Теория движения колесных машин

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. А. Маркина, В. В. Давыдова

Теория движения 
колесных машин

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки:
23.03.02 — Наземные транспортно-технологические комплексы;
23.03.03 — Эксплуатация транспортно-технологических  
комплексов и машин;
23.05.02 — Транспортные средства специального назначения

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

УДК 531.3:629.33(075.8)
ББК 22.21я73+39.3я73
          М26
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. С. В. Ляхов (завкафедрой «Автомобилестроение» 
ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет»);
д-р техн. наук, проф. Б. Л. Охотников (кафедра «Технология металлов и ремонта машин» ФГБОУ ВО «Уральский государственный аграрный университет») 

На обложке использовано изображение с сайта https://www.caricos.com/
cars/p/porsche/2014_porsche_cayman

 
Маркина, А. А.
М26     Теория движения колесных машин : учебное пособие / А. А. Маркина, В. В. Давыдова ; М-во науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. — 216 с.

ISBN 978-5-7996-3263-2

Теория движения автомобиля составляет научную основу функционального проектирования. Ее методология нацелена на определение оптимальных параметров автомобиля, обеспечивающих высокую эффективность выполнения 
транспортных работ и безопасность движения, комфортные условия для водителя и пассажиров.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения и содержит как 
теоретический материал, так и методические указания к выполнению курсовой 
и практических работ, материалы для самостоятельной работы.

Рис. 87. Табл. 12. Прил. 3.
УДК 531.3:629.33(075.8)
ББК 22.21я73+39.3я73

ISBN 978-5-7996-3263-2 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2021

Оглавление

Предисловие ..............................................................................................5

Введение ....................................................................................................7

1. Основы теории колесного движителя ....................................................9

1.1. Режимы качения автомобильного колеса ...................................11
1.2. Сцепление и деформация колеса ................................................14
1.3. Радиус колеса ...............................................................................20
1.4. Сопротивление качению колеса .................................................25
1.5. Факторы, влияющие на коэффициент сопротивления 
         качению .......................................................................................30
1.6. Понятие коэффициента сцепления ............................................37
Задания для самостоятельной работы к главе 1 ................................43

2. Внешние воздействия на автомобиль при прямолинейном движении.....45

2.1. Схема внешних воздействий на автомобиль ..............................45
2.2. Силы внешнего сопротивления движению автомобиля ............46
2.3. Аэродинамическое сопротивление .............................................50
2.4. Нормальные реакции и перераспределение нормальных 
        реакций ........................................................................................54
Задания для самостоятельной работы к главе 2 ................................57

3. Определение основных параметров автомобиля ..................................58

3.1. Массогабаритные параметры ......................................................59
3.2. Определение потребной мощности и характеристик 
         двигателя .....................................................................................67
3.3. КПД и структура трансмиссии ....................................................76
3.4. Определение передаточных чисел механической 
         трансмиссии ................................................................................81
Задания для самостоятельной работы к главе 3 ................................90

4. Тягово‑скоростные свойства автомобиля ............................................92

4.1. Оценочные показатели тягово-скоростных свойств ..................92
4.2. Тягово-динамическая характеристика автомобиля ...................96
4.3. Мощностный баланс и мощностная диаграмма автомобиля .... 102
4.4. Характеристики разгона автомобиля ........................................ 105
4.5. Преодоление подъемов .............................................................. 109
Задания для самостоятельной работы к главе 4 .............................. 110

Оглавление

5. Топливная экономичность ................................................................. 112

5.1. Оценочные показатели топливной экономичности ................ 112
5.2. Построение топливной характеристики установившегося 
         движения и топливно-экономической характеристики ......... 116
Задания для самостоятельной работы к главе 5 .............................. 121

6. Тормозные свойства........................................................................... 123

6.1. Оценочные показатели тормозных свойств ............................. 123
6.2. Тормозная диаграмма ................................................................ 128
Задания для самостоятельной работы к главе 6 .............................. 131

7. Кинематика криволинейного движения ............................................. 132

