Повышение профильной проходимости автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность темы: на текущий момент в вопросах совершенствования технико-эксплуатационных свойств автомобиля имеются научные и практические достижения. Однако, как в настоящее время, так и в будущем, эта проблема остается актуальной. С трансформацией и усложнением нашей повседневной действительности, автомобиль, являясь частью системы «автомобиль - водитель - дорога - среда», тоже меняется, и приобретает новые, полезные свойства, которые проявляются в комплексном взаимодействии всех элементов системы.

Автомобили высокой проходимости являются важнейшим звеном в системе транспортного обеспечения ряда отраслей экономики, а также Вооруженных Сил и специальных ведомств. Необходимость функционирования автотранспортного комплекса на всей территории России в любое время года при отсутствии разветвленной дорожной сети определяет особые требования к существующим и разрабатываемым автомобилям высокой проходимости по основным эксплуатационным качествам.

Традиционно в нашей стране основным заказчиком автомобилей высокой проходимости остается Министерство Обороны. В последние десятилетия началось создание специальных колесных транспортных средств высокой проходимости для нужд спасательных служб, нефтегазовой промышленности, геологоразведочной деятельности, сельского и лесного хозяйства с учетом условий эксплуатации автомобилей в той или иной отрасли. К характерным условиям эксплуатации автомобилей высокой проходимости относится пересеченная местность, представляющая собой совокупность различных препятствий естественного и искусственного происхождения, ориентированных в различных направлениях и расположенных в случайном порядке. Приспособленность автомобиля к движению по пересеченной местности с преодолением профильных препятствий определяет его важное эксплуатационное свойство - профильную проходимость.

Уровень профильной проходимости эксплуатирующихся автомобилей высокой проходимости, за исключением некоторых специальных транспортных средств, создававшихся по специфическим требованиям военного ведомства, обеспечивается только их конструктивными параметрами - схемами размещения осей по базе, дорожными просветами, величинами углов свеса и т. п. Однако не менее важным фактором, ограничивающим способность автомобиля к преодолению препятствий, являются тягово-сцепные свойства ведущих колес с опорными поверхностями.

В проведенных к настоящему времени исследованиях обосновывается, что вопросы повышения профильной проходимости путем регулирования подводимой к колесу мощности, распределения веса по осям автомобиля, учета перераспределения вертикальной нагрузки по осям автомобиля, на сегодняшний день не рассматривались. Поэтому на основании расчетных и экспериментальных исследований необходимо разработать методы, позволяющие осуществить рациональный выбор конструктивных решений систем, в том числе алгоритмов управления этими системами.

На основании выше изложенного в данной диссертационной работе сформулирована следующая цель исследований.

Цель работы: выявление проблем, разработка и предложение технических решений для повышения технико-эксплуатационных свойств автомобиля, а именно, разработка расчетно-экспериментального метода повышения профильной проходимости автомобиля за счет рационального распределения мощности по ведущим колесам, распределения веса по осям автомобиля и учета перераспределения вертикальной нагрузки по осям автомобиля.

Объект исследований: полноприводный автомобиль ВАЗ-2121 и заднеприводный автомобиль ВАЗ-2106, автомобиль полной массой 6000 кг с равномерным распределением массы по ведущим мостам, оснащенный шинами 16.00-20 (модель И-159).

Предмет исследований: закономерности формирования силовых и кинематических факторов, необходимых для преодоления автомобилем профильных препятствий.

Научная новизна работы:

1. Выявление закономерностей формирования силовых и кинематических факторов;

2. Новый подход к решению вопроса повышения профильной проходимости автомобиля.

Практическая ценность работы: работа направлена на решение научно-технической задачи, имеющей важное практическое значение - повышение проходимости автомобилей. Результаты исследований могут быть положены в основу методик проведения экспериментальных исследований по оценке профильной проходимости автомобилей.

Реализация результатов работы: результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров и бакалавров автомобильных специальностей НГТУ, а также включены в макеты будущих методических разработок, учебных пособий и учебников по курсам блока дисциплин «Теория автомобиля».

Апробация работы: основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на X Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2011 г.), XI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2012 г.). Автор работы является обладателем Диплома II степени за участие в XI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2012 г.).

Публикации:

1) Практическое применение моделирования транспортных потоков/ О.А. Сидорова, М.Г. Корчажкин// Сборник матер. X Междун. молодежн. науч.-техн. конф. «Будущее технической науки» / НГТУ им. Р.Е. Алекссеева.- Н.Новгород, 2011.- С. 174-176;

2) Определение времени простоя автобусов на остановочных пунктах маршрутов городского пассажирского транспорта/ А.В. Липенков, О.А. Маслова, О.А. Сидорова, Ф.П. Аринушкин, А.Н. Рябухин// Сборник матер. X Междун. молодежн. науч.-техн. конф. «Будущее технической науки» / НГТУ им. Р.Е. Алекссеева.- Н.Новгород, 2011.- С. 177;

3) Построение имитационной модели автобусного маршрута городского пассажирского транспорта/ О.А. Маслова, А.В. Липенков, О.А. Сидорова, В.В. Константинов, В.М. Юргин// Сборник матер. X Междун. молодежн. науч.-техн. конф. «Будущее технической науки» / НГТУ им. Р.Е. Алекссеева.- Н.Новгород, 2011.- С. 177-178.

4) Алгоритмы повышения проходимости автомобилей/ О.А. Белова, В.И. Песков, Н.А. Кузьмин// Сборник матер. XI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки»/ НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Н. Новгород, 2012 г.

5) Алгоритмы повышения проходимости автомобилей/ О.А. Белова, В.И. Песков, Н.А. Кузьмин// Сборник научных статей III Международной научно-технической конференции (7-8 июня 2012 г.), посвященной 40-летию кафедры «Строительные и дорожные машины»/ НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Н. Новгород, 2012 г.- С. 189-191.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников. Объем диссертационной работы составляет 107 страниц текста, 6 таблиц, 36 рисунков, списка использованных источников из 61наименования.



