Тяговые расчеты позволяют определить основные технические параметры при создании новых машин (проектные расчеты) или же определить эксплуатационные показатели существующих машин (транспортные расчеты).
При выполнении проектного расчета учитываются дорожные условия района предполагаемой эксплуатации новых машин. При анализе этой информации определяют наиболее вероятные условия эксплуатации и для их характеристики вводят коэффициент суммарного сопротивления дороги ψ, а также определяют экстремальные дорожные условия с очень большими углами подъема αд и малыми коэффициентами сцепления φ.
Рассмотрим, например, методики тягового расчета автопоезда. Зная допустимую для данных дорог нагрузку на ось автопоезда и, учитывая требования к проходимости, выбирают тип и размеры шин. Затем определяют лобовую поверхность автопоезда F, м2, задают величину коэффициента обтекаемости k, Н*с2/м4, и КПД трансмиссии (для механических трансмиссий грузовых автомобилей ηтр = 0,82…0,87) и рассчитывают потребную эффективную мощность двигателя, необходимую для движения в наиболее вероятных условиях эксплуатации, Вт:
где G — вес автомобиля, Н; υmax — максимальная скорость движения автомобиля, м/с.
По расчетной мощности выбирают наиболее подходящий серийный двигатель. Обычно номинальная мощность выбранного двигателя Ne либо превышает, либо оказывается меньше расчетной мощности N'e. В этих случаях уточняют максимальную скорость автопоезда, ориентируясь на фактическую мощность двигателя. Эта задача решается подстановкой в уравнение мощностного баланса значения выбранной номинальной мощности Ne и определения фактической максимальной скорости υmax.
Зная уточненную скорость автопоезда, приступают к определению передаточных чисел трансмиссии. Механические трансмиссии автомобилей повышенной проходимости имеют КП, раздаточную коробку, главные и конечные передачи. Поэтому общее передаточное число трансмиссии iтр является произведением передаточных чисел КП iк, раздаточной коробки iр, передаточных чисел постоянно включенных шестерен главной iг и конечных iб передач:
iтр= iк iр iг iб
Раздаточная коробка используется в особенно тяжелых условиях движения. При движении по дорогам она обычно не участвует в изменении вращающего момента двигателя, и в ней включается прямая передача (iр = 1). Поэтому, определяя передаточные числа iк коробки передач, iр в расчетах не учитывают.
Скорость машины υ, м/с, зависит от радиуса ведущих колес rд, м, частоты вращения коленчатого вала двигателя nе, с-1, и передаточного числа трансмиссии
Частота вращения коленчатого вала двигателя nе, работающего по внешней скоростной характеристике, определяет значение вращающего момента Ме, который, в свою очередь, определяет при равномерном движении машины величину касательной силы тяги ведущих колес
где rд — динамический радиус колеса.
Таким образом, располагая внешней скоростной характеристикой двигателя Ме=f(ne), можно построить зависимость силы тяги от скорости движения: Рк=f(υ), т.е. тяговую характеристику машины при любом передаточном числе КП.
Однако передаточные числа КП нельзя принимать произвольно. Чтобы повысить КПД трансмиссии при работе в наиболее вероятных условиях эксплуатации, высшую передачу основного ряда автомобильных коробок передач делают прямой iк(пр)=1 или превышающей iк < 1. Так как высшая передача обеспечивает скорость υmax передаточное число постоянно включенных шестерен главной iг и конечных iб передач трансмиссии составит
Выбирая число ступеней коробки передач и передаточное число первой передачи iK(i), следует помнить, что оно определяет касательную силу тяги ведущих колес, величина которой ограничена по сцеплению, т.е.
Рk ≤ Рсц
Поскольку рабочий диапазон двигателя по частоте вращения коленчатого вала соответствует интервалу от некоторой частоты вращения nм, при которой вращающий момент на коленчатом валу достигнет максимального значения Меmах, до номинальной частоты nе, число передач т и их значения im должны быть подобраны таким образом, чтобы при переключении передач в процессе движения соблюдалось условие
υmax(p)= υmin(p+1)
Данное условие означает, что в предшествующий переключению передач момент времени минимальная скорость машины на высшей передаче р+1 должна быть равна максимальной скорости машины на низшей ступени р. Коленчатый вал двигателя при этом вращается с номинальной частотой nе.
Это возможно, если отношение ряда передаточных чисел КП является геометрической прогрессией, знаменатель которой
q = nm / ne
Минимальное число ступеней m коробки передач, при котором обеспечивается перекрытие кривых сил тяги на смежных передачах, определяется следующей зависимостью:
где ik(1) ik(пр)— передаточные числа КП на I и прямой передачах.
Передаточное число р-й передачи
где р — номер передачи (2, 3, …, m).
Завершающим этапом тягового расчета автопоезда является построение тяговых и динамических характеристик. В качестве примера на рис. 3.10 изображена тяговая характеристика автомобиля с четырехскоростной коробкой передач. Если на этом рисунке нанести кривую касательной силы тяги, которую должен развивать автомобиль, преодолевая сопротивления дороги 1 и воздушной среды PK1 =Рψ1+Pw, то точка пересечения кривой PK1 с тяговой характеристикой машины (точка А), определит максимальную скорость υ1, которая возможна в заданных условиях эксплуатации при движении на III передаче.
