Теория эксплуатационных свойств автомобиля

Í.À. Êóçüìèí, Â.È. Ïåñêîâ

ÒÅÎÐÈß

ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈÎÍÍÛÕ
ÑÂÎÉÑÒÂ ÀÂÒÎÌÎÁÈËß

Äîïóùåíî Ìèíèñòåðñòâîì îáðàçîâàíèÿ è íàóêè

Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé, îáó÷àþùèõñÿ

ïî àâòîìîáèëüíûì ñïåöèàëüíîñòÿì

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Введение

Большое количество учебных дисциплин, изучаемых в вузах автомобильного профиля, так или иначе посвящено анализу теоретических зависимостей, описывающих движение автомобиля (или колесной машины другого типа) в различных дорожных условиях. Эти теоретические зависимости позволяют оценивать влияние основных
конструктивных параметров автомобиля (колесной машины), а также
параметров его физического состояния и реальных дорожных условий, на показатели и характеристики его основных эксплуатационных свойств.
Понятие эксплуатационные свойства представляет собой группу
свойств, определяющих степень приспособленности автомобиля (колесной машины) к эксплуатации в различных условиях. Различают
следующие основные эксплуатационные свойства автомобиля:
1. Тяговоскоростные.
2. Топливноэкономические.
3. Проходимость.
4. Тормозные свойства.
5. Устойчивость, управляемость и маневренность.
6. Плавность движения.
Вместе с тем основным эксплуатационным свойством автомобилей и прочих колесных машин следует считать надежность, анализ
которой в представленном издании не производится. Надежность и
составляющие ее подсвойства (безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость) изучаются в отдельных курсах с использованием специального методического обеспечения.
Данное учебное пособие посвящено изучению теории движения
автомобиля, методов количественной оценки его динамики и топливной экономичности, анализу его проходимости, устойчивости, управляемости и маневренности, а также теоретическим основам обеспечения его необходимых тормозных свойств и плавности хода. Оно
включает как соответствующие теоретические разделы, так и практи

ческие задачи по каждому из них. Для облегчения усвоения выводимых теоретических зависимостей и понимания алгоритмов расчетного определения количественных оценок различных эксплуатационных свойств в тексте пособия приводятся многочисленные примеры
расчетов и определения тяговоскоростных качеств автомобилей с
механическими и гидромеханическими трансмиссиями, топливноэкономических показателей различных автомобилей, определения передаточных чисел коробок передач, высоты преодолеваемых
автомобилями различных компоновочных схем пороговых препятствий, тормозного пути автомобиля, расчетной оценки устойчивости
транспортного средства при движении в различных дорожных условиях и др.
Знание расчетных методов оценки эксплуатационных свойств,
умение грамотно определять пути совершенствования эксплуатационных характеристик автомобилей и других колесных машин (тракторов, прицепов, автопоездов) нужно как инженерамавтомобилистам,
занимающимся конструированием этих машин, так и автомобилистамэксплуатационникам. В данном пособии авторы постарались
усилить направленность рассматриваемой учебной дисциплины на
подготовку автомобильных инженеров, занимающихся эксплуатацией автомобильного транспорта и его сервисным обслуживанием.
В частности, на основе анализа теоретических зависимостей дается
много различных рекомендаций и примеров решения проблем по совершенствованию аэродинамических характеристик грузовых автомобилей в эксплуатационных условиях, по улучшению динамических
показателей автомобилей, повышению их проходимости, устойчивости и др.
Данное учебное пособие является дополненным и существенно
измененным по отношению к предыдущему подобному изданию
В.И. Пескова, выпущенному с грифом Министерства образования и
науки Российской Федерации в 2006 г., — «Теория автомобиля». Дополнения и переработка обусловлены необходимостью рассмотрения
вопросов эксплуатационных свойств автомобилей и прочих транспортных и транспортнотехнологических машин в соответствии с
вновь введенными в 2011 г. стандартами высшего образования по направлениям «Эксплуатация транспортных и транспортнотехнологических машин и комплексов» и «Транспортнотехнологические машины и комплексы».

4
Введение

Глава 1
ТЯГОВОСКОРОСТНЫЕ СВОЙСТВА
АВТОМОБИЛЯ

Тяговоскоростными свойствами называют совокупность свойств,
определяющих возможные по характеристикам двигателя и сцеплению
ведущих колес с дорожным покрытием диапазоны изменения скоростей движения автомобиля и его максимальные ускорения разгона.
Анализ расчетных показателей тяговоскоростных свойств колесной машины позволяет определять предельные дорожные условия, в
которых еще возможно движение автомобиля, а также оценивать осуществимость буксировки в конкретных дорожных условиях прицепа
заданной массы. Решение обратной задачи — задачи синтеза — дает
возможность определить конструктивные параметры автомобиля, которые позволят обеспечить заданные скорости движения и ускорения
разгона в конкретных дорожных условиях, а также преодоление заданных подъемов и буксировку прицепа заданной массы. Соответственно, решение первой задачи обычно принято называть поверочным
тяговым расчетом, а решение второй задачи — проектировочным тяговым расчетом.