Глава 1. Обзор состояния вопроса и Постановка задач исследования

маневренность проходимость тормозной автомобиль

1.1 Основные эксплуатационные свойства автомобиля

В общем случае понятие эксплуатационные свойства представляет собой группу свойств, определяющих степень приспособленности автомобиля (колесной машины) к эксплуатации в различных условиях [31, 36]. Различают следующие основные эксплуатационные свойства автомобиля:

Тягово-скоростные;

Топливно-экономические;

Проходимость;

Тормозные свойства;

Устойчивость, управляемость и маневренность;

Плавность движения;

Надежность;

Мощность, экономичность, токсичность отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, динамичность, грузоподъемность, пассажировместимость, комфортабельность, эргономичность.

Эксплуатационными свойствами автомобиля в разное время занимались и достигли значительных успехов Вейс Ю.А., Гришкевич А.И., Грошев А.М., Зимелев Г.В., Кравец В.Н., Кузьмин Н.А, Нарбут А.Н., Песков В.И., Руктешель О.С., Филькевич Б.С., Чудаков Е.А. и др.

Это именно те свойства, посредством которых реализуются [11]:

· Средние скорости транспортирования;

· Расход топлива, связанный с транспортированием;

· Безопасность движения автомобиля, выполняющего свои производственные функции;

· Возможность движения по дорогам различного качества, в том числе и по бездорожью.

Эксплуатационные свойства автомобиля определяют, в том числе эффективность и удобство его использования, зависят от конструкции автомобиля и его агрегатов, условий эксплуатации, качества топлива и смазочных материалов, технического состояния автомобиля и мастерства вождения.

1.1.1 Тягово-скоростные свойства

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 тягово-скоростных свойств колесной машины позволяет определять предельные дорожные условия, в которых еще возможно движение автомобиля, а также оценивать возможность 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;

· преодолеть заданные подъемы и буксировку прицепа заданной массы.

В зависимости от соотношения деформаций колеса и опорной поверхности различают четыре вида взаимодействия колеса с дорогой:

1) качение жесткого колеса по жесткой (практически недеформируемой) поверхности (рис. 1.1, а);

2) качение эластичного колеса по недеформируемой поверхности (рис. 1.1, б);

3) качение жесткого колеса по деформируемой (податливой) поверхности (рис. 1.1, в);

4) качение эластичного колеса по деформируемой поверхности (рис. 1.1, г).

Рис. 1.1. Виды взаимодействия колеса и опорной поверхности

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 (колесный трактор) движется по податливым грунтовым дорогам.

На рис.1.2 показаны основные геометрические параметры автомобильного колеса и шины. Здесь - диаметр наибольшего окружного сечения беговой дорожки шины ненагруженного колеса;

- посадочный диаметр обода; - ширина профиля шины;

- высота профиля шины; - коэффициент высоты профиля шины.

Очень важным, с точки зрения теоретических расчетов, является правильный выбор радиуса качения автомобильного колеса.

Рис. 1.2 Основные геометрические параметры и маркировка шины автомобильного колеса

В теории качения эластичного колеса по твердой (недеформируемой) поверхности оперируют четырьмя основными радиусами.

Свободный радиус - радиус наибольшего окружного сечения беговой дорожки шины ненагруженного колеса (т.е. при отсутствии его контакта с поверхностью дороги).

, (1)

Статический радиус - расстояние от центра неподвижного колеса, нагруженного вертикальной силой , до опорной поверхности (рис. 1.3)

(2)

где - коэффициент вертикальной деформации шины;

- для радиальных шин легковых автомобилей;

- для шин грузовых автомобилей и автобусов, а также для диагональных шин легковых автомобилей.

Коэффициент зависит от величины вертикальной нагрузки на шину и от давления воздуха в шине, при этом с увеличением нагрузки уменьшается, а с увеличением давления - увеличивается.

Динамический радиус - расстояние от центра катящегося колеса до опорной поверхности (рис. 1.4). На величину , точно также, как на , влияют вертикальная нагрузка на колесо и давление воздуха в шине. Кроме того, динамический радиус несколько увеличивается с ростом угловой скорости вращения колеса и уменьшается с ростом передаваемого колесом крутящего момента . Противоположное влияние и на изменение обусловило то, что для дорог с твердым покрытием часто принимают .

Радиус качения (кинематический радиус) - отношение продольной скорости колеса к его угловой скорости вращения :

(3)

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

(4)

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

(5)

где - радиус качения колеса в ведомом режиме (когда );

коэффициент тангенциальной эластичности шины.

Радиус качения колеса в ведомом режиме определяется экспериментально путем прокатывания нагруженного заданной вертикальной нагрузкой колеса на 5?10 полных оборотов (оборотов) и замера его пути качения . Так как , то

(6)

Рассмотрим характерные случаи:

1. Ведомый режим:

Ситуацию иллюстрирует рис. 1.5, а. В этом случае:

2. Режим полного буксования (рис. 1.5, б).

(максимальный момент колеса по сцеплению с дорогой);

Тогда

3. Режим юза (рис. 1.5, в).

Тогда



Рис. 1.5. Радиусы качения колеса: а - ведомый режим; б - режим буксования; в - режим юза

Рассмотренные случаи показывают, что диапазон возможных значений радиуса качения автомобильного колеса в реальных условиях изменяется от нуля до бесконечности, т.е. Это хорошо иллюстрирует график зависимости от (рис. 1.6). Видно, что в диапазоне значений от до происходит некоторое увеличение практически по линейному закону. Для большинства шин при работе в указанном диапазоне передаваемых колесом моментов . В зонах от до и от до зависимость сложная нелинейная, при этом в первой зоне по мере увеличения передаваемого колесом крутящего момента резко устремляется к нулю (полное буксование), а во второй зоне по мере возрастания тормозного (отрицательного) момента величина быстро уходит в бесконечность (режим чистого скольжения без вращения, т.е. так называемый юз).



