Курсовая работа: Синтез и анализ эксплуатационных параметров автомобиля

Введение

Эксплуатационными свойствами автомобиля, определяющими приспособленность его конструкции к эффективному использовании в реальных условиях, являются вместимость (пассажиро- и грузовместимость), использование массы, тяговая и тормозная динамичность, топливная экономичность, устойчивость, управляемость, маневренность, плавность хода, проходимость, надежность(безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость), безопасность.

Эффективность как безразмерное отношение эффекта (положительного результата) к соизмеримым затратам на его производство может быть энергетической и стоимостной (экономической).

Поскольку автомобиль является преобразователем химической энергии топлива и атмосферного воздуха через тепловой поток продуктов сгорания G_т Н_u в поступательное движение массы m_г водителя, пассажиров, грузов или специально оборудования по дрогам, улицам и местности с мгновенной рабочей скоростью u_а,, то его эффект можно измерить полезным импульсом m_гu_а и полезной мощностью N_a поступательного движения в автомобиле полезной массы m_г,, а энергетическую эффективность автоперевозок - коэффициентом полезного действия (КПД) автомобиля h_а. При этом полезную (транспортную) работу автомобиля должно определять интегрированием мгновенной мощности N_a за время t, а стоимостную эффективность автомобиля – отношением цены (тарифа) к себестоимости полезной (транспортной) работы, измеряемой в физических единицах (МДж) с учетом динамического фактора автомобиля по двигателю D_г и сцеплению jl, показателей дорожных условий (j, f, i) и режимов движения (+ j). Все эти показатели, необходимые для графического определения коэффициента буксования d и рабочей скорости u_а, можно синтезировать в динамическом паспорте автомобиля, разработанном и применяемом на кафедре «Тракторы и автомобили» Вятской ГСХА с целью прогноза энергетической и стоимостной эффективности автомобилей и тракторов. В не кафедральных литературных источниках такого динамического паспорта нет.

Расчет и построение графика динамического паспорта автомобиля (лист 2) возможны после предварительного анализа конструкции автомобиля и условий его использования (глава 1). Модель, прототип или альтернативную конструктивную схему автомобиля и предлагаемое предприятие студент выбирает сам с перспективой использования результатов курсового проектирования в дипломном проекте, как правило комплексном.

1. Анализ конструкции автомобиля и условий его использования

Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

В настоящее время на автомобилях используются главным образом поршневые двигатели внутреннего сгорания, приспособленные к устойчивому переносу мощности через трансмиссию к ведущим колесам в интервале частот вращения коленчатого вала от n_м при максимальном крутящем моменте М_{е max} до n_N при максимальной эффективной мощности

N_{e max} = M_eN w_eN = 0,105 M_eN n_N,                        (1.1)

где M_eN – крутящий момент при максимальной мощности, кНм;

Meн=0,36кНм.

w_eN – угловая скорость коленчатого вала при максимальной мощности, рад/с;

                                    (1.2)

Nemax=114,912кВт.

При эксплуатации автомобиля часть эффективной мощности N_e расходуется потребителями, неучтенными при стендовых испытаниях двигателя, а также не может быть получена из-за отличия реальных атмосферных условий от стандартных при снятии внешней скоростной характеристики на стенде. Поэтому при использовании стандартной внешней характеристики для расчета тягово-скоростных показателей автомобиля все значения N_e необходимо умножить на коэффициент коррекции k_p = 0,93 – 0,96.

Если реальной внешней характеристики двигателя в графической или табличной формах нет, но известны N_{e max}, n_N, М_{е max} и n_м, то после определения коэффициентов приспособляемости:

 (1,3)  

km=0,22

,      (1.4)

kw=1,68 а также коэффициентов:

, (1.5)

a=0,74

0,74

,      (1.6)

в=1,60

1,60

,        (1.7)

с= 1,34

можно определить текущие значения крутящего момента по эмпирической зависимости:

,                      (1.8)

М_е – текущие значения крутящего момента, кНм;

M_eN – крутящий момент при максимальной мощности, кНм; согласно (1.1)

 ;

n – текущие значения частоты вращения коленчатого вала, мин^-1; принимаем не менее шести удобных и по возможности равномерно распределенных значений, включая n < n_м; n = n_м, n = n_N и n > n_N;

k_p – коэффициент коррекции стендовой внешней характеристики, принятый из интервала k_p=0,93-0,96.

Текущие значения эффективной мощности определяем по формуле:

N_e = M_e w_e » 0,105 М_е n,                                    (1.9)

а текущие значения удельного расхода топлива из произведения:

g_e = g_eN k_n,                      (1.10) где:

g_e – текущее значение удельного расхода топлива, г/(кВт ч);

g_eN – удельный расход топлива при максимальной мощности N_maxг/(кВтч); принимаем из технической характеристики двигателя или из задания;

k_n – коэффициент влияния частоты вращения коленчатого вала на удельный расход топлива; определяем из графика [, с. 90] или из таблицы 1.