7.1. Основные понятия криволинейного движения ....................... 132
7.2. Боковой увод колес .................................................................... 142
7.3. Влияние кинематики подвески на параметры 
         криволинейного движения ....................................................... 147
7.4. Определение боковых и нормальных реакций 
        при криволинейном движении ................................................. 155
Задания для самостоятельной работы к главе 7 .............................. 161

8. Устойчивость и управляемость .......................................................... 163

8.1. Оценочные показатели устойчивости....................................... 163
8.2. Поворачиваемость автомобиля и занос мостов ........................ 166
8.3. Поперечная устойчивость автомобиля ..................................... 170
8.4. Стабилизация рулевого управления ......................................... 175
8.5. Оценочные показатели управляемости .................................... 178
8.6. Траекторная управляемость ...................................................... 180
8.7. Маневренность .......................................................................... 181
Задания для самостоятельной работы к главе 8 .............................. 183

9. Плавность хода .................................................................................. 184

9.1. Оценочные показатели плавности хода .................................... 184
9.2. Влияние вибраций на человека ................................................. 186
9.3. Параметры виброзащитной системы автомобиля .................... 187
9.4. Упругая характеристика подвески ............................................ 192
Задания для самостоятельной работы к главе 9 .............................. 194

Список библиографических ссылок....................................................... 196

Ответы на задания для самостоятельной работы .................................. 200

Приложение 1 ........................................................................................ 201
Приложение 2 ........................................................................................ 203
Приложение 3 ........................................................................................ 207

Предисловие

У

чебное пособие подготовлено сотрудниками кафедры «Подъемно-транспортные машины и роботы» Института новых 
материалов и технологий ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» для обеспечения образовательного процесса студентов направлений 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы» 
и 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения.
Материал в книге изложен в порядке, обеспечивающем постепенное включение читающего в процесс изучения теории движения автомобиля. Предварительно изучив свойства колесного движителя и силы, 
действующие на движущийся автомобиль, читатель переходит непосредственно к изучению эксплуатационных свойств колесных машин 
и вопросов функционального проектирования.
На первом этапе, в зависимости от назначения транспортного средства, определяются требования к его двигателю и трансмиссии, в том 
числе мощность, крутящий момент, передаточные числа и количество ступеней КПП, тип привода. Далее результаты предварительного 
расчета оцениваются с точки зрения тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.
Помимо способности двигаться, автомобиль должен эффективно 
тормозить. Этот процесс описан в шестой главе пособия. Затем, изучив кинематику криволинейного движения, студент определит способность разрабатываемого транспортного средства двигаться по заданной водителем траектории в главе «Устойчивость и управляемость». 
Завершается основной текст пособия главой о плавности хода.
В конце каждой главы приведены задания для самостоятельной 
работы, позволяющие студенту получить практические навыки и умения работы с приведенным теоретическим материалом*. Для самосто
* Задачи подобраны из книг авторов В. А. Умняшкин, Н. М. Филькин, Р. С. Музафаров, И. Ф. Дьяков, Г. В. Зимелев, А. Ф. Мащенко, В. И. Медведков и сгруппированы по тематическим разделам.

Предисловие

ятельной проверки студент может воспользоваться ответами к заданиям, приведенным в конце работы (см. с. 200).
В дополнение к теоретическому материалу в приложениях пособия содержатся рекомендации к выполнению курсовой работы, которая является частью дисциплины «Теория движения автомобиля» для 
студентов, обучающихся в УрФУ по направлениям 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы» и 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения». В прил. 1 приводится пример необходимых для выполнения курсовой работы исходных данных. 
В прил. 2 и 3 приведены общие рекомендации к оформлению, содержанию и порядку выполнения курсовой работы.

