Динамические качества автомобиля и подбор передаточных отношений трансмиссии

В самодельных микроавтомобилях, как и в большинстве серийных, устанавливается коробка передач, позволяющая ступенчато плавно изменять величину крутящего момента. Главная же передача постоянно увеличивает его. Передаточные отношения этих механизмов принимаются в соответствии с теми дорожными условиями, в которых будет эксплуатироваться автомобиль.

Чтобы правильно выбрать передаточные отношения, необходимо вновь вспомнить теорию автомобиля. Ранее на рис. 26 был приведен график тягового баланса автомобиля, показывающий соотношение между отдельными силами сопротивления движению и тяговой силой на колесах. С помощью такого графика можно подсчитать, какие ускорения получит автомобиль в период разгона, определить максимальные сопротивления дороги, преодолеваемые автомобилем при различных условиях движения, а также максимальную скорость.

Однако все эти задачи и ряд других значительно удобнее решаются с помощью динамической характеристики. Чтобы построить ее, необходимо знать, что такое динамический фактор.

Рассмотрим движение автомобиля на горизонтальном участке дороги. В этом случае силы сопротивления подъему нет, и уравнение тягового баланса будет следующим:

Перенесем силу сопротивления воздушной среды в левую часть уравнения и запишем

Разделим правую и левую части уравнения на вес G_a

Левая часть уравнения зависит только от конструктивных особенностей автомобиля. Она обозначается буквой D и называется динамическим фактором автомобиля

Динамический фактор представляет собой силу тяги на колесах автомобиля, не считая силы тяги, идущей на преодоление сопротивления воздуха, отнесенную к полному весу автомобиля. Такое отношение позволяет исключить влияние веса автомобиля и сравнивать динамику машин независимо от их веса.

Зависимость динамического фактора от скорости движения на каждой из передач, выраженная графически, называется динамической характеристикой автомобиля (рис 29). Число кривых на этом графике равно числу передач в коробке передач автомобиля (числу ступеней изменения крутящего момента в трансмиссии). На низших передачах динамический фактор по величине больше, чем на высших.

Рис. 29. Динамическая характеристика автомобиля с трехскоростной коробкой передач

Динамическая характеристика позволяет нам еще до постройки автомобиля судить о не которых эксплуатационных качествах, связанных с динамикой. Рассмотрим правую часть уравнения динамического фактора.

где ψ - коэффициент сопротивления дороги;

g - ускорение силы тяжести;

j - ускорение автомобиля;

δ - коэффициент учета влияния вращающихся масс. Для легковых автомобилей этот коэффициент при известных передаточных отношениях в коробке передач i_к можно подсчитать по формуле

Значение максимального динамического фактора (первая передача) для микроавтомобилей должно составлять в среднем 0,25. Тогда автомобиль будет иметь хорошие динамические качества в обычных дорожных условиях. Если предполагается использовать его в тяжелых Дорожных условиях, значение динамического фактора Должно быть повышено до 0,4. Для обеспечения необходимой максимальной скорости на дорогах с хорошим покрытием и без подъемов достаточно динамического фактора, равного 0,015÷0,020. Обычно же на прямой передаче величина динамического фактора у микроавтомобиля должна быть 0,04÷0,06.

При равномерном движении, когда ускорение автомобиля равно нулю, динамический фактор должен быть равен по величине коэффициенту сопротивления дороги. На горизонтальном участке значение коэффициента сопротивления дороги можно приравнять к коэффициенту сопротивления качению ψ=ƒ. Во всех других случаях коэффициент включает в себя и другие параметры, оказывающие влияние на сопротивление движению.

Для определения максимальной скорости автомобиля та участке с известным сопротивлением дороги достаточно провести на графике (рис. 29) прямую параллельно оси абсцисс (А-А). Точка пересечения этой прямой с кривой динамического фактора на какой-либо передаче даст нам равномерное движение с заданной скоростью. Правая точка в при пересечении кривой в двух точках а и в, как в рассматриваемом случае, будет максимальной, с которой автомобиль может двигаться на дороге с заданным сопротивлением ψ₂.

Можно определить величину максимального дорожного сопротивления ψ_max, при котором автомобиль будет двигаться на данной передаче. Наибольшее значение величины дорожного сопротивления будет в точке касания этой прямой к кривой динамического фактора на данной передаче. Скорость v_к, соответствующую этой точке, называют критической скоростью по условиям тяги.

