3.4. Тяговые и динамические расчеты тракторов и автомобилей

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*с24, 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:

формула 2

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

формула

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

формула 6

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

формула 1

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 = n/ ne

Минимальное число ступеней m коробки передач, при кото­ром обеспечивается перекрытие кривых сил тяги на смежных пе­редачах, определяется следующей зависимостью:

формула 2

где ik(1) ik(пр)— передаточные числа КП на I и прямой передачах.

Передаточное число р-й передачи

формула 4

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 PK1ψ1+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.

Тяговая характеристика автомобиля

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:

формула 5

В случае равномерного движения скорость υ = const, a P= 0, тогда

формула 3

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).

Динамическая характеристика автомобиля

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.