Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

101

Рис. 2.6. Силы и моменты, действующие на автомобиль­тягач при прямолинейном движении

На рисунке показан наиболее общий случай, когда автомобиль­тягач уско­ ренно движется на подъем крутизной 0,03. При изображении сил приняты следующие основные допущения: дорожные условия под правыми и левыми колесами одноименных мостов автомобиля одинаковы, поэтому все силы, действующие на мост, могут быть приведены к его середине; автомобиль симметричен относительно продольной оси; нормальные составляющие ре­ акции дороги приложены в середине контактной поверхности, а их смещение учтено в моментах сопротивления качению колес мостов.

Все силовые факторы, действующие на автомобиль­тягач, можно раз­ делить на три группы: движущие; сопротивления движению; нормальные к направлению движения.

К первой группе относится окружная сила на ведущих колесах Fk. Вторую группу составляют: Мf моменты сопротивления качению колес автомоби­ ля; Fв сила сопротивления воздуха; Fi — продольная составляющая силы тяжести автомобиля; Fjx–сила сопротивления поступательному ускорению масс автомобиля; Fnx – продольная составляющая силы сопротивления при­ цепа. У одиночного автомобиля сила сопротивления прицепа отсутствует. К третьей группе относятся: Rz1, Rz2 нормальные реакции дороги; Gаcos – нормальная составляющая веса автомобиля; Fnz – нормальная составляющая силы сопротивления прицепа (крюковая нагрузка).Силы, входящие в эту группу, направлены перпендикулярно к вектору скорости автомобиля. По­ этому их влияние на динамику движения автомобиля не непосредственное, а косвенное.

Окружная сила и мощность на ведущих колесах. Окружная сила на веду­ щих колесах возникает в результате того, что к ведущим колесам подводится через трансмиссию крутящий момент от двигателя.

В настоящее время на автомобилях в основном применяются двигатели внутреннего сгорания. Их мощностные свойства принято оценивать скорост­ ными характеристиками, представляющими зависимость эффективной мощ­

102

ности или крутящего момента на коленчатом валу при установившемся ре­ жиме работы от частоты вращения двигателя. Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива, называется внешней скоростной характеристикой, а полученные при неполной подаче топлива − частичными. Скоростные характеристики определяют на специальных тормозных стендах. При этом обычно непосредственно находят зависимости эффективного мо­ мента двигателя от частоты его вращения, а мощность определяют расчетом.

Частичные скоростные характеристики получают при определенном по­ ложении органа, регулирующего подачу топлива. У карбюраторных двигате­ лей таким органом является дроссельная заслонка, а у дизельных двигателей − пружина регулятора. Поэтому частичные характеристики у карбюраторных двигателей соответствуют открытию дроссельной заслонки на определенный угол, а у дизельных − определенному натяжению пружины регулятора (опре­ деленному положению педали подачи топлива).

На рис. 2.7 показаны типовые внешние характеристики бензинового и дизельного двигателей.

Частичные характеристики бензинового и дизельного двигателей разли­ чаются значительно. При неизменном проходном сечении дросселя и измене­ нии нагрузки на бензиновом двигателе зависимость момента от частоты его вращения подобна зависимости, полученной при максимальном проходном сечении дросселя.

Рис. 2.7. Скоростные характеристики двигателей:

а— карбюраторного; б — дизельного

Удизельных двигателей изменение натяжения пружины регулятора рав­ носильно изменению максимальной частоты вращения двигателя. Поэтому линии, характеризующие связь между частотой вращения двигателя и кру­ тящим моментом при постоянном положении педали подачи топлива, оказы­ ваются практически параллельными аналогичной зависимости при полной подаче топлива.

При очень малой подаче топлива для вращения двигателя необходимо, чтобы крутящий момент, подводимый извне, был равен моменту сопротив­ ления вращению двигателя. В этом случае считается, что двигатель работает в тормозном (пассивном) режиме. Таким образом, область возможных режимов работы двигателя (соотношений между частотой вращения двигателя и кру­ тящим моментом на коленчатом валу) оказывается ограниченной: сверху –

103

внешней скоростной характеристикой двигателя, снизу — внешней тормоз­ ной. Область режимов работы двигателя ограничена также справа и слева: справа – максимальной, а слева - минимальной устойчивой частотой враще­ ния коленчатого вала.