Введение

О

сновными задачами автомобилестроения являются повышение надежности и безопасности автомобилей, сокращение 
трудоемкости технического обслуживания, повышение топливной экономичности и экологичности транспортных средств. При 
функциональном проектировании автотранспортных средств одной 
из ключевых задач является определение физики процессов движения 
и управления автомобилем, взаимодействия с внешней средой, изучение характеристик его механизмов и систем. Исследованием и описанием данных процессов занимается теория автомобиля — «…наука 
о его функциональных свойствах, о зависимостях этих свойств от конструктивных параметров автомобиля, о закономерностях движения 
автомобиля, об эффективных и безопасных режимах движения в заданных условиях» [1].
Выполнение автомобилем транспортной работы: перевозки грузов 
и пассажиров — определяется его эксплуатационными свойствами, 
характеризующими способность автомобиля к выполнению определенных функций или работ. Эксплуатационные свойства непосредственно связаны с конструкцией узлов и систем автомобиля, поэтому 
на начальном этапе проектирования особое внимание уделяют анализу конструктивных решений и их влиянию на показатели эксплуатационных свойств. Не меньшее влияние на показатели эксплуатационных свойств оказывает техническое состояние автомобиля, поэтому 
техническое обслуживание и эксплуатация должны разрабатываться 
с учетом обеспечения определенного уровня показателей эксплуатационных свойств, обеспечивающих наиболее эффективное использование автомобиля.
Эксплуатационные свойства автомобиля можно разделить на свойства, связанные с движением, и свойства надежности, к которым относят безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. В теории автомобиля рассматривают эксплуатационные 
свойства, связанные с движением, к основным относятся тягово-скоростные, топливная экономичность, тормозные свойства, управляемость и маневренность, устойчивость, проходимость, плавность хода. 

Введение

Эксплуатационные свойства, связанные с движением, предъявляют 
специфические требования к отдельным системам и узлам (рис. 1.1) [2].
Помимо эксплуатационных свойств автомобиля, которые имеют 
первостепенное значение для технических специалистов при проектировании и эксплуатации, выделяют группу потребительских свойств 
автомобиля, которые играют ключевую роль для покупателей. Потребительские свойства, как правило, являются комплексными, например: безопасность, эргономичность, эстетическая привлекательность, 
качество сборки автомобиля.

Связь эксплуатационных свойств с системами и агрегатами автомобиля

Многие потребительские свойства автомобилей обусловлены эксплуатационными свойствами и конструктивными особенностями, 
но не дублируют их полностью, что также необходимо учитывать при 
проектировании автотранспортных средств.
В данной работе приводится описание основных эксплуатационных свойств автомобиля, связанных с движением, методики их расчета, описание характеристик и взаимосвязей эксплуатационных свойств 
и конструктивных параметров автомобиля.

1. Основы теории колесного движителя

В

заимодействие автомобиля с опорной поверхностью дороги 
происходит посредством движителя. Существуют различные 
типы движителей: колесный, гусеничный, шнековый, шагающий и др. На автомобилях применяется преимущественно колесный движитель, представляющий собой систему колес с эластичными пневматическими шинами. Использование пневматических шин 
имеет ряд особенностей, которые оказывают значительное влияние 
на поведение транспортного средства, в связи с чем перед изучением 
теории движения колесной машины необходимо рассмотреть основные положения теории колесного движителя.
Автомобильные колеса выполняют две основных функции:
• 
поддерживают вес автомобиля, обмениваясь вертикальными 
силами с поверхностью дороги;
• 
воспринимают продольные и боковые воздействия, вызванные неровностями опорной поверхности, которые способствуют перемещению транспортного средства и могут изменять его 
траекторию.
Выполнить первую функцию можно с помощью жестких колес, 
имевших место на первых транспортных средствах, однако с увеличением скорости способность воспринимать боковые и продольные силы 
становится все более важным параметром, поэтому на смену жестким 
колесам пришли колеса с эластичными шинами.
Основная функция пневматических шин заключается в распределении вертикальной нагрузки по поверхности, называемой пятном 
контакта колеса с дорогой, которое должно быть достаточно большим, 
чтобы амортизировать неровности дороги. Крайне важно, чтобы эластичность шины в разных направлениях была распределена особым 
образом, например на радиальных шинах вертикальная деформация 
выше из-за большей эластичности боковых участков шины, а окружная деформация меньше за счет направления нитей корда. Значительную роль в поведении шины на дороге играет ее протектор, в основном изготавливаемый из вулканизированной резины. Он создает