Для того чтобы неподвижный автомобиль привести в движение, одной силы тяги недостаточно. Необходимо еще трение между колесами и дорогой. Иначе говоря, автомобиль может двигаться лишь при условии сцепления ведущих колес с поверхностью дороги. В свою очередь, сила сцепления зависит от сцепного веса автомобиля Gv, т. е. вертикальной нагрузки на ведущие колеса. Чем больше вертикальная нагрузка, тем больше сила сцепления:

где Pсц -- сила сцепления колес с дорогой, кгс; Ф -- коэффициент сцепления; GK -- сцепной вес, кгс. Условие движения без буксования колес

Рk < Рсц,

т. е. если тяговая сила меньше силы сцепления, то ведущее колесо катится без буксования. Если же к ведущим колесам приложена тяговая сила, большая, чем сила сцепления, то автомобиль может двигаться только с пробуксовкой ведущих колес.

Коэффициент сцепления зависит от типа и состояния покрытия. На дорогах с твердым покрытием величина коэффициента сцепления обусловлена главным образом трением скольжения между шиной и дорогой и взаимодействием частиц протектора и мнкронеровностей покрытия. При смачивании твердого покрытия коэффициент сцепления уменьшается весьма заметно, что объясняется образованием пленки из слоя частиц грунта и воды. Пленка разделяет трущиеся поверхности, ослабляя взаимодействие шины и покрытия и уменьшая коэффициент сцепления. При скольжении шины по дороге в зоне контакта возможно образование элементарных гидродинамических клиньев, вызывающих приподнимание элементов шины над микровыступами покрытия. Непосредственный контакт шины и дороги в этих местах заменяется жидкостным трением, при котором коэффициент сцепления минимален.

На деформируемых дорогах коэффициент сцепления зависит от сопротивления грунта срезу и величины внутреннего трения в грунте. Выступы протектора ведущего колеса, погружаясь в грунт, деформируют и уплотняют его, что вызывает увеличение сопротивления срезу. Однако после некоторого предела начинается разрушение грунта, и коэффициент сцепления уменьшается.

На величину коэффициента сцепления влияет также рисунок протектора шины. Шины легковых автомобилей имеют протектор с мелким рисунком, обеспечивающим хорошее сцепление на твердых покрытиях. Шины грузовых автомобилей имеют крупный рисунок протектора с широкими и высокими выступами-грунтозацепа-ми. Во время движения грунтозацепы врезаются в грунт, улучшая проходимость автомобиля. Истирание выступов в процессе эксплуатации ухудшает сцепление шины с дорогой.

При увеличении внутреннего давления в шине коэффициент сцепления вначале увеличивается, а затем уменьшается. Максимальное значение коэффициента сцепления соответствует примерно величине давления, рекомендуемого для данной шины.

При полном скольжении шины по дороге (буксование ведущих колес или юз тормозящих колес) величина ф может быть на 10 -- 25% меньше максимальной. Коэффициент поперечного сцепления зависит от тех же факторов, и его обычно принимают равным 0,7Ф. Средние значения коэффициента сцепления колеблются в широких пределах от 0,1 (обледенелое покрытие) до 0,8 (сухое асфальте- и цементобетонное покрытие).

Сцепление шин с дорогой имеет первостепенное значение для безопасности движения, так как оно ограничивает возможность интенсивного торможения и устойчивого движения автомобиля без поперечного скольжения.

Недостаточная величина коэффициента сцепления является причиной в среднем 16%, а в неблагоприятные периоды года -- до 70% дорожно-транспортных происшествий от общего их числа. Международной комиссией по борьбе со скользкостью дорожных покрытий установлено, что величина коэффициента сцепления по условиям безопасности движения не должна быть меньше 0,4.

Известно, что для обеспечения движения тяговое усилие должно быть большим, чем суммарное сопротивление движению автомобиля.

Горизонтальная сила Рк (тяговое усилие), возникающая вследствие действия на колесо вращательного момента Мвр в зоне его контакта с покрытием, направлена в сторону, обратную движению (см. рис.5.1).

Сила Рк вызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения (сцепления) колеса с покрытием в зоне их взаимодействия, при этом Т=Рк.

Рис.5.1. Условие возможного движения автомобиля

Но колесу приходится преодолевать еще сопротивление качению. Сила сопротивления качению Pf определяется по известной зависимости: ,

где Gk - усилие, передаваемое на ведущее колесо, Gk = (0,65: 0,7) G - для грузовых автомобилей и (0,5:0,55) G - для легковых, где G - вес автомобиля; - коэффициент сопротивления качению.

где а - расстояние от вертикальной оси колеса до места расположения реакции R от веса Gк, передаваемого на колесо; - радиус качения пневматического колеса; = λ * r, где r - радиус недеформированного колеса, λ - коэффициент уменьшения радиуса колеса в зависимости от жестокости шин (λ = 0,93 - 0,96).

Установлено, что практически значение остается постоянным до скорости V= 50 км/час и находится в зависимости от типа покрытия в пределах = (0,01-0,06). При увеличении скорости возрастает, т.к. при наезде колеса на неровности кинетическая энергия, прямо пропорциональная V², затрачивается в значительно большей стпени на преодоление этих препятствий.

При V>50 км/час f определяется по зависимости

V- ,

где - коэффициент сопротивления качению при V до 50 км/час.

Используя положения теоретической механики и рис. 5.1, можно записать: Т = Рк –

Т = Рк – Т = Рк – (5.4)

Очевидно, что движение автомобиля возможно при Т >Рк.