Поскольку внешняя характеристика определяет предельные режимы ра­ боты двигателя, именно она является наиболее существенной при оценке ско­ ростных свойств автомобиля.

Важнейшими параметрами внешней скоростной характеристики двигателя являются: Рe max максимальная эффективная мощность (кВт); Temax мак­

У бензиновых двигателей, имеющих ограничитель частоты вращения, мак­ симальная частота вращения коленчатого вала при движении автомобиля с максимальной скоростью может на 10...20 % превосходить частоту nepe , со­

ответствующую максимальной мощности двигателя. Ограничитель, уста­ навливаемый с целью повышения долговечности бензиновых двигателей, включается в работу на той части внешней характеристики, где мощность практически не возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого ва­ ла. Это соответствует neo= (0,8...1)np. Поэтому при расчетах внешней ха­

рактеристики за максимальную мощность принимается та, которая была бы получена при отсутствии ограничителя. Мощность, соответствующая началу работы ограничителя, будем обозначатьPeo. Максимальная частота в этом случае будет иметь место при работе двигателя без нагрузки. Обычно она на

5...15 % выше neo.

Внешняя характеристика дизельного двигателя в рабочем диапазоне час­ тот вращения не достигает максимума, и максимальное значение мощности соответствует началу работы регулятора.

По известной зависимости мощности двигателя от частоты вращения ко­ ленчатого вала можно найти и крутящий момент двигателя

105

a 2b 3c 4d 0 для двигателей, снабженных ограничителем или регуля­ тором частоты вращения (дизель). Из условия наличия экстремума функции

(2.8) при e и соответственно равенства нулю производной

еТе

Решение системы уравнений (2.5), (2.7) и (2.8) дает

Поскольку в характеристиках двигателей обычно приводятся значения Pemax,nPe,Te max и nTe, по формулам (2.9), (2.10) можно построить внеш­

нюю характеристику двигателя.

Ориентировочно значения коэффициентов приспособляемости могут быть приняты для карбюраторных двигателей: кТе= 1,05... 1,45; к = 1,5...2,5; для дизельных: кТе= 1,1...1,5; к = 1,45...2. Чем больше к , тем шире диапазон устойчивой работы двигателя. Если увеличение нагрузки вызывает умень­ шение частоты вращения вала в пределах nеРе ...neTemax , то двигатель авто­

матически приспосабливается к изменению нагрузки, т. е. работает устойчи­ во. Коэффициент приспособляемости бензинового двигателя в сильной сте­ пени зависит от его литровой мощности – отношения максимальной мощно­ сти к рабочему объему цилиндров двигателя V л (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Зависимость коэффициентов приспособляемости бензинового двигателей от их литровой мощности

106

Пределы изменения нагрузки на двигатель, соответствующей его устойчи­ вой работе, т. е. способности автоматически приспосабливаться к изменениям нагрузки на колесах оценивают запасом крутящего момента Тезап(%)

Тезап Теmax TePe 100/TePe = Te max /TePe 1 100,

где TePe 9550Pe max / nePe крутящий момент, соответствующий nePe .