Рис. 1.6 Зависимость радиуса качения rк колеса от величины и направления передаваемого им момента Тк

Характерное для всех стран постоянное стремление к повышению скоростей движения автомобилей и возрастающая плотность транспортных потоков приводят к увеличению напряженности процесса управления транспортным средством, что в свою очередь создает условия для ухудшения ситуации с безопасностью движения. Одним из мероприятий, способствующих частичному решению проблемы повышения безопасности движения, является автоматизация управления автомобилем. В числе наиболее доступных и эффективных способов автоматизации, обеспечивающих упрощение и облегчение управления автомобилем в городских условиях движения, когда ручное переключение передач у обычных механических трансмиссий приходится производить каждые 15?30 с, наиболее перспективным считается применение автоматических трансмиссий.

На легковых автомобилях и автобусах наибольшее распространение получили гидромеханические автоматические трансмиссии. Гидромеханическая автоматическая трансмиссия или гидромеханическая передача (ГМП) - это сочетание не требующего вмешательства в свою работу гидродинамического устройства и механической коробки передач с автоматизированным процессом переключения [36].

1.1.2 Топливно-экономические свойства

Топливная экономичность автомобиля определяется расходом топлива при выполнении им транспортной работы в различных условиях эксплуатации. Понятно, что чем меньше расход топлива, тем при прочих равных условиях экономичнее автомобиль.

Одним из основных обобщающих измерителей топливной экономичности в нашей стране и в большинстве других стран является расход топлива транспортным средством в литрах на 100 км пройденного пути - это так называемый путевой расход топлива , л/100 км. Путевой расход удобно использовать для оценки топливной экономичности близких по своим перевозочным характеристикам автомобилей. Для оценки эффективности использования топлива при выполнении транспортной работы автомобилями различной грузоподъемности (пассажировместимости) чаще применяют удельный показатель, который называют расходом топлива на единицу транспортной работы . Этот показатель измеряется отношением фактического расхода топлива к выполненной транспортной работе по перевозке груза, которая определяется произведением массы перевезенного груза в тоннах на пройденный путь в км.

Таким образом, имеет размерность л/т.км. Если транспортная работа заключается в перевозке пассажиров, удельный расход измеряется в литрах на пассажирокилометр (л/пас.км). Между и такие соотношения:

или (7)

где - масса перевезенного груза, т (для грузовика);

- количество перевезенных пассажиров, пас. (для автобуса).

Топливная экономичность автомобиля в значительной степени определяется соответствующими показателями двигателя. Это, прежде всего часовой расход топлива , кг/ч - масса топлива в килограммах, расходуемого двигателем за один час непрерывной работы, и удельный расход топлива г/кВтч - масса топлива в граммах, расходуемого двигателем за один час работы на получение одного киловатта мощности:

(8)

Существуют и другие оценочные показатели топливной экономичности автомобилей. Например, контрольный расход топлива служит для косвенной оценки технического состояния автотранспортного средства. Его определяют при заданных значениях постоянной скорости (разных для различных категорий автомобилей) при движении по прямой горизонтальной дороге на высшей передаче.

Все более широкое применение получают комплексные оценочные характеристики топливной экономичности по специальным ездовым циклам. Например, замер расхода топлива в магистральном ездовом цикле проводят для всех категорий автотранспортных средств (кроме городских автобусов) пробегом по измерительному участку с соблюдением режимов движения, заданных специальной схемой цикла, принятой международными нормативными документами. Аналогично производятся замеры расхода топлива в городском ездовом цикле, результаты которых позволяют точнее оценивать топливную экономичность различных автомобилей в городских условиях эксплуатации.

1.1.3 Проходимость автомобиля

Свойство автомобиля совершать транспортный процесс в ухудшенных дорожных условиях, а также по бездорожью и с преодолением различных препятствий.

К ухудшенным дорожным условиям относятся:

· мокрые и грязные дороги;

· занесенные снегом и обледенелые дороги;

· размокшие и разбитые дороги, затрудняющие движение и маневрирование колесных машин, заметно сказывающиеся на средних скоростях их движения и расходах топлива.

При движении по бездорожью колеса автомобиля взаимодействуют с различными опорными поверхностями, не прошедшими специальную подготовку под транспортный процесс, поэтому скорости движения снижаются существенно (в 35 и более раз), соответственно возрастает расход топлива. При этом большое значение имеет вид и состояние этих поверхностей, всю номенклатуру которых обычно сводят в четыре категории:

1) связные грунты (глины и суглинки);

2) несвязные (песчаные) грунты;

3) заболоченные грунты;

4) снежная целина.

К препятствиям, которые иногда вынужден преодолевать автомобиль, относятся:

· уклоны (продольные и поперечные);

· искусственные барьерные препятствия (канавы, кюветы, рвы, насыпи, бордюры тротуаров);

· единичные природные препятствия (пни, кочки, валуны и т.п.).

1.1.4 Тормозные свойства

Это группа свойств, определяющих способность автомобиля к созданию замедления на различных дорогах, к ограничению значения внешних сил, под действием которых автомобиль удерживается неподвижно, к поддержанию минимально устойчивой скорости при движении под уклон.

Тормозные свойства автотранспортных средств в значительной степени определяют безопасность движения на автомобильных дорогах. Поэтому к эффективности и надежности тормозных систем предъявляют особо жесткие требования. Оценка эффективности рабочей и тормозной систем осуществляется по длине тормозного пути и установившемуся замедлению, а стояночной и вспомогательной -- по суммарной тормозной силе, развиваемой этими системами.

Под тормозным путем понимается расстояние, проходимое автомобилем от начала торможения до его полной остановки.

За начало торможения принимают момент, в который водитель устанавливает ногу на тормозную педаль.

Поскольку при оценке тормозных систем торможение осуществляется с максимальной интенсивностью, на основном участке тормозного пути замедление примерно одинаково. Это замедление принято называть установившимся.

