машиностроение» 1987 г.
двигатели»
г.
Москва
2. В. А. Иларионов «Теория и конструкция автомобиля» г. Москва
«Машиностроение» 1985 г.
70
270
Содержание
Предисловие
4
Введение. Основы технической термодинамики, теоретические и действительные циклы
внутреннего сгорания
двигателей
5
Энергетические и экономические показатели двигателя. Тепловой баланс
10
Гидродинамика
12
Карбюрация и смесеобразование в дизеле
17
Характеристики двигателей
19
Кинематика кривошипно-шатунного механизма
24
Динамика кривошипно-шатунного механизма
27
Уравновешивание двигателей
30
Эксплуатационные свойства автомобиля
34
Силы и моменты, действующие на автомобиль при его движении
36
Тяговая динамичность автомобиля. Динамический паспорт автомобиля
41
Тормозная динамичность автомобиля
44
Понятие о дорожно-транспортной экспертизе
46
Топливная экономичность
48
Устойчивость автомобиля
50
Управляемость автомобиля
52
Проходимость автомобиля
54
Плавность хода автомобиля
56
Типы трансмиссий автомобиля
59
Сцепление, коробка передач и раздаточная коробка
61
Карданная передача. Ведущий мост. Ходовая часть
64
Кузов автомобиля. Механизмы управления
67
Список используемой литературы
70
71
270