Необходимо учитывать, что при стендовых испытаниях двигатель ком­ плектуется дополнительным оборудованием (глушитель, вентилятор, ради­ атор, компрессор и др.) в соответствии с принятыми в каждой стране стандар­ тами. Полученная при испытаниях мощность двигателя приводится к нор­ мальным условиям: атмосферному давлению 760 мм рт. ст. и температуре 15°С. Условия работы двигателя, установленного на автомобиле, отличаются от стендовых: двигатель работает с другими впускными и выпускными си­ стемами; на нем устанавливаются дополнительные механизмы, на привод ко­ торых затрачивается определенная мощность; двигатель работает при другом температурном режиме. Поэтому мощность двигателя, установленного на ав­ томобиле, несколько меньше полученной при стендовых испытаниях. При использовании для тягово­скоростных расчетов стендовых внешних характе­ ристик значения мощности, соответствующие определенным частотам вра­ щения коленчатого вала, уменьшают путем умножения на коэффициент кс, зависящий от типа двигателя и автотранспортного средства. В приближенных расчетах можно принимать кс= 0,85. ..0,9. При работе на неустановившемся режиме мощность, отдаваемая двигателем, меньше мощности на устано­ вившемся режиме. Это обусловлено динамикой наполнения цилиндров воз­ духом и парами топлива и тепловой инерцией двигателя. Из эксперимен­ тального графика, приведенного на рис. 2.9, видно, что уменьшение момента двигателя при работе на неустановившихся режимах невелико (не более 3 %) и примерно линейно зависит от ускорения вращения коленчатого вала:

Те еТе d e , dt

где e коэффициент коррекции момента при перехода от установившегося режима на неустановившийся: e= 0,001. ..0,002. Зная параметры двигателя Pe,Te, можно найти мощность и момент, подводимые к ведущим колесам. Используя теорему об изменении кинетической энергии, можно записать

107

Для характеристики потерь на трение трансмиссии удобнее пользоваться КПД трансмиссии Т , который связан с мощностью Рки РТ зависимостью

Подставляя значение е в уравнение (2.13) и выражая все мощности в ки­ ловатт­часах, получим

Pk Pe Jm kuТ2 d k / dt 10 3 Т .

Заменяя мощности произведениями моментов на соответствующие угловые скорости и принимая во внимание, что е кuТ , получим

При разгоне автомобиля часть момента двигателя затрачивается на разгон маховика и связанных с ним деталей. Поэтому ведущим колесам автомобиля от трансмиссии передается

Рис.2.9. Зависимость крутящего мо ­ мента двигателя от углового укорения

Таким образом, сила, обеспечивающая движение автомобиля, – окружная сила на ведущих колесах при неустановившемся режиме может быть найдена по формуле:

108

Fk Teuт т/rk.

Если двигатель работает по внешней характеристике, а движение авто­ мобиля является установившимся, окружная сила на ведущих колесах ока­ зывается наибольшей для данного режима движения. Такую окружную силу называют полной.

В ряде случаев максимальное значение окружной силы на ведущих ко­ лесах определяется сцеплением колес с дорогой. В этих условиях максималь­ ный реализуемый колесом крутящий момент находится по формуле

f Rzrk .

Если считать, что коэффициенты сцепления под колесами моста одинако­ вы, окружная сила ведущих колес моста, ограниченная сцеплением Fk , мо­

жет быть найдена по выражению:

та автомобиля.

В практических расчетах потерями, связанными сопротивлением качению колес, пренебрегают, т. е. окружную силу ведущих колес моста принимают равной силе тяги Fk = Rz. Наибольшие потери мощности имеют место в

коробках передач, раздаточных коробках, главных передачах, колесных ре­ дукторах. Потери мощности в отдельных механизмах и трансмиссии в целом могут быть найдены экспериментально на специальных испытательных стен­

где aт,bт коэффициенты, зависящие от числа механизмов в трансмиссии, их конструкции, включенной передачи, массы автомобиля.

Учитывая выражение (2.15), запишем

подшипников.

При выбеге (нейтральное положение в коробке передач) в формуле (2.16) Ре 0, ттеряет смысл, и потери в трансмиссии удобнее определять силой Fтр, приведенной к ведущим колесам. Силу Fтр определяют эксперимен­

109

тально методом выбега при вывешенных колесах автомобиля. Она описыва­ ется линейной зависимостью

Fтр Fтро ктрV,

где Fтрo сила трения в трансмиссии при скорости, близкой к нулю (Н);

ктр коэффициент, учитывающий влияние скорости на силу трения (Нс/м).

Поскольку гидравлические потери мощности практически не зависят от передаваемого крутящего момента, они могут быть найдены эксперименталь­ но путем измерения момента, необходимого для прокручивания незагру­ женного редуктора. Гидравлические потери во всей трансмиссии автомобиля обычно определяют экспериментально совместно с потерями в подшипниках ведущих колес, прокручивая трансмиссию с заданной скоростью при выве­ шенных ведущих колесах.