Эффективность тормозных систем определяется во время проведения дорожных испытаний. Перед их проведением автотранспортное средство должно пройти обкатку в соответствии с инструкцией завода-изготовителя, нагрузка и ее распределение по мостам должны соответствовать техническим условиям. Агрегаты трансмиссии и ходовой части (кроме тормозов) должны быть предварительно прогреты. Износ рисунка протектора шин должен быть равномерным и не превышать 50%. Участок дороги, на котором проводятся испытания основной и запасной тормозных систем, и погодные условия должны удовлетворять тем же требованиям, которые к ним предъявляются при оценке скоростных свойств автотранспортного подвижного состава.

Поскольку эффективность тормозных механизмов в сильной степени зависит от температуры трущихся пар, тормозные испытания проводятся при различных тепловых состояниях тормозных механизмов. По принятым в настоящее время стандартам испытания по определению эффективности рабочей тормозной системы делят на три типа:

· испытания “ноль”;

· испытания I;

· испытания II.

Испытания “ноль” предназначены для оценки эффективности рабочей тормозной системы при холодных тормозных механизмах. При испытаниях I определяют эффективность рабочей тормозной системы при нагретых путем предварительных торможений тормозных механизмах, а при испытаниях II при механизмах, нагретых путем торможения на затяжном спуске. В ГОСТе определены начальные скорости, с которых должно производиться торможение, установившиеся замедления и тормозные пути в зависимости от типа транспортных средств. Регламентируются также усилия на тормозных педалях: педаль легковых автомобилей должна нажиматься с силой 500 Н, грузовых - 700 Н. Установившееся замедление при испытаниях типа I и II должно составлять соответственно не менее 0,75 и 0,67 от замедлений при испытаниях типа “ноль”.

Методы оценки тормозных свойств автотранспортных средств, находящихся в эксплуатации, обычно определяются правилами дорожного движения. В правилах оговариваются условия испытаний (сухая горизонтальная дорога с твердым покрытием), а также начальная скорость, принимаемая одинаковой для всех транспортных средств. Оценочными критериями являются установившееся замедление и тормозной путь. Минимальные установившиеся замедления автомобилей, находящихся в эксплуатации, обычно допускают несколько меньшими (на 1012 %), чем у новых.

В процессе торможения замедление автомобиля меняется: изменяется сила сопротивления воздуха, коэффициент сцепления, дорожное сопротивление. Расчеты тормозного пути при переменном замедлении целесообразно выполнять на вычислительных машинах. Если расчет ведется для случая движения автомобиля по горизонтальному участку с небольшой начальной скоростью (не выше 80 км/ч), силы сопротивления подъему и сопротивления воздуха можно не учитывать. Тормозной путь находят как сумму элементарных тормозных путей, проходимых автомобилем за время, считая замедление его постоянным. Практический интерес представляет методика расчета остановочного пути автомобиля при торможении с постоянным замедлением. Наиболее близко таким условиям соответствует аварийное торможение с начальных скоростей 3060 км/ч.

1.1.5 Устойчивость, управляемость, маневренность

Устойчивость автомобиля

Устойчивость -- свойство автомобиля сохранять направление движения (курсовая устойчивость) и противодействовать силам, стремящимся вызвать его занос и опрокидывание. Особенно высокие требования к устойчивости предъявляются при работе автомобиля на скользких дорогах и при движении с большими скоростями [11, 16].

Различают:

· продольную;

· поперечную;

· боковую устойчивость автомобиля.

Под продольной устойчивостью понимают способность автомобиля сохранять устойчивость в продольном направлении (вдоль дороги) при преодолении подъемов и движении на спусках. Чем короче база автомобиля (расстояние между осями), меньше тяговое усилие на ведущих колесах, круче уклон дороги, тем меньше продольная устойчивость. При движении на подъеме нагрузка на задние колеса увеличивается, а на передние уменьшается. Уменьшение давления передних колес на дорогу также уменьшает продольную устойчивость. Однако потеря автомобилем продольной устойчивости (опрокидывание через переднюю или заднюю ось) сравнительно редкое явление и может быть в исключительных случаях - при очень крутом спуске в горных условиях и т. п.

Способность автомобиля сохранять устойчивость в поперечном направлении (поперек дороги) называется поперечной устойчивостью, например при движении по дороге с поперечным уклоном или по косогору. Потеря автомобилем поперечной устойчивости (опрокидывание через левые или правые колеса) тем менее вероятна, чем шире колея (расстояние между колесами) и ниже расположен центр тяжести. Значительное повышение центра тяжести вследствие высоты груза снижает поперечную устойчивость автомобиля.

Боковой устойчивостью называют способность автомобиля противостоять влиянию боковых сил, вызывающих скольжение задней или передней оси в сторону (боковой занос).

Загородное шоссе иногда имеет выпуклый поперечный профиль, часто переходящий на повороте в односторонний уклон, как в сторону центра поворота, так и в сторону от центра поворота. В последнем случае боковая устойчивость автомобиля резко снижается, так как боковая сила, вызывающая занос, и центробежная сила, опрокидывающая автомобиль, направлены в одну сторону от центра поворота.

Известны случаи, когда боковой занос заканчивается опрокидыванием автомобиля. Опрокидывание автомобиля может также произойти от резкого поворота руля на высокой скорости.

Управляемость автомобиля.

