Беседа втораяНаука оПоведении АвтомобиляРис. 1. Силы, действующие на колесо: G,c — вертикальная нагрузка; Мк — вращающий момент, приложенный н колесу; Р к — тяговое усилие; К п — вертикальная реакция; К ,. — горизонтальная реакция. .Вряд ли водитель будет на ходу проводить расчеты, почерпнутые из наших бесед. 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. Возьмем самый, казалось бы, простой процесс — равномерное движениесоответственно своим передаточным числам. А поскольку в трансмиссии неизбежны потери, то величину этого возросшего момента надо умножить на коэффициент полезного действия трансмиссии. 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 поверхностьюМк Вращающий моментРавномерное движениепо прямой и ровной дороге. Тут на ведущее колесо действуют (рис. 1): вращающий момент Мк , переданный от двигателя и создающий тяговую силу Рк ; равная последней горизонтальная реакция Rr , действующая в обратном направлении, то есть по ходу автомобиля; сила тяжести (масса), соответствующая нагрузке GK на колесо, и равная ей вертикальная реакция RB • Тяговую силу Рк 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 дороги, оцениваемое коэффициентом сцепления у («фи»). Его значения приведены на рис. 2. 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 Рк . Она представляет собой воздействие ведущих колес на дорогу, на что дорога отвечает равной по величине и противоположной по направлению силой реакции Rr . Прочность контакта (то есть сцепления) колеса с дорогой, а значит, и величина реакции Rr , про-НагрузкаФ* #> 'е^в&&Р-Рис. 3. Коэффициент сопротивления качению на асфальте увеличивается с возрастанием скорости ис понижением давления в шинах.Рис. 4. График мощностного баланса. Точки пересечения кривых соответствуют наибольшим скоростям на ровной дороге (справа) и на подъеме (левая точка); обозначения —• в тексте. '30004000 об/мин•406080100120 км/ч12 Рис. 2. Значения коэффициента сцепления (9 ) Д ля асфальтового покры ­ т ияпри разном его состоянии .порциональна (школьный курс физики) силе GK (а это часть массы машины, приходящаяся на колесо), прижимающей колесо « дороге. И тогда максимально возможное значение Rr будет равно произведению <? и приходящейся на ведущее колесо части массы автомобиля (то есть GK)- < — коэфР фициент сцепления, знакомство с которым состоялось только что. И теперь мы можем сделать несложный вывод: если тяговая сила Рк будет меньше реакции Rr 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 деформирует•ся. 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. Сопротивление качению колеса оценивают коэффициентом f. Его величина растет (рис. 3) с повышением скорости движения, понижением давления в шинах ис 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 Pf 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<р и сопротивления качению Р | 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 таблице приведены значения наибольшей тяговой силы, а также сил сцепления и сопротивления качению для некоторых автомобилей. В зависимости от скорости вращения вала двигателя и открытия дроссельной заслонки вращающий момент двигателя изменяется (см. беседу первую). 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, силаРис. 5. На подъеме растет нагрузка, п риходящаяся на колеса. П унктиром показана (в масштабе) ее величина пригоризонтальной дороге, ч ерными стрелками — п ридвижении на подъем: а — угол подъема; Н — высота подъема; S — длина подъема1••*егу 4о•XII1\5?~v Г13* % ^ > -к3. «За рулем» № 3 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. Каждый водитель, каждый транспортник (когда он получает новую машину), каждый конструктор (когда он сравнивает проектируемую модель с существующей) 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 (рис. 4). Во-первых, наносим шкалу скорости движения, совмещая соответственные значения числа оборотов пе вала двигателя и скорости va , 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 NK 1 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 Nf на сопротивление качению. Подсчитываем их по уравнению:торую 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 Nw 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. 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 а («альфа»), тяговая сила должна быть не меньше сил сопротивления качению и подъему (рис. 5), вместе взятых. Снова обратимся к нашей таблице. 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 и3 — 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 (см. рис. 5). 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. Следует подчеркнуть, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа трансмиссии, и количество передач в коробке. Из графика (рис. 6), 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. Ю. ДОЛМАТОВСКИЙ, кандидат технических наукСилы — тяговая, сцепления и сопротивления качению Через полученные точки проводим кривую Nf . Откладываем вверх от нее отрезки, соответствующие расходу мощности Nw на сопротивление воздуха. Их величину подсчитываем, в свою очередь, по такому уравнению: Показатели Наибольший вращающий момент двигателя (М е ), кгс • м Число оборотов в минуту (п), соответствующее Ме Передаточное число главной передачи (i 0 )• Радиус качения колеса (г), м Передаточные числа (1 к ) в коробке передач Момент, подводимый к колесам (М к ). кгс -м, с учетом КПД трансмиссии, равного 0,9 (округленно). Наибольшая тяговая (округленно) I II III IV IЦ III IV ЗАЗ—968 ВАЗ21011 9,9 3400 4,3 0.295 3.75 2,30 1,49 1,00 143 88 57 38 480 300 1Е0 130 1355 740 518 111 ГАЗ—24 ГАЗ—53А8.2 3100 4.125 0.295 3,80 2,12 1.409 0.964 116 65 43 30 400 220 145 100 1110 660 462 9919,2 2400 4.1 0,325 3,50 2.26 1,45 1,00 247 160 103 71 760 490 320 215 1800 940 658 14029 2250 6.83 0,45 6,48 3,09 1,70 1.00 1150 550 300 178 2550 1225 670 400 7400 5590 3900 840KFvfN w =3600л'с"где F — лобовая площадь автомобиля вм2 , К — коэффициент сопротивления воздуха. Примерные значения FиК таковы: для «Запорожца—968». — 1,6 и 0,034; для всех моделей «жигулей» — 1,7 и 0,028; для «москвичей—412» — 1,8 и 0,035; для «Волги» ГАЗ—24 — 2,2 и 0,03; для ИЖ—2126 — 1,8 и 0,032; для грузовых автомобилей — 4,35,8 и 0,07. Отметим, что багаж на крыше увеличивает сопротивление воздуха в 22,5 раза, прицепная дача — в 4 раза. Отрезки между кривыми NwиNK характеризуют так называемую избыточную мощность, запас которой может быть использован на преодоление прочих сопротивлений. Точка пересечения этих кривых (крайняя справа) соответствует наибольшей скорости, косила ( Р к ) , кгс I II III IVПолная масса автомобиля (G a ), кг В том числе на ведущие колеса (G K ), кг Сила сцепления (Р» ) на асфальте, кгс сухом мокромСила сопротивления качению на асфальте 19—24 23—28 (Pj), кгс (округленно) на проселке 38—48 26—56 на песке 190—240 230 — 28031 — 34 82—89 62—68 164—178 310—340 820—89014