1.1. Введение в теорию качения колеса

Прежде чем приступить к изучению закономерностей движения
автомобиля (колесной машины), необходимо ознакомиться с работой
его главного движущего и направляющего устройства — колеса.
В зависимости от соотношения деформаций колеса и опорной
поверхности различают четыре вида его взаимодействия с дорогой:
1) качение жесткого колеса по жесткой (практически недеформируемой) поверхности (рис. 1, а);
2) качение эластичного колеса по недеформируемой поверхности
(рис. 1, б);

3) качение жесткого колеса по деформируемой (податливой) поверхности (рис. 1, в);
4) качение эластичного колеса по деформируемой поверхности
(рис. 1, г).

Первый из рассматриваемых случаев относится к варианту качения стального колеса трамвая или поезда по рельсовому пути и в теории автомобиля обычно не используется. Три остальных случая характеризуют взаимодействие колеса автомобиля с различными дорожными поверхностями. При этом наиболее типичным является
второй случай, соответствующий движению колеса с эластичной шиной по дороге с твердым покрытием (асфальт, асфальтобетон, брусчатка). В реальной эксплуатации встречается также третий случай,
когда автомобиль движется по свежевыпавшему снегу и деформации
шины значительно меньше деформаций снежного покрытия, а также
четвертый случай, когда автомобиль (или колесный трактор) движется по податливым грунтовым дорогам.
На рис. 2 показаны основные геометрические параметры автомобильного колеса и шины. Здесь Dн — диаметр наибольшего окружного сечения беговой дорожки шины ненагруженного колеса; d — посадочный диаметр обода; Вш — ширина профиля шины; Нш — высота
профиля шины. Коэффициент высоты профиля шины ∆ш = Нш/Вш.
В маркировке автомобильной шины обычно присутствуют все необходимые данные для определения перечисленных параметров. Например, маркировка на боковине шины 175/70 R13 свидетельствует о
том, что посадочный диаметр d равен 13 дюймам, т. е. (25,4 мм) ⋅ 13 =
= 330 мм, ширина профиля шины Вш = 175 мм, коэффициент высоты

6
Глава 1. Тяговоскоростные свойства автомобиля

Рис. 1. Виды взаимодействия колеса и опорной поверхности:
а — жесткие колесо и дорога; б — эластичное колесо и недеформируемая дорога;
в — жесткое колесо и деформируемая дорога; г — деформируемые колесо и дорога

профиля шины ∆ш = 70 %, т. е. 0,7 (если ∆ш не показан, он равен 82—
86 %). Отсюда высота профиля шины

Нш = Вш∆ш = 175 ⋅ 0,7 = 122,5 мм.

Соответственно (см. рис. 2):

Dн = d + 2Нш, т. е. Dн = 330 + 2 ⋅ 122,5 = 575 мм.

Очень важным с точки зрения теоретических расчетов является
правильный выбор радиуса качения автомобильного колеса. В теории
качения эластичного колеса по твердой (недеформируемой) поверхности оперируют четырьмя основными радиусами.
Свободный радиус rc — радиус наибольшего окружного сечения беговой дорожки шины ненагруженного колеса (т. е. при отсутствии его
контакта с поверхностью дороги):

rc = 0,5Dн.
(1)

Статический радиус rст — расстояние от центра неподвижного колеса, нагруженного вертикальной силой Fz, до опорной поверхности
(рис. 3):

rcт = 0,5d + λzНш = 0,5d + λz∆шВш,
(2)

где λz — коэффициент вертикальной деформации шины; λz = 0,8—
0,86 — для радиальных шин легковых автомобилей; λz = 0,85—0,91 —
для шин грузовых автомобилей и автобусов, а также для диагональных шин легковых автомобилей.

1.1. Введение в теорию качения колеса
7

Рис. 2. Основные геометрические параметры и маркировка шины автомобильного
колеса

Коэффициент λz зависит от величины
вертикальной нагрузки на шину и от давления воздуха в ней, при этом с увеличением нагрузки λz уменьшается, а с увеличением давления — увеличивается.
Динамический радиус rд — расстояние
от центра катящегося колеса до опорной
поверхности (рис. 4). На величину rд, точно так же, как на rcт, влияют вертикальная
нагрузка на колесо и давление воздуха в
шине. Кроме того, динамический радиус
несколько увеличивается с ростом угловой
скорости ωк вращения колеса и уменьшается с ростом передаваемого колесом крутящего момента Тк. Противоположное
влияние ωк и Тк на изменение rд обусловило то, что для дорог с твердым покрытием
часто принимают rд ≅ rст.
Радиус качения rк (кинематический радиус) — отношение продольной скорости колеса Vх к его угловой скорости вращения ωк:

rк = Vх /ωк.
(3)