Таблица 1. Приближенные значения коэффициента k_n при отношениях:

При несовпадении значений отношения n/n_N табличные значения k_n интерполируем и уточняем при построении графика внешней скоростной характеристики двигателя на миллиметровой бумаге формата А4 (рис. 1), расчете эффективного КПД

                   (1.11)

и часового расхода топлива

G_t = 10^-3 g_e N_e,        (1.12)

где Н_u – низшая теплота сгорания топлива;

Н_u » 44 кДж/г –автомобильный бензин;

После графической проверки расчетных значений M_e, N_e, g_e, h_е и G_t, включая их регуляторные (дизели) и ограничительные (карбюраторные двигатели грузовых автомобилей) «ветви», составляет таблицу 2:

Таблица 2. Внешняя скоростная характеристика двигателя при k_р = 0,93

1.2 Прогноз условий автоперевозок

Прогноз условий автоперевозок целесообразно совместить с оценкой проходимости и пассажиро- или грузовместимости автомобиля.

Основными показателями дорожных условий являются приведенный коэффициент дорожных сопротивлений и коэффициент сцепления. Они входят в неравенство:

y < D_г < j_х l,              (1.13)

определяющее проходимость и тяговую динамичность транспортного средства, у которого часть массы lm_а действует на ведущие колеса, а часть массы (1 - l) m_а- на ведомые. У полноприводных автомобилей коэффициент нормальной нагрузки ведущих колес l = 1, а у автопоездов с неполноприводными тягачами коэффициент l << 1 и ограничивает их проходимость по скользким дорогам.

Согласно ГОСТ Р 50597 – 93 дорожное покрытие должно иметь коэффициент сцепления j > 0,4. Однако на гололеде и снежном накате коэффициент сцепления j < 0,25 и часто является причиной ДТП. Такое несоответствие дороги стандарту, определенное контрольным торможением или следственным экспериментом на месте ДТП, может обеспечить защиту прав его участников, в том числе возместить материальный ущерб и компенсировать моральный вред за счет дорожно-эксплуатационного предприятия, своевременно не устранившего зимнюю скользкость дороги.

Технические правила ремонта и содержания автомобильных дорог (ВСН 24 – 88) к основным транспортно-эксплуатационным показателям автомобильной дороги относят: обеспеченную скорость, пропускную способность, уровень ее загрузки движением, непрерывность, комфортность и безопасность движения, способность пропускать автомобили и автопоезда с осевой нагрузкой и грузоподъемностью (или общей массой), соответствующими категории дороги.

По техническому уровню, эксплуатационному состоянию и организации движения автомобильные дороги должны обеспечивать возможность безопасного движения одиночных автомобилей при благоприятных погодных условиях с максимальными скоростями, близкими к расчетным (К_рсэ ³ 1) соответствующей категории, установленной для эксплуатируемой дороги, утвержденной технической документацией. В неблагоприятных погодно-климатических условиях допускается снижение обеспечиваемой максимальной скорости по отношению к расчетной по СНиП 2.05.02 – 85, но не ниже значений, приведенных в таблице 1. ВСН 24-88. в курсовом проекте значение обеспечиваемой дорогой максимальной скорости u_од следует записать в таблицу 1 прогноза условий автоперевозок, а в главе 2 сравнить его со значением рабочей скорости автомобиля, требованиями п. 10.1 ПДД РФ, уровнем мастерства водителя, особенностями транспортного потока и среды.

Таблица 3 Ориентировочные значения показателей.

Вместимость автомобиля как его способность единовременно и качественно перевозить наибольшее количество пассажиров, грузов или специального оборудования можно оценить по значению коэффициента использования грузоподъемности:

,                     (1.14)

комфортности и безопасности пассажиров или количественной и качественной сохранности грузов и специального оборудования. При перевозке сыпучих грузов малой плотности лимитирующим показателем грузовместимости обычно является удельная объемная грузоподъемность

,                  (1.15)

где q_v – удельная объемная грузоподъемность, т/м³;

q - грузоподъемность, т;

V_к – объем кузова, м³;

r_г – плотность груза, т/м³.

При оценке основных эксплуатационных свойств автомобиля с помощью его динамического паспорта более удобным показателем вместимости является коэффициент полной нормальной загрузки. С учетом (1.15) расчетный коэффициент нормальной загрузки

,              (1.16)

где k_v - коэффициент использования объема кузова, обеспечивающий количественную и качественную сохранность груза.

При перевозке сыпучих грузов в бортовой платформе или кузове самосвала можно принять k_v » 0,95.

Вместимость затаренных грузов зависит от размеров тары и способа укладки и оценивается графоаналитически по схеме кузова, выполненной на миллиметровой бумаге формата А4.