Наибольшее значение силы трения, а значит, и тягового усилия, определяется по зависимости Тmах = φ ∙ Gсц, где φ - коэффициент сцепления; Gсц сцепной вес автомобиля, передаваемый на ведущее колесо.

Естественно, сила трения (сцепления) достигает наибольшей величины (при одном и том же сцепном весе, передаваемом на колесо) при максимальном значении коэффициента сцепления φ.

Коэффициент сцепления является переменной величиной и зависит от многих факторов (состояния покрытия проезжей части, режима торможения, наличия боковых сил, давления в шине, рисунка протектора, скорости и пр.). φ изменяется в широких пределах (φ=0,1-0,7) и поэтому его лишь условно можно рассматривать как параметр, однозначно характеризующий покрытие.

Максимально возможное значение φmax ведущих колес с покрытием в данных условиях соответствует моменту, предшествующему началу их буксования, а тормозящих колес - переходу от торможения трения тормозных колодок о барабан к скольжению по покрытию заблокированных колес юзом.

Различают коэффициент продольного сцепления φ1, соответствующий началу проскальзывания или буксования колеса при качении или торможении без боковой силы Yk; и коэффициент поперечного сцепления φ2 – поперечная составляющая коэффициента сцепления , возникающая при смещении катящегося ведущего колеса под углом к плоскости движения под воздействием бокового усилия Yk, когда колесо, вращаясь, скользит вбок.

Коэффициент поперечного сцепления φ2 используется для оценки устойчивости автомобилей против заноса при движении по горизонтальным кривым, когда на автомобиль действует поперечная центробежная сила; φ2≈ (0,85-0,9) φ1.

Коэффициент сцепления является важнейшей характеристикой транспортно-эксплуатационных качеств автомобильной дороги. От φ зависит не только возможность реализации тяговой силы автомобиля, но и устойчивость автомобиля против заноса на кривых, возможность своевременной остановки автомобиля перед препятствием или пешеходом. Недостаточное сцепление шины с колесом с покрытием часто является первопричиной дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Установлено, что повышение коэффициента сцепления в 2 раза позволяет уменьшить число ДТП в 1,5 раза.

На значения коэффициентов сцепления оказывают влияние многие факторы. Установлено, что на значение коэффициента сцепления большее влияние оказывает состояние дорожного покрытия, чем его тип. Это связано

с тем, что в идеальных условиях при любых покрытиях твердые выступы минеральных частиц вдавливаются в шину и поэтому колесо может проскользнуть преимущественно в результате деформации резины протектора.

По мере износа покрытий их шероховатость уменьшается, а следовательно, уменьшается и их сцепление с колесом. Коэффициент сцепления наиболее устойчив у цементобетонных покрытий в сухом состоянии при продолжительности их службы до 10-12 лет, у асфальтобетонных - 5-8 лет. При износе (стирании) покрытий на 50-60% коэффициент сцепления уменьшается на 30-40%. Иначе говоря, с течением времени коэффициент сцепления снижается.

Коэффициент сцепления зависит: от материала, из которого изготовлена шина (наибольший коэффициент сцепления обеспечивают шины, изготовленные из высокогистерезисных резин); типа рисунка протектора шин (на влажном покрытии шины с рисунком протектора, имеющим большую расчлененность, обеспечивают более высокий коэффициент сцепления); степени износа протектора шины (при полном истирании рисунка протектора коэффициент сцепления снижается на 35-45%, а на влажных и грязных покрытиях примерно еще на 20-25%).

Коэффициент сцепления снижается вследствие наличия на покрытии грязи, пыли, продуктов износа шин и т.п., ибо ими заполняются впадины поверхностей покрытия протекторов шин, что уменьшает их шероховатость.

Исследования показали, что коэффициент сцепления уменьшается с увеличением скорости. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях движения шина не успевает полностью деформироваться, так как продолжительность контакта с покрытием для этого недостаточна, а следовательно, неровности покрытия вдавливаются в шину на меньшую глубину. На сухих покрытиях снижение коэффициента сцепления с увеличением скорости менее ощутимо.

Влага, смачивая зону контакта между шиной и покрытием, действует как смазка, разделяющая шероховатые поверхности (покрытия и колеса), снижая коэффициент сцепления. При слое воды на покрытии толщиной в несколько миллиметров и сильном износе шин и скорости, близкой к 100 км/час, может возникнуть явление аквапланирования, когда образующийся между шиной и покрытием водяной клин, создающий гидродинамическую подъемную силу, резко снижает давление колеса на дорогу, вследствие этого контакт передних колес с покрытием может полностью прекратиться с потерей управляемости автомобиля.

При наличии на покрытии грязи и т.д. φ сильно меняется во время дождя. В первый период дождя образуется сравнительно густая пленка грязи, которая играет роль смазки, уменьшающей коэффициент сцепления. Постепенно смазка разжижается, частично смывается дождем и коэффициент сцепления начинает возрастать, тем не менее не достигая значения φ на сухом покрытии.

В целом коэффициент сцепления изменяется в широких пределах в течение года в связи с изменением климатических условий. Естественно, что φ наиболее высок летом и снижается зимой. Поэтому в зимний период проводят различные мероприятия, повышающие коэффициент сцепления (очистка дорожных покрытий от снега, льда, устранение гололеда и скользкости покрытий путем посыпки песком, шлаками, противогололедными смесями и пр.).

При равномерном движении ускорения нет, следовательно, динамический фактор по тяге D равен коэффициенту суммарного сопротивления дороги ψ, то есть D = ψ = f к + i.

То есть, пользуясь динамической характеристикой при известном коэффициенте сопротивления качению колес f к можно найти величину преодолеваемого подъема i при равномерном движении автомобиля с полной нагрузкой.