Рис. 3.10. Тяговая характеристика автомобиля:
Рк — касательная сила тяги, развиваемая автомобилем; Рк1—Рк3 — касательная сила тяги, требуемая для движения автомобиля соответственно по дорогам 1 — 3; υ — скорость движения автомобиля; υ1 —υ3 — максимальные скорости автомобиля на дорогах 1—3 (черные точки); I —IV —передачи; υmax(I) —υmax(IV) — максимальные скорости автомобиля соответственно на передачах I —IV;υmin(I) —υmin(IV) — то же, минимальные; А — точка, соответствующая максимальной скорости υ1, возможной в условиях эксплуатации при движении по дороге 1 на III передаче; В — точка, соответствующая заданной скорости υ1 возможной в условиях эксплуатации при движении по дороге 2 на IV передаче; С — точка, соответствующая максимальной скорости υ2, возможной в условиях эксплуатации при движении по дороге 2 на IV передаче; индексы 1—3 соответствуют дорогам 1 —3, оказывающим разное сопротивление движению машины; —— — тяговые скоростные характеристики автомобиля со ступенчатой коробкой передач;—— — частичная тяговая характеристика;——- —— идеальная тяговая характеристика машины, соответствующая зависимости NK = Neηтр= Pкυ= = const (где NK и Ne — мощность, подводимая к колесу, и эффективная мощность двигателя), заштрихованная площадь — недоиспользованная мощность двигателя
Необходимость сохранить эту скорость в более легких условиях движения, когда Рк2 = Рψ2+ Pw (если, например, на дороге установлен ограничительный знак), заставит водителя убавить подачу топлива. Пунктирная линия на рисунке описывает тяговую характеристику автомобиля, двигатель которого работает по частичной скоростной характеристике (частичная тяговая характеристика). Имеющийся в этом случае запас касательной силы тяги (отрезок ординаты АВ) может быть использован для разгона автомобиля до скорости υ2 за счет увеличения подачи топлива и включения IV передачи. Очевидно, если сопротивления возрастут до величины Рк3 = Рψ3+ Pw, движение будет возможным со скоростью υ3 на II передаче.
Выбор передаточных чисел в КП по условию обеспечения устойчивой работы двигателя в заданном интервале изменения сил сопротивления движению ведет к недоиспользованию мощности двигателя и уменьшению средней эксплуатационной скорости машины.
Соединив на графике тяговых характеристик точки кривых, соответствующие работе двигателя при номинальной мощности, получим идеальную характеристику машины с бесступенчатой передачей, обеспечивающей постоянство мощности двигателя при любой скорости движения PKυ=Neηтр=const. В координатах PK—υ площадь на графиках характеризует мощность, поэтому заштрихованная площадь на рис. 3.10 определяет недоиспользование мощности двигателя машины со ступенчатой КП. Таким образом, увеличение числа передач в КП или применение бесступенчатых трансформаторов вращающего момента, обладающих высокими КПД, обеспечивает улучшение тягово-скоростных свойств автомобилей и других самоходных машин.
Графики тяговых характеристик автомобилей и автопоездов, дающие наглядное представление о тягово-скоростных возможностях конкретных машин, не позволяют сравнивать между собой даже однотипные машины, имеющие разный вес. Из всех составляющих тягового баланса только сопротивление воздушной среды не зависит от веса машины.
Динамический фактор — это удельный показатель, который используется для сравнения разных машин:
В случае равномерного движения скорость υ = const, a Pj = 0, тогда
На основании тяговых характеристик, найдя разность (Рк— Pw) и отнеся ее к весу G автомобиля (автопоезда), можно построить графики зависимости динамического фактора D от скорости машины υ для каждой из передач I —IV. Совокупность таких графиков называется динамической характеристикой автомобиля (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Динамическая характеристика автомобиля:
D — динамический фактор; I — IV — динамический фактор для соответствующих передач; υ — скорость движения; ψ1 — ψ3 — коэффициенты сопротивления движению соответственно на дорогах 1—3
У современных грузовых автомобилей наибольшее значение динамического фактора D находится в пределах от 0,32…0,45 для I передачи до 0,05…0,07 для прямой передачи.
Динамические характеристики помимо оценки динамических свойств машин служат для определения максимальной величины преодолеваемых подъемов, времени и пути разгона машин и для других целей.
Основные параметры самоходных машин (масса, грузоподъемность, размеры, мощность и т.д.) тесно связаны между собой, испытывают взаимное влияние и зависят от условий эксплуатации. В то же время эти параметры определяют производительность машин, их цену и эксплуатационные затраты, т.е. показатели экономической эффективности техники. Поэтому каждому типу машин в заданных условиях эксплуатации соответствует некоторое оптимальное сочетание основных параметров, обеспечивающее максимальный эффект от использования техники в производстве.
Решение указанной задачи сводится к тому, что тяговые расчеты выполняются при разных сочетаниях силы тяжести Си скоростей υmax. Для каждого варианта тягового расчета определяется экономическая эффективность машины, и оптимальным вариантом считается тот, который обеспечивает наибольший экономический эффект.