Значения коэффициента нормальной нагрузки ведущих колес неполноприводного автомобиля в снаряженном состоянии l_о и полностью груженого l_q можно определить по данным технической характеристики как отношения массы, приходящейся на ведущие колеса, к общей массе (снаряженной или полной).

Все показатели таблицы 1. имеют широкие интервалы значений и для развития оперативной эрудиции требуют запоминания вместе с терминологической характеристикой дорожной обстановки. Например, обозначение 0,05 £ j £ 0,80 нижним пределом 0,05 характеризует очень скользкий гололед и наиболее сложные условия движения, а верхним пределом 0,80 – сухой шероховатой асфальтобетон и возможность движения одиночного автомобиля и расчетной скоростью. При этом коэффициент сопротивления качению 0,012 £ f £ 0,30 может иметь значение, близкое к его нижнему пределу, например 0,02, но не к верхнему 0,30, обозначающему переувлажненное поле во время уборки силосной массы, сахарной свеклы или картофеля с погрузкой при движении со скоростью менее 10 км/ч.

Достоверный прогноз условий автоперевозок может обеспечить их своевременность, экономичность и безопасность.

1.3  Составление кинематической схемы и расчет КПД трансмиссии

Кинематическую схему трансмиссии в стандартных обозначениях структурных элементов составляем на листе1 формата А1 по данным технического описания и каталога, выделяя все нагруженные детали и сопряжения, а также регулируемые в процессе эксплуатации и после ремонта.

Суммарную мощность, теряемую в трансмиссии, определяем по формуле

N_тр = (1 – 0,98^k×0,97^l×0,995^m) N_e + N_{тр o},            (1.13)

а КПД трансмиссии – по формуле

h_тр = 0,98^k×0,97^l×0,995^m – ,                          (1.14)

где k и l – число соответственно цилиндрических и конических или гипоидных зубчатых пар, через которое последовательно передается мощность;

m – число карданных шарниров, через которое передается мощность; m=4

N_{тр o} – мощность, теряемая в трансмиссии на холостом ходу, кВт; принимаем из интервала (о,03 – 0,05) N_emax.

Надежность и безопасность автомобиля, дороги и водителя

Надежность, включая в себя безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость, являются комплексным общетехническим свойством любого изделия, в том числе автомобиля, автомобильной дороги и улично-дорожной сети. Однако СНиП 2.05.02. – 85 и СНиП 2.07.01 -89* соответственно автомобильные дороги и улично-дорожные сети общетехнической надежностью не оценивают.

С учетом ГОСТ 27.002-89 надежность автомобиля – это свойство автомобиля сохранять во времени в установленных пределах знания всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции (транспортную работу) в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. автомобильные дороги и улично-дорожные сети могут иметь подобное определение своей надежности – свойства автомобильной дороги и улично-дорожные сети сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции (обеспечивать движение транспортных средств) в заданных режимах и условиях содержания, ремонта и эксплуатации. Однако одним определением безнадежные российские дороги и улично-дорожные сети в надежные без содержания, ремонта, реконструкции и строительства не превратить.

Безотказность автомобиля – это свойство автомобиля непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. При таком определении безотказность живучесть автомобиля – это свойство автомобиля сохранять ограниченную работоспособность при воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации, но возникающих в реальной эксплуатации на российских дорогах и улицах, а безопасность автомобиля - это свойство автомобиля не создавать угрозу для жизни и здоровья участникам дорожного движения в случае нарушения работоспособного состояния (отказа). Однако у конструктивного безопасного и технически исправного автомобиля отказ в форме неуправляемости траекторией и скоростью движения может возникнуть из-за предельно опасного состояния дороги, спроектированной и построенной согласно СНиП 2.05.02-85, но оледеневшей и недопустимо скользкой или имеющей засыпанные снегом просадки и выбоины на проезжей части и обочинах. Поэтому вероятную опасность автомобиля, дороги и среды как их объективную особенность создавать угрозу для жизни и здоровья водителя и других участников дорожного движения необходимо определить одинаково и синтезировать результаты их раздельного анализа в прогнозируемую вероятность опасностей динамичной системы ВАДС, исходно опасной, а не безопасной. Так называемая »конструктивная безопасность автомобиля» является рекламно-техническим термином, противоречащим юридическому определению автомобиля как средства повышенной опасности, особенно при управлении опасным водителем и движении по опасной дороге в опасной среде.

Проведенные в Англии исследования показали, что 80% водителей не совершают ДТП, 15% водителей совершают 70% всех ДТП, 5% водителей совершают 30% всех ДТП. Наши исследования показали, что 69% всех водителей не совершают ДТП, 12% совершают 33% всех ДТП, а 19% водителей совершают оставшиеся 67% ДТП» [ c. 139]. Следовательно, большинство безопасных водителей как-то обнаруживает опасности для движения и предотвращает ДТП, а меньшинство опасных водителей совершает ДТП, превращая себя и других в жертвы.