Радиус качения сильно зависит от величины и направления передаваемого колесом крутящего момента Тк и сцепных свойств шины с
дорожным покрытием. Если Тк не превышает 60 % значения, при котором наступает буксование колеса или его юз, то данную зависимость можно считать линейной. При этом в ведущем режиме зависимость имеет вид

rк = rко − λт Тк,
(4)

а в тормозном режиме (т. е. когда Тк меняет направление)

rк = rко + λт Тк,
(5)

где rко — радиус качения колеса в ведомом режиме (когда Тк = 0); λт —
коэффициент тангенциальной эластичности шины.
Радиус качения колеса в ведомом режиме rко определяется экспериментально путем прокатывания нагруженного заданной вертикаль8
Глава 1. Тяговоскоростные свойства автомобиля

Рис. 3. Статический радиус
колеса

Рис. 4. Динамический
радиус колеса

ной нагрузкой Fz колеса на 5—10 полных оборотов (п оборотов) и замера его пути качения S. Так как S = 2πrко п,

rко = S/2πп.
(6)

Рассмотрим характерные случаи.
1. Ведомый режим. Тк = 0; rк = rко; ωк ≠ 0. Ситуацию иллюстрирует
рис. 5, а. В этом случае V1 = 2Vх; V2 = 0.

2. Режим полного буксования (рис. 5, б). Tк > Тк
max (максимальный момент колеса по сцеплению с дорогой); V1 = −V2; Vх = 0. Тогда
rк = Vх/ωк = 0.
3. Режим юза (рис. 5, в). Тк < −Тк
max; V1 = V2 = Vх; ωк = 0. Тогда rк =
= Vх /ωк = ∞.
Рассмотренные случаи показывают, что диапазон возможных
значений радиуса качения rк автомобильного колеса в реальных условиях изменяется от нуля до бесконечности, т. е. 0 ≤ rк ≤ ∞. Это хорошо
иллюстрирует график зависимости rк от Тк (рис. 6). Видно, что в диапазоне значений Тк от 0,6 Тк
max до −0,6 Тк
max происходит некоторое
увеличение rк практически по линейному закону. Для большинства

1.1. Введение в теорию качения колеса
9

Рис. 5. Радиусы качения колеса:
а — ведомый  режим; б — режим буксования; в — режим юза

Рис. 6. Зависимость радиуса качения rк колеса от величины и направления
передаваемого им момента Тк

шин при работе в указанном диапазоне передаваемых колесом моментов rк = rд = (0,94 − 1,06)rко. В зонах от 0,6Тк
max до Тк
max и от
−0,6Тк
max до −Тк
max зависимость сложная нелинейная, при этом в первой зоне по мере увеличения передаваемого колесом крутящего момента rк резко устремляется к нулю (полное буксование), а во второй
зоне по мере возрастания тормозного (отрицательного) момента величина rк быстро уходит в бесконечность (режим чистого скольжения
без вращения, т. е. так называемый «юз»).

1.2. Динамика качения колеса по недеформируемой
поверхности

Со стороны шасси автомобиля на колесо действуют силы Fx и Fz,
а также момент Тк (рис. 7). Вертикальная сила Fz направлена вниз и
является результатом воздействия на подшипники колеса приходящейся на него массы автомобиля. Горизонтальная сила Fx в зависимости от режима движения колеса может иметь направление, совпадающее с направлением движения автомобиля (вектор скорости Vx)
или противоположное ему. Момент Тк подводится к ведущему колесу
от полуоси, этот момент совпадает с направлением вращения колеса
и поэтому считается положительным. Если момент Тк подводится от
тормозного механизма, его направление противоположно вектору угловой скорости колеса ωк, и он считается отрицательным. Возможна
также ситуация, когда Тк = 0.
Нормальная реакция от поверхности дороги Rz направлена вверх,
причем точка ее приложения у катящегося колеса с эластичной шиной смещена вперед на величину ∆х относительно проекции оси вращения
колеса на опорную поверхность. Это
смещение обусловлено существенным
отличием эпюры нормальных давлений
в зоне контакта шины с дорогой у
неподвижного колеса (эпюра давлений симметрична относительно вертикальной оси колеса, и равнодействующая реакция Rz совпадает с этой осью
(рис. 8, а)) и у движущегося колеса
(эпюра давлений несимметрична вер10
Глава 1. Тяговоскоростные свойства автомобиля

Рис. 7. Общий случай действия
сил и моментов на катящееся
колесо