Управляемость -- свойство автомобиля изменять направление движения при изменении положения управляемых колес. Качественно это свойство можно оценивать по степени приближения фактической траектории движения автомобиля к желаемой [11, 16]. В реальных дорожных условиях постоянно возникает необходимость корректирования или изменения направления движения автомобиля. Это достигается воздействиями водителя через рулевое управление на управляемые колеса. Действия водителя, направленные на сохранение или изменение величины и направления скорости движения, а также ориентации продольной оси автомобиля, называются управлением. Управление автомобилем является основной производственной функцией водителя. Для успешного осуществления этой функции автомобиль должен обладать соответствующими свойствами: адекватно реагировать на управляющие воздействия водителя; обеспечивать устойчивое прямолинейное движение и движение на повороте; сохранять нейтральное положение управляемых колес (занимаемое ими при прямолинейном движении) и автоматически возвращаться в него после совершения поворота; исключать колебания управляемых колес. Эти свойства определяют надежность и эффективность управления автомобилем и его устойчивое движение. Свойства управляемости и устойчивости тесно взаимосвязаны и имеют много общих черт. Они зависят от одних и тех же параметров механизмов автомобиля -- рулевого управления, подвески, шин, распределения масс между мостами и др. Различие состоит лишь в способах оценки критических параметров движения автомобиля. Параметры, характеризующие свойства устойчивости, определяются без учета управляющих воздействий, а параметры, характеризующие свойства управляемости, -- с их учетом. Для оценки управляемости автомобиля предложено множество показателей. Устойчивость управления характеризуется свойством системы водитель -- автомобиль выполнять с оговоренной заранее точностью на заданном отрезке пути задаваемые характеристики движения. Характеристики движения определяют зависимости изменения скорости, траектории, курсового угла и угла крена подрессоренной массы в функции времени или пути. В правилах ЕЭК ООН № 79, в ГОСТ Р 52302-2004 и ОСТ 37.001.471-88 предусмотрены следующие показатели и характеристики управляемости автомобиля и автопоезда [20]:

1) скорость самовозврата рулевого колеса;

2) остаточное значение угла поворота рулевого колеса;

3) заброс угла поворота рулевого колеса;

4) время стабилизации;

5) усилие на рулевом колесе при повороте на месте;

6) усилие на рулевом колесе при движении автомобиля по круговой траектории;

7) характеристика траекторной управляемости при установившемся круговом движении;

8) характеристика заброса угловой скорости автомобиля (или прицепа) над установившимся значением этой скорости при входе в поворот;

9) характеристика обратного заброса угловой скорости прицепа при входе в поворот;

10) характеристика времени 90% -ной реакции автомобиля (или прицепа) при входе в поворот;

11) максимальная скорость выполнения маневра «поворот»;

12) характеристика углов поворота рулевого колеса;

13) характеристика скоростей поворота рулевого колеса;

14) средняя скорость корректирующих поворотов рулевого колеса при прямолинейном движении.

Рекомендуемые предельные значения показателей управляемости даны в правилах ЕЭК ООН № 79, МС ИСО/ТР 3888-75, ГОСТ Р 52302-2004, ОСТ 37.001.471-88 и ОСТ 37.001.487-89. Согласно этим нормативным документам, показатели управляемости определяют экспериментально [21]. Эти показатели можно также определять посредством математического моделирования.

Рассмотрим физические свойства автомобиля, обеспечивающие его движение по заданной траектории на опорной плоскости дороги. Для обеспечения движения по заданной траектории водитель изменяет углы поворота управляемых колес, поворачивая рулевое колесо в ту или иную сторону на некоторый угол. Однако он не может обеспечить абсолютно точного движения по заданной траектории. Это обусловлено рядом причин. Во-первых, водитель не видит центра масс автомобиля и о совпадении действительной траектории с задаваемой может судить лишь по некоторым косвенным признакам. При управлении направлением движения автомобиля водитель ориентируется на некоторую точку, расположенную на дороге впереди автомобиля, называемую направляющей точкой. Направляющая точка меняет свое положение вместе с перемещением автомобиля. Во-вторых, на автомобиль постоянно действуют различные возмущения, стремящиеся изменить его траекторию. В-третьих, автомобиль обладает значительными инерционными свойствами, а его колеса - упругими свойствами в боковом направлении, поэтому реакция автомобиля на управляющее воздействие имеет определенное запаздывание. В-четвертых, углы бокового увода колес изменяются в широких пределах, так как изменяются продольные, боковые и нормальные реакции дороги на колеса, а также сцепление колес с дорогой. Рассмотрим реакции автомобиля на поворот рулевого колеса. Одной из важнейших характеристик управляемости автомобиля является зависимость кривизны траектории от угла поворота рулевого колеса, называемая характеристикой траекторией управляемости. Зависимость позволяет определить коэффициент чувствительности автомобиля к повороту. Чем больше изменяется кривизна траектории при определенном повороте рулевого колеса, тем выше чувствительность автомобиля к повороту и больше величина реакции автомобиля на управляющее воздействие водителя.

Устойчивость автомобиля вместе с его управляемостью и тормозной динамичностью обусловливают безопасность движения.

Маневренность автомобиля.

Под маневренностью понимается способность автомобиля выполнять разворот на возможно малой площади, двигаться с минимальным радиусом поворота и вписываться в заданную ширину коридора [35]. Маневренность автомобиля зависит от его габаритных размеров, величины колесной базы, ширины колеи, предельных углов поворота передних колес. Маневренность определяется только кинематическими параметрами автомобиля и существенно улучшается, если, кроме передних управляемых колес, используются еще и задние управляемые колеса. Основной параметр, характеризующий маневренность автомобиля, - его минимальный радиус поворота. Легковые автомобили обладают лучшей маневренностью (радиус поворота меньше 6 м) по сравнению с грузовыми, и требуют гораздо меньше площади для маневрирования и разворотов.

1.1.6 Плавность движения

Это способность автомобиля уменьшать вибронагруженность, создаваемую воздействием неровностей дороги на водителя, пассажиров, груз и агрегаты автомобиля.

Плавность хода, наряду с вентиляцией и отоплением, удобством сидений, защищенностью от климатических воздействий, наличием дополнительного оборудования, создающего удобства и т.п. определяет комфортабельность автомобиля.