2. Расчет и построение динамического паспорта

При заданных модели автомобиля, скорости встречного или попутного ветра u_w=0 м/с и коэффициенте сцепления колес с сухим шероховатым покрытием j_ос исходными данными для расчета и построения графиков динамического (тягово-тормозного паспорта) паспорта на листе 2 формата А1 являются:

- грузоподъемность q=6 т;

- собственная масса в снаряженном состоянии m_о=4,3 т;

- коэффициенты нормальной нагрузки ведущих колес («развесовка»)

l_о=0,51 и l_q=0,75;

- радиус качения ведущих колес r_к=0,48 м, принимаемый равным статическому и динамическому радиусам;

- передаточные числа трансмиссии u_тр на всех передачах переднего хода;

- внешняя скоростная характеристика двигателя, рассчитанная в 1 и перенесенная в таблицу 4

При наличии действительных значений этих показателей задаваемая по желанию студента модель автомобиля и условия его использования могут быть любыми.

Теоретическую скорость u_т определяем расчетом при коэффициенте буксования d=0 на всех передачах и всех табличных значениях частоты вращения n.

Силу сопротивления воздуха Р_w при табличных значениях расчетной скорости u_т и заданной скорости u_w встречного (+) или попутного (-) ветра определяем по формуле

Р_w = k_w F (u_т ± u_w)²×10^-3,                                    (2.1)

где Р_w – сила сопротивления воздуха, кН;

u_т и u_w - скорости автомобиля и ветра, м/с;

k_w – коэффициент обтекаемости, Н с²/м⁴;

согласно [1, с. 42] k_w принимаем из интервалов:

- 0,20 – 0,35 – легковые автомобили;

- 0,45 – 0,55 – автобусы капотной компоновки;

- 0,35 – 0,45 – автобусы вагонной компоновки;

- 0,50 – 0,70 – грузовые автомобили с бортовой платформой и самосвалы;

- 0,55 – 0,65 – автоцистерны;

- 0,50 – 0,60 – автофургоны;

- 0,85 – 0,95 – автопоезда;

- 0,15 – 0,20 – гоночные автомобили;

F – площадь лобового сопротивления, м²; согласно [1, с. 42] определяем по формулам:

F = B Н_г – грузовые автомобили с шириной колеи передних колес В и габаритной высотой Н_г, м²;

F = 0,8 B Н_г – легковые автомобили с габаритной шириной В_г и габаритной высотой Н_г, м².

Рассчитанные по формуле (1.13) значения КПД трансмиссии h_тр заносим в таблицу 4.

Полную окружную силу ведущих колес Р_ко определяем по формуле

Таблица 4 Расчетная динамическая характеристика снаряженного автомобиля при факторе обтекаемости k_wF=22 Н с²/м² и скорости ветра u_w=0м/с

,              (2.2)

а динамический фактор автомобиля в снаряженном состоянии – по формуле

.                (2.3)

Эффективный КПД двигателя можно выразить и рассчитать по формуле при Н_u » 44 или 42,5 МДж/кг соответственно для бензинов и дизельных топлив всех марок.

График коэффициента буксования d строим по ориентировочным данным таблицы 5.

Таблица 5. Ориентировочные значения d при:

График коэффициентов сцепления шин с сухим (j_uс), мокрым (j_uм), мокрым и загрязненным (j_uмз) дорожным покрытием рассчитываем по соотношениям таблицы 6 с учетом экспериментальных данных Э.Г. Подлиха и заданного значения j_ос.=0,8

Таблица 6. Ориентировочные соотношения коэффициентов сцепления

Графики D_o = f (u_т) на всех передачах переднего хода у автомобилей с дизелями должны иметь регуляторные, а у грузовых автомобилей и автобусов с карбюраторными двигателями, - ограничительные «ветви» - наклонные прямые, плавно переходящие в кривые корректорных «ветвей», изображающих кратковременно допустимую перегрузку и начальный участок режима заглохания перегруженного двигателя. Построение этих графиков по данным колонок u_т и D_о в таблице 4 можно осуществлять в любой последовательности, но лучше начинать с номинальных значений (при N_{e max}), которые должны лежать на общей касательной гиперболе, описывающей динамические возможности автомобиля с ДПМ (дизелем постоянной мощности). Автомобильные дизели с обычной (положительной) коррекцией цикловой подачи топлива и, тем более, «двухрежимные» (с отрицательной при больших и положительной при малых частотах n (скоростях u_т) существенно отличаются от ДПМ в сторону меньшей приспособляемости к преодолению переменных дорожных сопротивлений y.