Согласно задания ψ = 0,082, при движении по дороге V категории принимаем f к = 0,03 .

Тогда для равномерного движения величина предельного угла подъема:

α max = arctg (D max – f к), град.

Вычисления по данной формуле проводятся без учёта действия на автомобиль силы аэродинамического сопротивления, поскольку при преодолении максимально возможных подъёмов скорость движения автомобиля не велика.

	КамАЗ	Mercedes
Dmax	0,489	0,435
fk	0,03	0,03
α

Движение без буксования возможно при соблюдении условия:

D с = a ∙ φ х ∙ cos α max /(L-Hд ∙ (φ х+ f к)) ≥ D max .

D с - динамический фактор по сцеплению

а- расстояние от центра масс до задней оси автомобиля

α max - предельный угол преодолеваемого подъема

L- колесная база автомобиля (т.к. колёсная формула КамАЗа 6*4, то за L принимаю расстояние от передней оси до оси балансира)

Hд- высота центра тяжести

f к – коэффициент сопротивления качению

Hд =1/3* hд, где hд- габаритная высота

а= m 2/ m a * L , где m 2 -вес автомобиля приходящийся на заднюю ось (заднюю тележку), m a -полный вес автомобиля.

Согласно заданию коэффициент сцепления колес с дорогой φ х = 0,2 .Для автомобиля КамАЗ:

a=125000/19350*3,85=2,48м

Hд=1/3*2,960=0,99

D с = 2,48*0,2*cos 25°/(3,85-0,99*(0,2+0,03)) = 0,124< D max = 0,489.

Для автомобиля Mercedes:

A=115000/200000*4.2=2,42м

Hд=1/3*2,938=0,98м

D с = 2,42*0,2* cos 22°/(4.2-0,98(0,2+0,03)) = 0,113

Обратившись к динамическому паспорту автомобиля, увидим, что поскольку D сц

Вывод: При заданном значении φ х = 0,2 на дороге с предельными углами подъема и полной нагрузке автомобили двигаются с пробуксовкой ведущих колес.

Расчет в данной курсовой работе предельных углов преодолеваемых подъемов автомобиля позволяет сделать вывод, что величина этих углов зависит, прежде всего, от трех факторов: массы автомобиля, величины тяговой силы и величины коэффициента сопротивления качению колес.

10. Определение предельной силы тяги на крюке на всех передачах и проверка возможности движения при условии буксования по дороге ψ = 0,11 и φ х =0,6 , определение низшей передачи на котрой автомобиль будет двигаться без буксования на указанной дороге.

Сила тяги на крюке характеризует способность автомобиля к буксировке прицепных звеньев. Величина предельной силы тяги на крюке автомобиля определяется по формуле:

где – предельная сила тяги на крюке, Н;

– максимальная тяговая сила на передаче, Н;

– сила сопротивления воздуха, соответствующая режиму движения с максимальной тяговой силой, Н;

– сила общего дорожного сопротивления, Н.

Для проверки возможности движения автомобиля по условию буксования необходимо определить силу сцепления ведущих колёс с дорогой и сравнить полученное значение с предельным значением силы тяги на крюке для каждой передачи.

P т.сц = m 2 ∙ L∙ φ х /(a-Hд ∙ (φ х+ f к))- сила тяги по сцеплению.

Пример расчета для автомобиля КамАЗ:

1 передача:

84,147кН; =0,007кН; =28,5кН.

84,147-0,007-28,5=55,64кН

2 передача:

43,365кН; =0,0254кН; = 28,5кН.

43,365-0,0254-28,5=14,84кН

3 передача:

35,402кН; =0,0382кН; = 28,5кН.

35,402-0,0382-28,5=6,86кН

P т.сц =125000*3,85*0,6/(2,48-0,98*(0,6+0,02))=151,1кН

Пример расчета для автомобиля MERCEDES:

1 передача:

97,823кН; =0,005кН; =29,43кН.

97,823-0,005-29,43=68,388кН

2 передача:

55,59кН; =0,0169кН; = 29,43кН.

55,59кН -0,0169-29,43=26,14кН

3 передача:

33,491кН; =0,0464кН; = 29,43кН.

33,491-0,0464-29,43=4,01кН

P т.сц =115000*4,2*0,6/(2,42-0,98*(0,6+0,02))=159,9кН

На основании того, что на любых передачах ,то можно сказать, что при движении автомобиля не наблюдается проскальзывание ведущих колес.

Сравнительная таблица полученных оценочных параметров тягово-скоростных свойств, заключения.