Вибронагруженность создается возмущающими силами, в основном при взаимодействии колес с дорогой. Неровности с длиной волн более 100 м называют макропрофилем дороги (он практически не вызывает колебаний автомобиля), с длиной волн от 100 м до 10 см - микропрофиль (основной источник колебаний), с длиной волн менее 10 см - шероховатость (может вызвать высокочастотные колебания). Основными устройствами, ограничивающими вибронагруженность, являются подвеска и шины, а для пассажиров и водителя также упругие сидения [35].

Колебания автомобиля влияют практически на все основные эксплуатационные свойства машины: комфортабельность и плавность хода, устойчивость и управляемость и даже расход топлива.

Колебания возрастают с увеличением скорости движения, повышением мощности двигателя, существенное влияние на колебания оказывает качество дороги.

Колебания и вибрации в автомобилях являются источником шума, оказывая вредное воздействие на водителя, пассажиров и окружающую среду, возникают, прежде всего, при взаимодействии колес с поверхностью дороги. В результате прогиба пневматических шин и деформации подвески колеса и кузов совершают сложные колебания. По колебаниям колес судят об устойчивости и управляемости автомобиля. Колебания кузова непосредственно определяют плавность хода.

1.1.7 Надежность автомобиля

Свойство надежности является комплексным и включает в себя четыре базовых свойства:

1) Безотказность - это свойство автомобиля и его конструктивного элемента (КЭ) непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного времени или пробега.

Для оценки безотказности применяются следующие основные показатели:

· вероятность безотказной работы;

· вероятность отказа;

· плотности вероятности безотказной работы;

· средняя наработка до отказа;

· средняя наработка на отказ;

· интенсивность отказов;

· параметр потока отказов, ведущая функция потока отказов.

2) Долговечность - это свойство автомобиля сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, при установленной системе проведения работ технического обслуживания (ТО) и ремонта.

Для оценки долговечности применяют следующие основные показатели:

· средний ресурс и срок службы;

· гамма - процентный ресурс и гамма - процентный срок службы.

К базовым терминам долговечности относятся:

· наработка - продолжительность работы автомобиля или его КЭ;

· ресурс - суммарная наработка автомобиля или его КЭ от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние;

· срок службы - календарная продолжительность от начала эксплуатации автомобиля (его КЭ) или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

3) Ремонтопригодность или эксплуатационная технологичность - свойство автомобиля, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов (повреждений) и поддержанию (восстановлению) работоспособного (исправного) состояния путем проведения ТО и ремонтов.

Для оценки ремонтопригодности применяют основные показатели:

· вероятность восстановления;

· гамма - процентное время восстановления;

· среднее время восстановления;

· интенсивность восстановления;

· средняя трудоемкость восстановления.

Для характеристики ремонтопригодности автомобиля и его КЭ используется еще частные относительные показатели - легкосъемность и доступность.

4) Сохраняемость - свойство автомобиля сохранять показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения или транспортирования.

Для оценки сохраняемости применяют следующие основные показатели:

· средний срок сохраняемости;

· гамма - процентный срок сохраняемости;

На автомобильном транспорте эти показатели применяют для автомобилей при длительном их хранении (консервации), транспортировании; для материалов (масел, технических жидкостей, лакокрасочных покрытий и некоторых видов изделий и запасных частей - в первую очередь шин и аккумуляторных батарей) - при их хранении [31].



Выводы по главе 1 и постановка задач исследования

Эксплуатационные свойства автомобиля зависят от конструкции и его агрегатов, условий эксплуатации, качества топлива и смазочных материалов, технического состояния автомобиля и мастерства вождения.

Показатели работы подвижного состава характеризуют техническую готовность автомобиля, выпуск его на линию, использование на перевозках и продолжительность работы. Они необходимы для планирования и анализа работы автотранспортного предприятия, учета работы автомобилей, отчетности и оценки деятельности автотранспортного предприятия [25].

Современный этап развития теории эксплуатационных свойств характеризуется углубленным изучением отдельных особенностей эксплуатационных свойств, оценкой их в комплексе и оптимизацией показателей эксплуатационных свойств и технических параметров. Это позволяет на стадии проектирования автомобиля создавать наиболее рациональные конструкции, а при использовании обеспечить максимальную эффективность их применения в конкретных условиях эксплуатации [34].

Проведенный анализ позволяет сформулировать следующие выводы:

1) Из всех выделенных технико-эксплуатационных свойств, особого внимания в этой связи заслуживает проходимость, так как наряду с другими менее изучена, и это эксплуатационное свойство автомобиля до сих пор не имеет четкого определения.

Задачи исследования:

1) Разработать технические решения для повышения технико-эксплуатационных свойств автомобиля;

2) Отыскать технические решения, направленные на повышение профильной проходимости колесных машин.



Глава 2. Исследование проходимости автомобиля. Обзор состояния вопроса и постановка задач исследования

Проходимость, как качество автомобиля, до сих пор не имеет четкого определения. Некоторые специалисты под проходимостью подразумевают способность автомобиля двигаться по некачественным дорогам и бездорожью без застревания и буксования ведущих колес. Данное определение хоть и верно по сути, но недостаточно полно раскрывает это сложное понятие. Наиболее точным и правомерным следует считать следующее определение этого свойства.

Проходимость - эксплуатационное свойство автомобиля, определяющее его способность перевозить людей и грузы, свободно двигаясь в любое время года по разъезженным грунтовым дорогам, а также по грунтовой целине, снегу и участкам местности со сложным рельефом, состоящим из ям, рвов и гребневых препятствий без застревания и поломок деталей силового привода и подвески.

В отличие от автомобиля, предназначенного для соревнований, проводимых на бездорожье, задачей которого является как можно быстрее добраться до финиша и при этом не застрять и не поломаться, то есть пройти гонку, серийно выпускаемый автомобиль высокой проходимости должен не только иметь на бездорожье достаточную подвижность, но и обладать способностью производить полезную работу в сложных эксплуатационных условиях с максимальной эффективностью. Иными словами - работать на бездорожье, и работать длительное время, измеряемое десятками лет. И если взглянуть с этой позиции на проходимость, становится понятно, что свойство это комплексное и тесно связано с эксплуатационными свойствами, такими как прочность, устойчивость, надежность и многими другими. И проходимость в обязательном порядке должна рассматриваться в совокупности с ними, а не автономно. Например, на первый взгляд прочность никак не связана с проходимостью. Но сложно представить автомобиль с передней независимой подвеской колес, который с большим трудом прошел по тяжелому бездорожью 200 км в тайге и на 201- м застрял из-за того, что попавшее между колес бревно вырвало шрус или рычаг подвески. Недостаточная прочность конструкции явилась причиной потери проходимости.