Тягово-тормозной паспорт автомобиля на листе 2 формата А1 проще строить последовательности:

- отступив от левого верхнего угла со стороной 841мм примерно на 50мм вниз и вправо, начертить левый квадрат 250х250мм, центральный прямоугольник 400х250 + 200 мм и правый прямоугольник 80х250 мм с общей верхней стороной 730мм;

разделить левое и центральные поля будущих графиков квадратной масштабной сеткой 50х50 мм, а правое поле - вертикалями через 20мм;

- нанести символы, значения и единицы измерения на шкалах:

d, D_o, j_u, y, l ® 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0;

j_хт ® 0, 2, 4, 6, 8,м/с² 10;

 ® 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0;

S_т 0,50; 100; 150; 200; 250; 300; 350м; 400;

Г ® 1, 2, 3, 4, 5;

u_а ® 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 м/с 40;

0, 18,36, 54, 72, 90, 108, 126 км/ч 144;

h_е ® 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4;

N_е ® 0, 50, 100, 150 кВт 200 (или иные значения, включающие N_{е, max} и удобные для отчета);

- повторить значения левой вертикальной шкалы на второй справа вертикальной шкале (при Г = 1) и ее нижний интервал 0 - 0,2 разделить на десять интервалов по 5 мм в каждом;

- разделить правую вертикальную шкалу (при Г = 5) на десять интервалов по 25мм в каждом и их границы соединить лучами с границами тех же интервалов на второй справа вертикальной шкале; нанести символ и значения правой вертикальной шкалы:

y ® 0, 0,02; 0,04; 0,06;…; 0,20;

- используя таблицу 2.1, построить на верхнем центральном поле кривые D_o = f(u_т), а под ними на нижнем центральном поле; - кривые N_е = f(u_т) и h_е = f(u_т) на всех передачах переднего хода;

- используя таблицу 2.3, построить на верхнем центральном поле кривые j_uс, j_uм и j_uмз = f(u_т); соединить лучами «сеточные» значения скорости u_а (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 м/с) с полюсом, имеющим координаты u_т = 0, D_o = 1,0,  = 1 и S_т = 0;

- используя таблицу 5, построить на левом поле кривую d = f; «сеточные» значения «второй» слева вертикальной шкалы, одинаковые со значениями 0,2; 0,4; 0,8; на левой шкале, соединить диагоналями с такими же значениями на верхней левой шкале, соединить диагоналями с такими же значениями на верхней левой шкале , а лучами, - с полюсом в нижнем левом углу, имеющим координаты j_хт = 10 м/с² и d, D_o, j_u, y, l = 0;

- используя данные технической характеристики, определить значения коэффициента нормальной нагрузки ведущих колес неполноприводного автомобиля l_о в снаряженном и l_q в полностью груженом состоянии, полученное значение l_о в масштабе левой вертикальной шкалы отложить на второй справа вертикальной шкале (при Г = 1), а l_q - на вертикальной шкале, проходящей через значение

Г_q = 1 + ;

полученные точки соединить прямой линией;

- принимая удобные для отчета и построения графика значения для отчета и построения графика значения Г_i > Г_q, рассчитать значения

                   (2.4)

и построить гиперболическую часть графика l = f(Г).

Графики j_хт = f (j_u, t), u_ат = f (j_хт, t) и s_тс = f (u_ат, t), характеризующие тормозную часть динамического паспорта автомобиля, строим после графоаналитического определения показателей эффективности автомобиля в тяговом режиме.

Графическое определение рабочей скорости и расчет показателей эффективности

Поскольку необходимое условие ускоренного и равномерного движения груженого автомобиля имеет вид

,                   (2.5)

а графики D_o = f (u_т) рассчитаны и построены при Г=1, то при любых значениях Г > 1 значения динамического фактора груженого автомобиля по двигателю

,                       (2.15)

сравниваемые со значением коэффициента y, можно определить по графикам D_o = f (u_т), изменяя масштаб их ординат в Г раз. Множество таких масштабов при фиксированных значениях y на правой шкале образует лучи – линии одинаковых значений D_г = y при разных значениях Г. Поэтому известные значения Г и y, отмечаемые соответственно на верхней (или нижней) и правой шкалах входными стрелками и последующими пунктирными линиями по вертикале и лучу до точки пересечения друг с другом, определяют ординату D_г, переносимую по горизонтальной пунктирной лини до пересечения с правой кривой D_o = f (u_т), и далее до правой шкалы левого поля. Эта точка на правой шкале (шкале времени в тормозной части паспорта) является первым «входом» D_г в график количественного учета буксования d = f (D_г/j_ul) в рабочей скорости u_а. Еще два «входа» в этот график (l и j_uс, j_uм или j_uмз) определяются проектированием по горизонталям точки пересечения вертикали Г с кривой l на правом поле точки пересечения графика j_uс, j_uм или j_uмз = f (u_т)с пунктирной вертикалью, проходящей через точку пересечения пунктирной горизонтали D_г с правой кривой D_o = f (u_т).