	КамАЗ	Mercedes
Внешняя скоростная характеристика	N e max =183кВт(2100) M e max =989Нм(1300)	N e max =180кВт(2100) M e max =972Нм(1100)
Вывод: Автомобиль КамАЗ мощнее чем Mercedes , что видно из внешней скоростной характеристики, а также у него больший крутящий момент.
Тяговой и мощностной баланс	Максимальная тяговая сила у автомобиля КамАЗ P т max =84,147Н. В точке, где пересекается график Pт и (Рд+Рв), т.е. Рт=Рд+Рв, скорость максимальна при данных условиях движения V max МАЗ =5,22м/с (на третьей передаче).	Максимальная тяговая сила у автомобиля Mercedes P т max =97,823Н. В точке, где пересекается график Pт и (Рд+Рв), т.е. Рт=Рд+Рв, скорость максимальна при данных условиях движения, V maxMerc =5,2 м/с (на третьей передаче).
Вывод: Исходя из графиков тягового и мощностного балансов, можно отметить, что на одинаковых передачах при движении на одних и тех же скоростях, автомобиль Mercedes имеет большую максимальную тяговую силу и тяговую мощность, и больший запас тяговой силы и мощности, которая может быть использована на разгон автомобиля, преодоление сил сопротивления движению, буксирование прицепа и др.. Следовательно автомобиль Mercedes имеет лучшие тяговые свойства. Это связано еще и с тем, что КПД трансмиссии больше у автомобиля Mercedes, т.к у данного авто один ведущий мост.
Динамический паспорт	D max = 0,435 соответствующая ему скорость V=1,149м/с	D max = 0,489 соответствующая ему скорость V=1,029м/с
Вывод: Динамический фактор у а/м Mercedes больше, чем у КамАЗ, т.к. тяговая сила прямопропорциональна ему. Тяговые свойства автомобиля Mercedes лучше, чем у КамАЗа т.к максимально преодолеваемое автомобилем Mercedes дорожное сопротивление больше чем у КамАЗа
Ускорение, время и путь разгона	Максимальное ускорение j a =0,638 м/с 2 .	Максимальное ускорение j a =0,533 м/с 2
Время и путь разгона на пути:	400м 1000м	t=90 сек t=205сек	t=121сек t=226сек
Вывод: А/м Mercedes затрачивает на разгон больше времени, чем КамАЗ, т.к. ускоряется он медленнее. Расстояние, пройденное при разгоне, у а/м Mercedes так же больше. Т.о. приемистость автомобиля КамАЗ лучше чем у Mercedes. Однако, нельзя точно судить о том, какой из автомобилей обладает лучшей приёмистостью, т.к. методы определения параметров приблизительны и могут существенно отличаться от реальных данных.
Предельный угол подъема и проверка возможности движения по условию буксования	Предельный угол подъема = 25º	Предельный угол подъема = 22º
Вывод: Преодолеваемые автомобилями подъемы в заданных условиях различны. Максимальный угол преодолеваемого подъема у автомобиля КамАЗ больше чем у Mercedes. При проверке на условие буксования видим, что автомобили будут двигаться без пробуксовки. Автомобили могут двигаться без буксования по данной дороге на всех скоростях (которые используются на дороге данной категории)

Вывод: В данном разделе было произведено исследование тягово-скоростных свойств двух автомобилей практически одинаковой мощностью.

Несмотря на то, что двигатель MERCEDES обладает одинаковой мощностью, а сам автомобиль MERCEDES, в целом, тяжелее, высокий момент на средних оборотах и повышенное передаточное число трансмиссии позволяют ему превзойти автомобиль КамАЗ по тяговым свойствам и развиваемому усилию на крюке. У автомобиля КамАЗ больше максимальная скорость, усорение.

В свою очередь, автомобиль, MERCEDES способен преодолевать более крутые подъемы, что делает его незаменимым на труднопроходимых участках.

При всей сложности управления автомобилем работа водителя сводится, в конечном счете, к регулированию трех параметров: скорости движения, необходимого для движения усилия и направления. А сложность управления возникает из-за разнообразия условий, в которых происходит движение, и множества вариантов сочетаний скорости, усилий и направления. В каждом из этих вариантов поведение автомобиля имеет свои особенности и подчиняется определенным законам механики, свод которых называют теорией автомобиля. Она учитывает и наличие среды движения, то есть поверхности, по которой катятся колеса, и воздушной среды.
Таким образом, эта теория охватывает два из трех звеньев интересующей нас системы «водитель - автомобиль - дорога». Но движение автомобиля возникает (и законы движения вступают в силу) только после того или иного, правильного или неправильного действия водителя. Увы, влиянием этого действия на поведение автомобиля мы иной раз пренебрегаем. Так, не всегда принимаем в расчет, исследуя разгон, что его интенсивность зависит, кроме характеристик машины и дороги, еще и от того, в какой степени водитель их учитывает, например сколько секунд он тратит на переключение передач. Подобных примеров можно привести множество.
Задача наших бесед - помочь водителю правильно Понимать и учитывать законы поведения автомобиля. Тем самым можно обеспечить, на научной основе, максимальное использование качеств автомобиля, заложенных в его технической характеристике, и безопасность движения при наименьших затратах энергии - механической (автомобиля), физической и психической (водителя).
Законы поведения автомобиля принято группировать вокруг следующих его качеств:
динамичности движения, то есть скоростных свойств;
проходимости, то есть способности преодолевать (или обходить) препятствия;
устойчивости и управляемости, то есть способности послушно идти по заданному водителем курсу;
плавности хода, то есть обеспечения благоприятной характеристики колебаний пассажиров и груза в кузове (не путать с плавностью работы двигателя и автоматической трансмиссии!);
экономичности, то есть способности совершать полезную транспортную работу при минимальном расходе топлива и других материалов.
Законы поведения автомобиля, относящиеся к разным группам, в большой мере взаимосвязаны. Если, например, некий автомобиль не обладает хорошими показателями плавности хода и устойчивости, то водителю трудно, а в иных условиях невозможно поддерживать нужную скорость, хотя бы и при высоких динамических показателях машины. Даже такие, казалось бы, второстепенные факторы, как акустические данные, влияют опять-таки на динамичность: многие водители предпочтут вялый разгон интенсивному, если последний у данной модели сопровождается сильным шумом двигателя и трансмиссии.
Между элементами системы «водитель - автомобиль - дорога» существуют связующие звенья. Между дорогой и водителем - это информация, воспринимаемая его зрением и слухом» Между водителем и автомобилем - органы управления, воздействующие на его механизмы, и обратная реакция, воспринимаемая мышцами, органами равновесия водителя и опять-таки зрением (приборы) и слухом. Между автомобилем и дорогой (средой) - поверхность контакта шин с дорогой (а также соприкасающаяся с воздухом поверхность кузова и других частей машины).