Если автомобиль движется со скоростью, превышающей критическую, то при случайном увеличении сопротивления движению скорость снизится, что вызовет увеличение динамического фактора. Этим обеспечивается устойчивое движение, так как при повышении сопротивления движению скорость автомобиля несколько снижается, а тяговая сила увеличивается.

При движении автомобиля со скоростью меньше критической случайное повышение сопротивлений движению приводит, наоборот, к снижению динамического фактора. Движение становится неустойчивым, преодолеть повышенное сопротивление на этой передаче невозможно, и приходится переключать двигатель на пониженную передачу. Отсюда следует вывод, что на любой скорости автомобиль должен двигаться с запасом динамического фактора, т. е. дорожное сопротивление при движении на любой из передач должно быть меньше значения D_max для этой передачи.

Динамическая характеристика позволяет анализировать движение автомобиля не только на горизонтальном участке дороги, но и на подъеме. При движении автомобиля на подъеме с известной величиной ∠α, общее сопротивление движению будет складываться из сопротивления качению и сопротивления подъему.

где ƒ₁ - коэффициент сопротивления качению;

i - тангенс угла подъема, близкий по значению синусу угла подъема.

Таким образом, включая в общее сопротивление движению еще влияние подъема, выражая его через i, можно анализировать по динамической характеристике эксплуатационные качества автомобиля на любых участках дороги. Зная максимальную величину динамического фактора на передачах и сопротивление качению, с помощью динамической характеристики можно определить, какой подъем в каждом конкретном случае сможет преодолеть автомобиль.

С помощью динамической характеристики можно узнать и ускорение автомобиля. Для этого на динамической характеристике следует провести прямую В-В, параллельную оси абсцисс, соответствующую заданному сопротивлению дороги, а затем прямую, параллельную оси ординат. Для какого-то определенного значения скорости v₁ можно будет определить и характер движения автомобиля. Когда прямая, обозначающая сопротивление дороги, коснется кривой динамического фактора и точка ее (например е) совпадет со значением принятой скорости, движение автомобиля, как уже отмечалось, будет равномерным и устойчивым. Если же прямая пройдет ниже точек динамической кривой, то отрезок, заключенный между кривой динамической характеристики и линией, соответствующей сопротивлению дороги, обозначит избыток силы тяги, который будет способствовать разгону автомобиля. В этом случае движение происходит с ускорением.

Аналитически ускорение можно подсчитать по следующему уравнению:

Все обозначения в формуле известны из ранее рассмотренных формул.

Сама динамическая характеристика строится на основе внешней характеристики, когда двигатель работает с полным открытием дроссельной заслонки. Если же прикрыть дроссельную заслонку и подать в цилиндры меньшее количество горючей смеси, мощность и крутящий момент двигателя изменятся. Положение кривых на внешней характеристике также изменится. Получить новые характеристики двигателя можно тогда, когда дроссельная заслонка открыта не полностью. Конечно, в этом случае изменятся и динамические качества автомобиля. Следует вывод, что изменить крутящий момент, подводимый к колесам, можно не только путем переключения передач, но и уменьшением подачи топливной смеси.

Рассмотрев динамическую характеристику и на основе ее проанализировав движение автомобиля в различных дорожных условиях, перейдем к определению требуемых передаточных отношений в трансмиссии.

Передаточное отношение главной передачи, которое выбирается при наиболее благоприятных условиях движения, рассчитывается при движении автомобиля на прямой передаче, когда коробка передач не изменяет величину крутящего момента от двигателя. Расчетная формула была приведена ранее. В самых трудных дорожных условиях обычно включают первую передачу, поэтому ее передаточное отношение определяют по максимальному дорожному сопротивлению ψ_max. Значение этого сопротивления должно соответствовать по численной величине максимальному динамическому фактору при движении автомобиля на первой передаче. Из уравнения тягового баланса можно записать

где М_кр - крутящий момент двигателя;

r_к - радиус качения колеса;

i_г.п. - передаточное отношение главной передачи;

G_a - вес автомобиля;

η - к. п. д. трансмиссии;

i_к - передаточное отношение коробки передач.

В дальнейшем передаточное отношение коробки передач будем записывать с индексом, соответствующим включенной передаче. Например, для первой передачи i_к1; для второй i_к2 и т. д. Откуда

Чтобы крутящий момент, подводимый к колесам, не превышал значения, чем его возможно реализовать по сцеплению, когда начнется буксование колес, необходимо произвести проверку по уравнению

где G_в- вес, приходящийся на ведущие колеса;

φ - коэффициент сцепления, который при проверке рекомендуется принимать равным 0.8;

m - коэффициент перераспределения нагрузки на ведущие колеса, принимаемый равным при задней ведущей оси 1,1÷1,3, если ведущая ось передняя - 0,7÷0,9.