Таким образом, на правой шкале левого поля получается три входа в график количественного учета сомножителя (1 - d) в формуле (2.1). Этот сомножитель можно определить двойным графическим делением на левом поле: ординату D_г (делимое) спроектировать по горизонтали, а ординату j_u (делитель) – по лучу, точку их пересечения спроектировать по вертикали на верхнюю шкалу, полученный на ней промежуточный результат D_г/j_u перенести по диагональной сетке на правую шкалу, полученную ординату спроектировать по горизонтали до пересечения с лучом из ординаты l, а точку их пересечения спроектировать по вертикали до пересечения с кривой d. Эта точка делит проходящую через нее единичную вертикаль на нижнюю d и верхнюю (1 - d) части. Графическое умножение (1 - d) на значение u_т, определенное аргументом точки пересечения правой (или любой) кривой D_o с горизонталью ключа пользования, обеспечивает лучевая номограмма в верхней части центрального поля скоростей. Луч, уходящий в полюс из найденного значения u_т, аргументом точки пересечения с горизонталью, проходящей через значение d на кривой, определяет рабочую скорость u_а, а проходящая через нее вертикаль – значения N_e и h_е на нижней части центрального поля. Следовательно, при известной массе m_г все показатели формулы (2.4) оказываются известными и позволяют рассчитать значение КПД автомобиля h_а и себестоимость его полезной работы С_а по формуле (2.8). Однако до графического определения рабочих скоростей и последующего расчета показателей эффективности необходимо конкретизировать условия автоперевозок и задать соответствующие им состояния дорожного покрытия (j_uс, j_uм или j_uмз) и значения коэффициентов y и Г. Результаты такого графоаналитического прогноза эффективности автомобиля можно оформить таблицей 7.

Таблица 7 Прогноз эффективности автомобиля

В строке 1 условия перевозок можно принять наиболее благоприятными (y = f £ 0,02, Г = Г_q и j = j_uс), в строке 2 вместо i = 0 i_max, а в строке 3 экстремальными, но обеспечивающими условие. При этом ключ пользования на листе 2 можно изобразить стрелками и пунктирными линиями только для одного, наиболее важного варианта, обоснованного текстовой частью.

Значения экономических и эксплуатационных показателей (Ц_тм, а, Б_а, З_от, П_а, g, L, b) можно принять ориентировочными, в том числе а » 0,4, П_а = 0, g = b = 1 и j = 0.

3. Оценка динамичности автомобиля

Расчет, построение и анализ характеристик разгона

При заданных значениях коэффициентов Г и y текущие значения максимально возможных ускорений j = f(u_т) на всех передачах проще определять расчетом по формуле

                       (3.1)

после расчета значений коэффициента d_вр.

Для расчета текущих значений D_г, входящих в уравнение движения (3.1), достаточно переписать значения D_о из таблицы 4 в таблицу 8 и разделить их согласно (2.15) на заданное значение коэффициента нормальной загрузки автомобиля или автопоезда Г.

Текущие значения теоретической скорости u_т, соответствующие текущим значениям D_о, D_г и j, тоже надо переписать из таблицы 2.1 в таблицу 3.1 и использовать их при построении графика ускорений j = f(u_т) на листе миллиметровой бумаги формата А 4. После этого время t_p и путь s_p разгона можно определить графоаналитическим методом Е.А. Чудакова и Н.А. Яковлева.

Если часть шкалы скорости u_т для каждой передачи разделить на n = 5 – 7 удобных для отсчета одинаковых интервалов

u_n = u_n - u_n-1             (3.2)

со средними значениями скорости

u_{n ср} = 0,5 (u_n-1 + u_n),   (3.3)

то в каждом интервале и на всех передачах можно графически определить

средние ускорения

j_n,ср = 0,5 (j_n-1 + j_n),       (3.4)

а также время разгона

                 (3.5)

и путь разгона

S_n = u_n-1× + 0,5 j_n,ср ² = u_{n ср}×.          (3.6)

Таблица. Результаты графоаналитического определения характеристик разгона автомобиля ЗИЛ-431410 при Г =2,4, y = 0,02.

Тогда расчетное время разгона

t_p = ₁ + ₂ + … + ,                                  (3.7)

а расчетный путь разгона

S_p =S₁ + S₂ + …+ S_n.                                (3.8)

Однако в полученных расчетных значениях времени t_p и пути S_p разгона не учтены время и путь трогания с места при убывающей пробуксовке дисков сцепления, а также время и путь движения "накатом по инерции" при переключении передачи. Эти "потери времени и пути" количественно мало значимы, но их качественная сторона определяет операторское мастерство водителя и его влияние на основные свойства автомобиля, прежде всего проходимость, безотказность и долговечность.