Взаимосвязь элементов системы «водитель - автомобиль - дорога».

Ограничим несколько круг рассматриваемых нами вопросов: будем считать, что водитель получает достаточную и правильную информацию, ничто не мешает ему быстро и точно обрабатывать ее и принимать верные решения. Тогда каждый закон поведения автомобиля подлежит рассмотрению по схеме: автомобиль движется в таких-то условиях - в местах контакта шин с дорогой и поверхности автомобиля с воздухом происходят такие-то явления - водитель действует, чтобы сохранить или изменить данный характер движения, - действия водителя передаются через органы управления механизмам автомобиля, а от них колесам - в местах контакта происходят новые явления - характер движения автомобиля сохраняется или изменяется.
Все это как будто хорошо известно автомобилистам, но не всегда и не все они одинаково трактуют те или иные понятия. А наука требует точности, строгости. Поэтому необходимо, прежде чем изучать поведение автомобиля в разных ситуациях, кое о чем напомнить и условиться. Таким образом, мы поговорим о том, чем располагает водитель, отправляясь в путь.
В первую очередь - о массе автомобиля. Нас будут интересовать только два его так называемых весовых состояния - «полная масса» и состояние, которое условно назовем ходовым. Массу называют полной, когда автомобиль - с водителем, пассажирами (по числу мест в кузове) и грузом, причем полностью заправлен топливом, смазкой и другими жидкостями, укомплектован запасным колесом и инструментом. Масса пассажира принимается равной 76 кг, багажа - по 10 кг на человека. При ходовом состоянии «на борту» находится водитель, но нет ни пассажиров, ни груза: то есть автомобиль может передвигаться, но не загружен. О «собственной» (без водителя и нагрузки) и тем более «сухой» массе (помимо того без топлива, смазки и т. д.) говорить не будем, так как в этих состояниях машина не может двигаться.
Большое влияние на поведение автомобиля оказывает распределение его массы по колесам, или его так называемая осевая нагрузка, и нагрузка, приходящаяся на каждое колесо и шину. У современных легковых автомобилей в ходовом состоянии на передние колеса приходится 45-60% массы, на задние - 55-40%. Первые числа относятся к автомобилям с задним расположением двигателя, вторые - к переднемоторным. С полной нагрузкой отношение меняется на примерно обратное (у «Запорожца», правда, незначительно). У грузовиков масса в ходовом состоянии распределяется между колесами почти поровну, полная же масса - в отношении около 1: 2, то есть задние колеса нагружены вдвое больше передних. Поэтому на них устанавливаются двойные скаты.
Вез источника энергии, как и без водителя, наш «Москвич» или ЗИЛ не мог бы двигаться. Только на спусках или после разгона автомобиль может пройти известный отрезок пути без помощи двигателя, расходуя накопленную энергию. У большей части автомобилей источником энергии служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Применительно к теории автомобиля водителю о нем необходимо знать сравнительно немного, а именно - что он дает для движения. Это мы выясним, рассмотрев скоростные характеристики. Кроме того, надо представлять себе, в каком количестве двигатель расходует топливо, то есть знать его экономическую, или топливную, характеристику.

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) двигателя показывает изменение мощности (Ne - в л.с. и кВт) и вращающего (крутящего) момента (Ме - в кГм), развиваемых при разных числах оборотов вала и при полном открытии дроссельной заслонки. В нижней части графика - экономическая характеристика: зависимость удельного расхода топлива (g - в Г/л. с.-час) от числа оборотов в минуту.

Скоростные характеристики - это графики изменения мощности и вращающего (крутящего) момента, развиваемых двигателем, в зависимости от числа оборотов его вала (скорости вращения) при полном или частичном открытии дроссельной заслонки (здесь речь идет о карбюраторном двигателе). Напомним, что момент характеризует усилие, которое может «предоставить» двигатель автомобилю и водителю для преодоления тех или иных сопротивлений, а мощность - это отношение усилия (работы) ко времени. Наиболее важна скоростная характеристика, снятая, как говорят, «на полном дросселе». Ее называют внешней. В ней существенны самые верхние точки кривых, соответствующие наибольшим мощности и вращающему моменту, каковые обычно и записывают в технические характеристики автомобилей и двигателей. Например, для двигателя ВАЗ-2101 «Жигули» - 62 л. с. (47 кВт) при 5600 об/мин и 8,9 кГм при 3400 об/мин.

Частичная скоростная характеристика двигателя показывает изменение мощности, развиваемой при различном открытии дроссельной заслонки карбюратора .
Как видим, число оборотов при наибольшем количестве «кГм» значительно меньше числа оборотов, соответствующих максимуму «л. с». Это значит, что если дроссельная заслонка карбюратора полностью открыта, то вращающий момент при сравнительно небольших мощности двигателя и скорости движения автомобиля будет наибольшим, а при уменьшении или увеличении числа оборотов величина момента снизится. Что в этом положении важно для автомобилиста? Важно, что пропорционально моменту изменяется и тяговое усилие на колесах автомобиля. При езде с дросселем, не полностью открытым (см. график), всегда можно увеличить мощность и момент, сильнее нажав на педаль акселератора.
Тут, забегая вперед, уместно подчеркнуть, что мощность, переданная к ведущим колесам, не может оказаться больше той, что получена от двигателя,какие бы устройства ни были применены в системе трансмиссии. Другое дело - вращающий момент, который можно изменять, вводя в трансмиссию пары шестерен с соответствующими передаточными числами.