Тракторы гусеничные и колесные (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Тракторы:

а – гусеничный с передним расположением двигателя; б – гусеничный с задним располо­ жением двигателя; в – пневмоколесный с передними управляемыми колесами;

г – с шарнирно­сочлененной рамой

Их используют для перемещения тяжелых грузов по грунтовым и времен­ ным дорогам. Агрегатируются они с бортовыми и саморазгружающимися прицепами, а также с прицепными и навесными строительными машинами (скреперами, бульдозерами, экскаваторами, кранами­трубоукладчиками и др. Гусеничные тракторы обладают малой нагрузкой на грунт и большой силой тяги. Поэтому они имеют более высокую проходимость, чем колесные. Мак­ симальная скорость их перемещения составляет 12 км/ч. Колесные тракторы более маневренны, имеют большую транспортную скорость − 40 км/ч. Давле­ ние на грунт колесных машин 0,2...0,35 МПа, гусеничных 0,1 МПа. Главным параметром тракторов является максимальное усилие на крюке, по которому их разделяют на классы. Максимальное усилие на крюке измеряют при ско­ рости 2,6...3 км/ч для гусеничных и 3,0...3,5 км/ч — для колесных. Усилие на

110

крюке гусеничных тракторов примерно равно их массе, а колесных − 0,5...0,6 от массы.

Промышленностью выпускаются тракторы сельскохозяйственного типа классов тяги 6, 9, 14, 20, 30, 40, 50, 60, 90, 150 и 250 кН и промышленного ти­ па классов тяги 100, 150, 200, 250, 350, 500 кН. Тракторы промышленного ти­ па изготовляются различных модификаций, т. е. с учетом установки на них погрузочного, бульдозерного, рыхлительного, кранового и другого оборудо­ вания. Мощность двигателей тракторов достигает 800 кВт, а иногда и более.

Трактор состоит из рамы, силовой передачи, гусеничного или колесного движителя и управления. Кроме того, все тракторы комплектуются гидравли­ ческой системой для привода навесного или прицепного рабочего оборудова­ ния. У пневмоколесных тракторов с шарнирно­сочлененными полурамами (рис. 2.10, г) каждая из полурам опирается на ведущий и управляемый мосты. Поворот передней полурамы относительно задней осуществляется с помо­ щью двух гидроцилиндров на угол до 40 ° в каждую сторону. Такие тракторы обладают большей маневренностью по сравнению с тракторами с передней управляемой осью. Силовая передача трактора существенно отличается от силовой передачи автомобиля. В ней отсутствует дифференциал, а поворот машины осуществляется торможением одной из гусениц. Силовые передачи тракторов выполняются механическими, гидромеханическими и электриче­ скими.

В состав механической силовой передачи гусеничного трактора (рис. 2.11, а) входят: дисковая фрикционная муфта сцепления 2, коробка перемены передач 3, карданный вал 5, главная передача 6, бортовые фрикционы 7 с ленточными тормозами 8, бортовые редукторы 9, соединенные с ведущими звездочками гусениц 10. На гусеничной раме 4 установлены ведомые звез­ дочки с натяжным устройством гусеничной цепи. Бортовые редукторы уве­ личивают крутящий момент на ведущих звездочках. Бортовые фрикционы представляют собой многодисковые фрикционные муфты, которые в замкну­ том (включенном) состоянии обеспечивают прямолинейное движение трак­ тора. Изменение направления движения достигается частичным или полным выключением одного из бортовых фрикционов с одновременным торможе­ нием его ведомых дисков с помощью ленточного тормоза. Ленточные тор­ моза используются также для торможения обеих гусениц при движении на уклонах и как стояночные тормоза. Для плавного бесступенчатого регулиро­ вания скорости в широком диапазоне в зависимости от внешней нагрузки си­ ловая передача дополняется гидравлическим ходоуменьшителем, позволяю­ щим работать на пониженных (до 1 км/ч) скоростях.