Расчет, построение и анализ характеристик обгона

При движении обгоняющего 1 (рис. 3.2), обгоняемого 2 и встречного 3 автомобилей с постоянными скоростями u₁,=20м/с, u₂=15м/с и u₃=19м/с соответственно свободное расстояние на встречной полосе, необходимое для завершенного обгона, определяем по формуле:

,                             (3.9)

где S_св, S_об и S_з – соответственно расстояние свободное, обгона и проходимое встречным автомобилем за время обгона, м;

L₁=5и L₂=5– габаритная длина соответсвенно обгоняющего и обгоняемого автомобилей, м;

D₁ и D₂ – дистанции безопасности соответственно в начале и конце завершенного обгона, м.

"Согласно имеющимся данным, первая дистанция безопасности может быть представлена в виде функции скорости обгоняющего автомобиля

D₁ = а_об u₁² + 4,           (3.10)

D1=216м.

а вторая – в виде функции скорости обгоняемого автомобиля

D₂ = в_об u₂² + 4,           (3.11)

D2=112м.

где а_об и в_об – эмпирические коэффициенты, зависимые от типа обгоняемого автомобиля (таблица 9).

Таблица 9. Значения коэффициентов а_об и в_об

Вторая дистанция короче первой, так как водитель обгоняющего автомобиля стремится быстрее возвратиться на свою полосу движения и иногда "срезает угол", а также "вклинивается" в дистанцию D₃ между движущимися впереди "лидером", заменяя опасность встречного столкновения двумя попутными – спереди и сзади. На скоростных магистралях подобные попутные столкновения, обусловленные аварийным завершением обгона, иногда переходят во встречные с десятками и даже сотнями участников. Поэтому опытные водители вместо опасного и, тем более аварийного завершения обгона не начинают или прекращают его, возвращаясь на свою полосу движения не спереди, а сзади обгоняемого транспортного средства. Такой маневр, называемый незавершенным обгоном, можно разделить на три скоростных и временно-путевых этапа:

1.  Выезд на встречную полосу и движение по ней со скоростью u₁ за время t^' на пути обгона:

,                                  (3.12)

где е – переднегабаритное опережение (+), e=4 м.

t’=45,0c.

S’1=900,0м.

2.  Замедление до скорости

=  - j₁ t^'' <    (3.13)

n’1=10,2м.

и пропускание обгоняемого автомобиля вперед на пути отказа от завершения обгона

,                                  (3.14)

где К_э – коэффициент эффективности торможения; Кэ=1,2

 - минимально устойчивая скорость, согласно [, с. 53] = 3-5 м/с.

S’’1=769,4м.

3.  Возврат на свою полосу движения со скоростью  за время t^''' на пути возврата

,                        (3.15)

где  - путь, проходимый обгоняемым автомобилем за время

,                   (3.16)

t’’=5с.

; (3.17)

S’’2=75м.

D₂ – дистанция безопасности при отказе от завершения обгона и возврата на свою полосу из-за угрозы встречного столкновения;

D₂ » (15 – 20) м [, с. 54];

t^''' – время возврата на свою полосу;

.   (3.18)

t’’’=6,04с.

S’’’1=1537,2м.

При этом полный путь трехэтапного незавершенного обгона:

S_но=3206,6м.                                   (3.19)

и его время

t_но = t^' + t^'' + t^''' =56,04с. (3.20)

вместе со скоростью u₃ встречного автомобиля определяют минимальное свободное расстояние

,        (3.21)

необходимое для осуществления этого сложного и опасного маневра.

S’св=4271,4м.

Анализ, построение и расчет тормозной диаграммы

При заданном значении начальной скорости u_а=72км/ч тормозную диаграмму рассчитываем и строим в последовательности:

-  используя графики j_uс, j_uм и j_uмз на листе 2, определяем методом ординат с шагом 5 км/ч средние значения коэффициентов сцепления j_с, j_м и j_мз в интервале скоростей от нуля до заданной u_а;

-  выбираем значение времени реакции водителя t_р из ряда t_р = (0,6; 0,8; 1,0; 1,2 или 1,4) с, дифференцированного ВНИИСЭ;

-  принимаем допустимое ГОСТ Р 51709 – 2001 время срабатывания рабочей тормозной системы (РТС) t_ср и делим его на время запаздывания t_с = (0,1 – 0,2)с (РТС с гидроприводом) или t_с = (0,4 – 0,5)с (РТС с пневмоприводом) и время нарастания земедления t_н=t_ср-t_с;

-  определяем остановочное время на мокром и загрязненном покрытии по формуле

t_омз=t_р+t_с+0,5t_н+u_а/gj_мз (3.22)

и с учетом полученного значения составляем таблицу 10 для трех вариантов тормозной диаграммы – при средних значениях j_с, j_м и j_мз;