Экономические характеристики двигателя при различном открытии дроссельной заслонки .

Экономическая характеристика двигателя отражает удельный расход топлива, то есть его расход в граммах на одну лошадиную силу (или один киловатт) в час. Эта характеристика, как и скоростная, может быть построена для работы двигателя при полной или частичной нагрузках. Особенность двигателя такова, что при уменьшении открытия дросселя приходится расходовать больше топлива на получение каждой единицы мощности.
Описание характеристик двигателя приведено здесь несколько упрощенно, но оно достаточно для практической оценки динамических и экономических показателей автомобиля.

Потери на работу механизмов трансмиссии. Здесь Ne и Ме - мощность и вращающий момент двигателя, NK и Мк - мощность и вращающий момент, подведенные к ведущим колесам .

Не вся энергия, получаемая от двигателя, используется непосредственно для движения автомобиля. Есть еще и «накладной расход» - на работу механизмов трансмиссии. Чем меньше этот расход, тем выше коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии, обозначаемый греческой буквой η (эта). КПД - это отношение мощности, переданной на ведущие колеса, к мощности двигателя, измеренной на его маховике и записанной в техническую характеристику данной модели.
Механизмы не только передают энергию от двигателя, но и сами частично расходуют ее - на трение (пробуксовку) дисков сцепления, трение зубьев шестерен, а также в подшипниках и карданных сочленениях и на взбалтывание масла (в картерах коробки передач, ведущего моста). От трения и взбалтывания масла механическая энергия превращается в тепловую и рассеивается. Этот «накладной расход» непостоянен - он увеличивается, когда в работу включается дополнительная пара шестерен, когда карданные шарниры работают под большим углом, когда масло очень вязкое (в холодную погоду), когда на повороте активно работают шестерни дифференциала (при движении по прямой их работа невелика).
КПД трансмиссии равен приблизительно:
- для легковых автомобилей 0,91-0,97,
для грузовых - 0,85 0,89.
При движении на повороте эти величины ухудшаются, то есть снижаются, на 1-2%. при езде по очень неровной дороге (работа карданов) - еще на 1-2%. в холодную погоду - еще на 1-2%, при движении на низших передачах - еще примерно на 2 %. Так что, если все эти условия движения наступают одновременно, «накладной расход» увеличивается почти вдвое, и значение КПД может снизиться у легкового автомобиля до 0,83-0,88, у грузового - до 0,77-0,84.

Схема основных размеров колеса и шины .

Перечень того, что дано в распоряжение водителя для выполнения определенной транспортной работы, завершают колеса. От характеристики колеса зависят все качества автомобиля: динамичность, экономика, плавность хода, устойчивость, безопасность движения. Говоря о колесе, мы имеем в виду прежде всего его главный элемент - шину.
Основную нагрузку от массы автомобиля воспринимает воздух, находящийся в камере шины. На единицу количества воздуха должно приходиться определенное, всегда одинаковое количество килограммов нагрузки. Другими словами, отношение нагрузки, приходящейся на колесо, к количеству сжатого воздуха в камере шины должно быть постоянным. На основе этого положения и с учетом жесткости шины, действия центробежной силы при вращении колеса и т. д. найдена примерная зависимость между размерами шины, внутренним давлением р в ней и приходящейся на шину допустимой нагрузкой G k -

где Ш - коэффициент удельной грузоподъемности шины.
Для радиальных шин коэффициент Ш равен - 4,25; для грузовых большего размера - 4. Для шин с метрическими обозначениями величина Ш составляет соответственно 0,00775; 0,007; 0,0065 и 0,006. Размеры шин вписывают в уравнение такими, как они фиксированы в ГОСТах на шины - в дюймах или миллиметрах.
Следует обратить внимание на то, что размер диаметра обода входит в наше уравнение в первой степени, а размер (диаметр) сечения профиля - в третьей, то есть в кубе. Отсюда вывод: решающее значение для грузоподъемности шины имеет сечение профиля, а не диаметр обода. Подтверждением может служить и такое наблюдение: записанные в ГОСТе величины допустимой нагрузки на шину почти пропорциональны квадрату размера сечения.
Из размеров шины нас будет особо интересовать радиус r к качения колеса, причем так называемый динамический, то есть замеренный при движении автомобиля, когда этот радиус увеличивается, по сравнению со статическим радиусом колеса с шиной, от ее нагрева и от действия центробежной силы. Для дальнейших расчетов можно принять r к равным половине диаметра шины, приведенного в ГОСТе.
Подведем итог. Водителю даны: автомобиль с определенной массой, которая распределяется на передние и задние колеса; двигатель с известной характеристикой мощности, вращающего момента и оборотов; трансмиссия с известными коэффициентом полезного действия и передаточными числами; наконец, колеса с шинами определенных размеров, грузоподъемности и внутреннего давления.
Задача водителя - в том, чтобы использовать все это богатство наивыгоднейшим образом: достигнуть цели поездки быстрей, безопасней, с наименьшими расходами, с наибольшими удобствами для пассажиров и сохранностью груза.

Равномерное движение

Вряд ли водитель будет на ходу проводить расчеты, почерпнутые из этих простых формул. Для расчетов не хватит времени, да они только отвлекут внимание от управления машиной. Нет, он будет действовать на основе своего опыта и знаний. Но все-таки лучше, если к ним добавится хотя бы общее понимание физических законов, которым подчиняются процессы работы автомобиля.

Силы, действующие на колесо :
G k - вертикальная нагрузка;
М k - вращающий момент, приложенный к колесу;
Р k - тяговое усилие;
R в - вертикальная реакция;
R г - горизонтальная реакция.