Другой пример. Поперечной устойчивостью называется способность автомобиля противостоять силам, стремящимся вызвать его опрокидывание в плоскости, перпендикулярной его продольной оси. Кажется, какая тут связь с проходимостью? Между тем низкая поперечная устойчивость автомобиля может вызвать его опрокидывание при движении на косогоре, и, как следствие - обездвиживание.

Низкая надежность какой-либо детали силового привода автомобиля может привести либо к его полному обездвиживанию (например, поломка сцепления), либо к потере возможности подвести мощность к одному из ведущих мостов, что в условиях бездорожья равносильно обездвиживанию.

Инженеры, занятые проектированием автомобилей высокой проходимости, установили, что поступательное движение автомобиля в условиях бездорожья в первую очередь зависит от конструкции шины. У машины может быть мощнейший двигатель, способный развить очень высокий крутящий момент, ее трансмиссия может увеличить это значение в 30 и более раз, но этот огромный потенциал так и останется невостребованным из-за низкого значения силы сцепления колеса с дорогой. Величина этой силы зависит от двух основных факторов: части от общего веса автомобиля, приходящегося на колесо (сцепной вес) и коэффициента сцепления колеса с дорогой.

Потеря проходимости транспортного средства может быть полной или частичной. При полной потере проходимости автомобиль прекращает движение (часто применяемый синоним «застревает»). При частичной потере проходимости заметно снижается скорость его движения (по сравнению с нормальными дорожными условиями), возрастает путевой расход топлива.

Уже более 100 лет лучшие инженерные умы всего мира заняты поиском технических решений, направленных на повышение проходимости колесных машин.

Автомобиль может потерять проходимость из-за невозможности преодолеть сопротивление движению на поверхностях с низкой несущей способностью и в ухудшенных дорожных условиях, а также по причине задевания выступающими частями автомобиля за неровности поверхности. В соответствии с этим различают проходимость по деформируемым поверхностям и твёрдым дорогам в ухудшенном состоянии (опорная силовая проходимость) и проходимость при преодолении препятствий, обусловленных профилем поверхности движения (профильная геометрическая проходимость).



Глава 3. Экспериментальные исследования по оценке профильной проходимости заднеприводного и полноприводных автомобилей

3.1 Объект исследований

Объектом исследований являются заднеприводный автомобиль ВАЗ-2106, полноприводный автомобиль ВАЗ-2121, автомобиль полной массой 6000 кг с равномерным распределением массы по ведущим мостам, оснащенный шинами 16.00-20 (модель И-159).

3.1.1 Технические характеристики ВАЗ-2106

ВАЗ-2106 - советский и российский заднеприводный легковой автомобиль с кузовом типа седан, являющийся переоформленной версией ВАЗ-2103.

Основные характеристики автомобиля представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Основные характеристики автомобиля ВАЗ-2106

Параметр	Значение
Тип кузова	седан
Число дверей	4
Число мест	5
Эксплуатационные показатели
Максимальная скорость, км/ч	150
Разгон до 100 км/ч, с	17.5
Расход топлива (город / трасса / смешанный), л	10.1 / 8.2 / 9.5
Норма токсичности Euro:	euro 2
Двигатель
Объем двигателя,	1569
Тип топлива	бензин
Количество цилиндров	4
Система питания двигателя	распределенный впрыск
Расположение двигателя	спереди продольно
Число клапанов на цилиндр	2
Максимальная мощность, л.с./кВт/об/мин	75 / 5400
Максимальный крутящий момент, Н•м/об/мин	116 / 3200
Трансмиссия
Тип коробки передач	механическая
Количество передач	4
Тип привода	задний
Размеры
Длина, мм	4166
Ширина, мм	1611
Высота, мм	1440
Клиренс, мм	170
Ширина передней колеи, мм	1365
Ширина задней колеи, мм	1321
Колесная база, мм	2424
Объем багажника мин/макс, л	345
Объем топливного бака, л	39
Допустима масса, кг	1435
Снаряженная масса, кг	1035

3.1.2 Технические характеристики ВАЗ-2121

ВАЗ-2121 «Нива» - советский легковой автомобиль повышенной проходимости. Внедорожник малого класса с несущим кузовом и постоянным полным приводом.

Основные характеристики автомобиля представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 Основные характеристики автомобиля ВАЗ-2121

Параметр	Значение
Длина, мм	3740
Ширина, мм	1680
Высота, мм	1640
База, мм	2200
Колея передних колес, мм	1440
Колея задних колес, мм	1420
Масса в снаряженном состоянии, кг	1285
Полная масса автомобиля, кг	1610
Компоновочная схема автомобиля	расположение двигателя переднее, продольное
Тип кузова	универсал
Количество дверей	3
Тип двигателя	бензиновый, четырёхтактный
Система питания	распределенный впрыск с электронным управлением
Количество и расположение цилиндров	4 в ряд
Рабочий объём двигателя, см?	1690
Максимальная мощность, кВт /об/мин	59,5 / 5000
Максимальный крутящий момент, Н•м/об/мин	127,5 / 4000
Топливо	бензин
Расход топлива по ездовому циклу, л/100 км	10,8
Максимальная скорость, км/ч	142
Коробка передач	Механическая
Число передач	5 передних, 1 задняя



Список использованных источников

1. Автомобили. Качение колеса. Термины и определения. ГОСТ 17697-72.

2. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей/ Я. С. Агейкин. - М.: Машиностроение, 1981. - 231 с.: ил. - Библиогр.: с. 228-229.

3. Агейкин Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. - М.: Машиностроение, 1972.

4. Аксенов П.В. Многоосные автомобили: научное издание / П. В. Аксенов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989.

5. Бахмутов С.В., Безверхий С.Ф., Статистическая обработка результатов и планирование эксперимента при испытаниях автомобиля, - М.: МАМИ, 1994.- 87 с.

6. Бахмутов С.В., Лепешкин А.В., Шухман С.Б. Силовой привод колес многоосных машин: перспективы научного поиска оптимальных решений. - М., «Автомобильная промышленность», 2005, № 3. - с. 11-15.

7. Бахмутов С.В., Шухман С.Б., Коркин С.Н., Малкин М.А. Принципы автоматического управления гибкой трансмиссией полноприводного АТС // Автомобильная промышленность 2007. - № 2. - с. 14 - 17.

8. Беккер М.Г. Введение в теорию систем «местность - машина»: Пер. с англ. / Под ред. В.А. Гуськова - М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.

9. Бочаров Н.Ф., Семенов В.М. Влияние шин на неравномерность распределения крутящих моментов в трансмиссии многоприводных автомобилей // Известия вузов. Машиностроение. 1965. - № 6. - с. 27 - 31.

10. Ванцевич В.В., Высоцкий М.С., Дубовик Д.А. Управление трансмиссией. Регулирование мощности в движителе как средство управления динамикой колесных машин// Автомобильная промышленность. 2004. №1. - с. 10 - 12.

11. Вахламов, В.К. Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования/ В.К.Вахламов, М.Г.Шатров, А.А.Юрчевский; Под ред. А.А.Юрчевского. - М.: Академия, 2003. - 816 с.

12. Вездеходные транспортно - технологические машины. Основы теории движения/ Под общ. ред. В.В. Белякова и А.П. Куляшова. - Н.Новгород: ТАЛАМ, 2004. - 960 с.

13. Вольская Н.С. Оценка проходимости колесной машины при движении по неровной грунтовой поверхности: Монография. - М.: МГИУ, 2007.

14. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. - М.: Машиностроение, 1982. - 284 с.

15. Гладов Г.И., Петренко А.М. Специальные транспортные средства: испытания: учебник для вузов / Гладов Г.И., Петренко А.М.; ред. Гладов Г.И. М.: Гринлайт+, 2010. - 383 с.

16. Гришкевич А.И. Автомобили. Теория: Учебник для вузов.-Минск: Высшая школа, 1986.

17. Дьяков И.Ф. Теория автомобиля. Элементы расчета технико-эксплуатационных свойств автомобиля: Учебное пособие/ И.Ф. Дьяков. - 2-е изд., перераб. - Ульяновск: УлГТУ, 2002. - 99 с.

18. Есеновский-Лашков Ю.К., Котляренко В.И. Вездеходные транспортные средства для труднодоступной местности // Конверсия в машиностроении, 2000. - №4. - с. 43-49.

19. Ечеистов Ю.А. Распределение крутящих моментов по ведущим осям автомобиля с блокированным приводом. Автомобильная промышленность. - 1964. №2. - с. 15-17.

20. ЕЭК ООН № 79, ГОСТ Р 52302-2004, ОСТ 37.001.471-88.

21. ЕЭК ООН № 79, МС ИСО/ТР 3888-75, ГОСТ Р 52302-2004, ОСТ 37.001.471-88, ОСТ 37.001.487-89.

22. Зеленов К.А. Повышение тягово-сцепных свойств колесных полноприводных тракторов регулированием давления воздуха в шинах: Автореф. дис. канд. техн. наук. Саратов, 2003. - 24 с.

23. Зимилев Г.В. Теория автомобиля. М.: Машгиз, 1959. - 312 с.

24. Келлер А.В. Принципы и методы распределения мощности между ведущими колесами автомобильных базовых шасси/ А.В. Келлер, Н.А. Мурог. -- Челябинск: ЧВВАКИУ, 209. -- 218 с.

25. Кленников В.М., Ильин Н.М., Буралев Ю.В. Автомобиль категории «В». Издательство: М.: Транспорт; Издание 4-е, 1986. - 320 с.

26. Козлов B.C. Основы теории движения шагающей машины. Н.Новгород: Изд-во Н.НГТУ, 2001. - 154 с.

27. Конструирование и расчет колесных машин высокой проходимости / Н.Ф. Бочаров, И.С. Цитович, А.А. Полунгян и др.; под ред. Н.Ф. Бочарова и И.С. Цитовича. М.: Машиностроение, 1992. - 299 с.

28. Котляренко В.И. Основные направления повышения проходимости колесных машин: Монография. М.: МГИУ, 2008. - 285 с.

29. Кошарный Н.Ф. Технико-эксплуатоционные свойства автомобилей высокой проходимости / Н. Ф. Кошарный. - К.: Вища школа, 1981. - 208 с.

30. Кравец В.Н. Теория автомобиля. Учебное пособие. Издательство: Нижегородский государственный технический университет (НГТУ) имени Р.Е. Алексеева.

31. Кузьмин, Н.А. Техническая эксплуатация автомобилей: закономерности изменения работоспособности: учебное пособие / Н.А. Кузьмин / - М.: ФОРУМ, 2011. - 208 с.

32. Ларин В.В. Теория движения полноприводных колесных машин. Учебник для вузов. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - 391 с.

33. Лепешкин A.B. Математическая модель многоприводной колесной машины в общем случае ее движения // Материалы 49-й международной науч.техн. конф. Ассоциации Автомобильных Инженеров. - Часть 3. МГТУ «МАМИ». - М., 2005. - с. 138 - 158.

34. Литвинов A.C., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

35. Нарбут А.Н. Теория автомобиля: Учебное пособие: Часть 2/ МАДИ(ТУ). - М., 2001. - 36 с.