Передаточное отношение прямой передачи, а ею может быть четвертая (в четырехскоростных коробках) и третья (в трехскоростных), равно 1. Известно, что передаточные числа коробок передач автомобилей изменяются по закону арифметической прогрессии. Тогда для четырехскоростной коробки передач передаточные отношения второй и третьей передачи определятся из следующих зависимостей

У трехступенчатой коробки передач передаточное число второй ступени определяется из зависимости

Передаточные числа, найденные по этим формулам, являются ориентировочными даже при проектировании новых коробок передач. Конечно, они не дадут точных результатов и для подбора коробки с уже имеющимися передаточными отношениями, однако в случае больших отклонений от этих значений потребуют дополнительных конструктивных решений для получения желаемых динамических характеристик.

Рассмотрим это на примере. Вернемся вновь к расчету. Мы, например, выбрали для автомобиля двигатель от мотороллера Т-250. При оборотах, соответствующих максимальной мощности, он развивает крутящий момент 1,57 кГм. При расчете передаточного отношения первой передачи необходимо брать значение максимального крутящего момента, при котором число оборотов двигателя будет меньше, чем при максимальной мощности. К сожалению, в некоторых опубликованных технических характеристиках двигателей не приводятся значения числа оборотов при максимальном крутящем моменте и максимальных крутящих моментов мотоциклетных двухтактных двигателей. Трудно найти и график внешней характеристики любого двигателя, по которому легко можно было бы определить все интересующие нас величины. Поэтому несколько ориентировочно примем значение максимального крутящего момента нашего двигателя равным 1,65.

Если микроавтомобиль должен обеспечивать на первой передаче динамический фактор 0,25, имея вес 750 кг, передаточное отношение главной передачи 6,3, радиус качения колес 0,22, а к. п. д. трансмиссии 0,9, то передаточное отношение первой передачи должно быть

Передаточное число второй передачи при трехступенчатой коробке

а при четырехступенчатой

Для четырехступенчатой коробки передач передаточное число третьей передачи должно быть

Рассмотрев коробки передач мотоциклов, мотороллеров и автомобилей (приложение 5), мы увидим, что трудно подобрать коробку с указанным рядом передаточных отношений. Поэтому при изготовлении микроавтомобиля используют обычно коробку передач, которая изготовлена в блоке с двигателем (если двигатель от мотоцикла). При несоответствии передаточных чисел в коробке передач динамической характеристике подбирают передаточные отношения главной передачи и изменяют размеры шин.

Можно, наконец, создать свою конструкцию передачи. Однако это требует больших технических знаний по их расчету и трудоемкой технологии изготовления. При самостоятельном изготовлении коробки передач можно использовать узлы и детали уже имеющихся стандартных коробок передач или же заменить коробку передач одного двигателя коробкой передач другого. Только при этом следует обязательно учитывать, на какие крутящие моменты рассчитана та или иная коробка передач, и не ставить к двигателю коробку передач, рассчитанную на меньшую мощность. Иначе узлы коробки не выдержат передаваемых усилий и разрушатся.

Ниже приводятся значения передаточных чисел коробок передач, которыми следует пользоваться при контроле расчетов, а также для ориентировочного выбора передаточных отношений.

Для трехступенчатой коробки передач рекомендуются следующие значения: первой передачи - 3÷3,8; второй - 1,6÷1,8; а третьей прямой - 1.

В четырехступенчатой коробке передач желательно применять следующие значения: первой передачи - 3,7÷4,2; второй - 2÷2,7; третьей - 1,4÷1,5; а четвертой - 1.

Передаточное отношение заднего хода при трехскоростной коробке передач составляет 3,5÷5,0, а при четырехскоростной - 3,0÷4,5. При изменении отдельных узлов и деталей особое внимание следует уделять механизмам переключения передач. Рычаги переключения передач должны перемещаться свободно, без заеданий, надежно фиксируя положение последних в нужной точке.

Мотоциклетную коробку передач можно заменить автомобильной (от малолитражных автомобилей) только на двигателях тяжелых мотоциклов. Следует помнить существенное различие автомобильных и мотоциклетных коробок: первые имеют передачу заднего хода, чего нет у вторых.