Возьмем самый, казалось бы, простой процесс - равномерное движение по прямой и ровной дороге. Тут на ведущее колесо действуют: вращающий момент М k , переданный от двигателя и создающий тяговую силу Р k ; равная последней горизонтальная реакция R k , действующая в обратном направлении, то есть по ходу автомобиля; сила тяжести (масса), соответствующая нагрузке G k на колесо, и равная ей вертикальная реакция R в.
Тяговую силу Р k можно вычислить, разделив вращающий момент, подведенный к ведущим колесам, на их радиус качения. Напомним, что поступающий от двигателя к колесам вращающий момент коробка и главная передача увеличивают в несколько раз соответственно своим передаточным числам. А поскольку в трансмиссии неизбежны потери, то величину этого возросшего момента надо умножить на коэффициент полезного действия трансмиссии.

Значения коэффициента сцепления (φ) Для асфальтового покрытия при разном его состоянии .

В каждое отдельно взятое мгновение ближайшие к дороге точки в зоне контакта колеса с дорогой неподвижны относительно нее. Если бы они перемещались относительно поверхности дороги, то колесо буксовало бы, а автомобиль не двигался. Чтобы точки контакта колеса с дорогой были неподвижными (напомним - в каждое отдельно взятое мгновение!), требуется хорошее сцепление шины с поверхностью дороги, оцениваемое коэффициентом сцепления φ («фи»). На мокрой дороге с увеличением скорости сцепление резко уменьшается, так как шина не успевает выдавливать воду, находящуюся в области контакта ее с дорогой, и остающаяся пленка влаги облегчает скольжение шины.
Но вернемся к тяговой силе Р k . Она представляет собой воздействие ведущих колес на дорогу, на что дорога отвечает равной по величине и противоположной по направлению силой реакции R r . Прочность контакта (то есть сцепления) колеса с дорогой, а значит, и величина реакции R r , пропорциональна (школьный курс физики) силе G k (а это часть массы машины, приходящаяся на колесо), прижимающей колесо « дороге. И тогда максимально возможное значение R r будет равно произведению φ и приходящейся на ведущее колесо части массы автомобиля (то есть G k). φ - коэффициент сцепления, знакомство с которым состоялось только что.
И теперь мы можем сделать несложный вывод: если тяговая сила Р k будет меньше реакции R r или, в крайнем случае, равна ей, то колесо буксовать не станет. Если же эта сила окажется больше реакции, то наступит пробуксовка.
На первый взгляд кажется, что коэффициент сцепления и коэффициент трения - понятия равнозначные. Для дорог с твердым покрытием такой вывод довольно близок к действительности. На мягком же грунте (глина, песок, снег) картина иная, и буксование наступает не от недостатка трения, а от разрушения колесом слоя почвы, находящегося с ним в контакте.
Возвратимся, однако, на твердую почву. Когда колесо катится по дороге, оно испытывает сопротивление движению. За счет чего?
Дело в том, что шина деформируется. При перекатывании колеса к точке контакта все время подходят сжатые элементы шины, а отходят - растянутые. Взаимное перемещение частиц резины вызывает трение между ними. Деформация шиной грунта тоже требует затрат энергии.
Практика показывает, что сопротивление качению должно возрастать с понижением давления в шине (увеличиваются ее деформации), с увеличением окружной скорости шины (ее растягивают центробежные силы), а также на неровной или шероховатой поверхности дороги и при наличии крупных выступов и углублений протектора.
Это на твердой дороге. А мягкую или не очень твердую, даже размягченный от жары асфальт, шина проминает, и на это тоже затрачивается часть тяговой силы.

Коэффициент сопротивления качению на асфальте увеличивается с возрастанием скорости и с понижением давления в шинах .

Сопротивление качению колеса оценивают коэффициентом f. Его величина растет с повышением скорости движения, понижением давления в шинах и с увеличением неровности дороги. Так, на булыжнике или гравийном шоссе для преодоления сопротивления качению нужна в полтора раза большая сила, чем,на асфальте, а на проселке - в два раза, на песке - в десять раз большая!
Силу P f сопротивления качению автомобиля (на определенной скорости) подсчитывают несколько упрощенно, как произведение полной массы автомобиля и коэффициента f сопротивления качению.
Может показаться, что силы сцепления Р φ и сопротивления качению Р f тождественны. Далее читатель убедится, что между ними есть различия.
Чтобы автомобиль двигался, тяговая сила должна быть, с одной стороны, меньше силы сцепления колес с грунтом или, в крайнем случае, равна ей, а с другой - больше силы сопротивления движению (которая при езде с невысокой скоростью, когда сопротивление воздуха незначительно, можно считать равной силе сопротивления качению) или же равна ей.
В зависимости от скорости вращения вала двигателя и открытия дроссельной заслонки вращающий момент двигателя изменяется. Почти всегда можно найти такое сочетание значений вращающего момента двигателя (соответствующим нажимом на акселератор) и выбора передач в коробке, чтобы постоянно быть в рамках только что названных условий движения автомобиля.
Для умеренно быстрого движения по асфальту (как следует из таблицы) необходима значительно меньшая тяговая сила, чем та, какую автомобили способны развить даже на высшей передаче. Поэтому ехать нужно с полуприкрытой дроссельной заслонкой. В этих условиях машины, как говорят, обладают большим запасом тяги. Этот запас необходим для разгона, обгона, преодоления подъемов.
На асфальте, если он сухой, сила сцепления, за редким исключением, больше тяговой силы на любой передаче в трансмиссии. Если же он мокрый или обледенелый, то движение на пониженных передачах (и троганье с места) без буксования возможно только при неполном открытии дроссельной заслонки, то есть со сравнительно небольшим моментом двигателя.

График мощностного баланса. Точки пересечения кривых соответствуют наибольшим скоростям на ровной дороге (справа) и на подъеме (левая точка) .

Каждый водитель, каждый конструктор хочет знать возможности данного автомобиля. Самые точные сведения дают, конечно, тщательные испытания в различных условиях. При знании законов движения автомобиля удовлетворительно точные ответы можно получить и расчетным путем. Для этого нужно иметь: внешнюю характеристику двигателя, данные о передаточных числах в трансмиссии, массе автомобиля и ее распределении, лобовой площади и, приблизительно, о форме автомобиля, размерах шин и внутреннем давлении в них. Зная эти параметры, мы сможем определить статьи расхода мощности и построить график так называемого баланса мощности.
Во-первых, наносим шкалу скорости движения, совмещая соответственные значения числа оборотов n e вала двигателя и скорости V a , для чего пользуемся специальной формулой.
Во-вторых, вычитая графически (отмеряя вниз по вертикали соответствующие отрезки) из кривой внешней характеристики потери мощности (0,lN e), получим другую кривую, показывающую мощность N k , подводимую к колесам (КПД трансмиссии мы приняли равным 0,9).
Теперь можно построить кривые расхода мощности. Отложим от горизонтальной оси графика отрезки, соответствующие расходу мощности N f на сопротивление качению. Подсчитываем их по уравнению:

Через полученные точки проводим кривую N f . Откладываем вверх от нее отрезки, соответствующие расходу мощности N w на сопротивление воздуха. Их величину подсчитываем, в свою очередь, по такому уравнению:

где F - лобовая площадь автомобиля в m 2 , К - коэффициент сопротивления воздуха.
Отметим, что багаж на крыше увеличивает сопротивление воздуха в 2 - 2,5 раза, прицепная дача - в 4 раза.
Отрезки между кривыми N w и N k характеризуют так называемую избыточную мощность, запас которой может быть использован на преодоление прочих сопротивлений. Точка пересечения этих кривых (крайняя справа) соответствует наибольшей скорости, которую способен развить автомобиль на горизонтальной дороге.
Изменяя коэффициенты или масштабы шкал скорости (в зависимости от передаточных чисел), можно построить графики баланса мощности для движения по дорогам с разными покрытиями и на разных передачах.
Далее, если отложим вверх от кривой N w отрезки, соответствующие, например, мощности, которую нужно израсходовать на преодоление определенного подъема, то получим новую кривую и новую точку пересечения. Эта точка соответствует наибольшей скорости, с которой без разгона может быть взят данный подъем.

На подъеме растет нагрузка, приходящаяся на колеса. Пунктиром показана (в масштабе) ее величина при горизонтальной дороге, черными стрелками - при движении на подъем :
α - угол подъема;
Н - высота подъема;
S - длина подъема.

Тут нужно учитывать, что на подъемах к силам, противодействующим движению автомобиля, добавляется сила его тяжести. Чтобы автомобиль мог двигаться на подъем, угол которого обозначим буквой α («альфа»), тяговая сила должна быть не меньше сил сопротивления качению и подъему, вместе взятых.
Автомобилю «Жигули», например, на ровном асфальте приходится преодолевать сопротивление качению примерно 25 кгс, ГАЗ-53А - около 85 кгс. Значит, им для преодоления подъема на высшей передаче со скоростью соответственно 88 или 56 км/ч (то есть при наибольшем моменте двигателя), с учетом сил сопротивления воздуха около 35 и 70 кгс, остается сила тяги около 70 и 235 кгс. Разделим эти значения на величины полной массы автомобилей и получим уклоны 5 - 5,5 и 3 - 3,5%. На третьей передаче (тут скорость меньше, и сопротивлением воздуха можно пренебречь) наибольший угол преодолеваемого подъема составит около 12 и 7%, на второй - 20 и 15%, на первой - 33 и 33%.
Подсчитайте однажды и запомните значения подъемов, посильных вашему автомобилю! Кстати, если он снабжен тахометром, то запомните также число оборотов, соответствующее наибольшему моменту - оно записано в технической характеристике автомобиля.
Силы сцепления колес с дорогой на подъеме и на ровной дороге различны. На подъеме происходит разгрузка передних колес и дополнительное нагружение задних. Сила сцепления задних ведущих колес увеличивается, и их буксование становится менее вероятным. У машин с передними ведущими колесами сила сцепления при движении на подъем уменьшается, и вероятность их буксования выше.
Перед подъемом выгодно дать автомобилю разгон, накопить энергию, которая даст возможность взять подъем без существенного снижения скорости и, может быть, также без перехода на низшую передачу.

Влияние передаточного числа главной передачи на скорость и запас мощности

Следует подчеркнуть, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа трансмиссии, и количество передач в коробке. Из графика, на котором отложены кривые мощности двигателя (соответственно смещенные в зависимости от разных передаточных чисел главной передачи) и кривая сопротивлений, видно, что с изменением передаточного числа наибольшая скорость меняется лишь незначительно, зато запас мощности с его увеличением резко возрастает. Это, конечно, не значит, что передаточное число можно повышать до бесконечности. Чрезмерное его увеличение ведет к заметному снижению скорости автомобиля, (штриховая линия), износу двигателя и трансмиссии, перерасходу топлива.
Существуют более точные, чем описанные нами, методы расчета (динамическая характеристика, предложенная академиком Е. А. Чудаковым, и другие), но пользование ими - дело довольно сложное. Вместе с тем есть и вовсе простые приблизительные методы расчета.