Таблица 10. Расчетные тормозные диаграммы

-  определяем остановочный путь на мокром и загрязненном покрытии по формуле:

s_омз=(t_р+t_с+0,5t_н)u_а+u_а²/gj_мз  (3.23)

и установившиеся замедления j_уст по формуле (3.49) при j_х = j_мз и К_э = 1; j_х = j_м и К_{э min}, j_х = j_с и К_{э mах};

- на листе миллиметровой бумаги формата А 4 на расстоянии около 100 мм от верхнего края проводим горизонтальную шкалу времени t и вертикальные шкалы j (верхнюю), u и s (нижние), выбираем удобные масштабы и строим графики j_с (t), j_м (t) и j_мз (t), ограничив их значениями остановочного времени t_ос , t_ом и t_омз, и приняв линейную зависимость нарастания от нуля до j_уст в интервале времени t_н;

-  определяем скорости u_н в конце нарастания замедлений по формуле

u_н=u_а–0,5j_устt_н (3.24)

при j_уст = j_с, j_м и j_мз, откладываем полученные значения на вертикали, проходящей через конец интервала t_н, полученные точки соединяем плавными кривыми с горизонталью u_а и расходящимися лучами с точками t_омз, t_ом и Ошибка! Ошибка связи. на горизонтальной шкале t;

- определяем прямолинейную часть графика пути за время реакции водителя и запаздывания РТС

s_рс=u_а(t_р+t_c)  (3.25)

и его криволинейные приращения за время нарастания замедления

s_н=0,5u_нt_н=0,5t_н(u_а–0,5j_устt_н) (3.26)

строим прямолинейно-криволинейное начало "веера" остановочных путей:

- определяем по графикам средние значения скоростей в секундных интервалах времени t_уcт, полученные значения заносим в таблицу 3.4 и складываем как секундные приращения s_мз, s_м и

s_с=u_а(t) с предыдущими значениями s_мз, s_м и s_с в колонках таблицы 10; по полученным значениям строим параболическую часть графиков остановочных путей;

-  из остановочного пути s_ос определяем тормозной путь:

s_т=s_ос-u_аt_p (3.27)

Sт=68,84081633

и сравниваем его с расчетным тормозным путем по приложению Д ГОСТ Р 51709 – 2001:

,  (3.28)

где s_т – тормозной путь, м;

u_о – начальная скорость торможения автотранспортного средства (АТС), км/ч;

j_уст – установившееся замедление согласно таблице Д 1, м/с²;

А – коэффициент, характеризующий время срабатывания тормозной системы, принимаемой из таблицы Д 1.

Таблица Д 1. ГОСТ Р 51709 – 2001

Sт=56,82м.

Однозначная количественная оценка долями единицы операторского мастерства водителя, конструктивного совершенства автомобиля и транспортно-эксплуатационных свойств дороги может быть получена из экспериментальных тормозных диаграмм. Графоаналитический вариант такой диаграммы, показанный на тягово-тормозном паспорте (см. рисунок 2.1), строим в последовательности:

-  на нижней левой шкале откладываем значение g=9,8м/с², переносим его на верхнюю левую шкалу и соединяем диагональной линией g с началом координат (D_о=0, j_хт=0, u_а=0, s_т=0) тормозной "части" динамического паспорта;

-  используя значения остановочного времени t_о, выбираем удобный масштаб, например с/см, и наносим на вторую слева шкалу значения времени торможения

t ® 0, 2, 4, 6, 8 с 10 или 0, 5, 10, 20 с 25;

-  учитывая высокую чувствительность организмом человека низкочастотных колебаний скорости продольных замедлений (ускорений) d j_x/d t, приспособленность правой ноги к малым частотам (1,7 – 2,5 Гц) и ограниченную скорость срабатывания тормозной системы, принимаем минимальную частоту импульсов 1Гц;

-  считая все значения коэффициентов сцепления j_uс реализованными при блокировке колес после "клевка", а не максимальными при коэффициенте юза s_кр, принимаем постоянные "размахи"

j_uс = j_{u, max}-j_uс£0,2 (3.29)

j_х = j_uс g £ 2 м/с²;

-  на шкале скоростей откладываем начальную скорость u_ао, проектируем ее значение по вертикали до пересечения с кривой j_uс, полученную точку пересечения проектируем по горизонтали до пересечения с g, а полученную на ней точку проектируем по вертикали до пересечения с линией нарастания замедления и шкальной j_хт соответствует реализованному при юзе значению коэффициента сцепления j_uс при начальной скорости u_а и согласно (3.61) может быть увеличено до максимального при j_хт/t=0 и уменьшено до минимального на ту же величину  j_хт при j_хт/t=0 в точке касания с вертикальной линией проектирования произведения j_uсg на шкалу j_хт;

-  определяем из построенного графика первого односекундного "клевка" среднее значение замедления

            (3.30)

и уменьшаем скорость u_ао на величину

u₁ = j_{1, ср} t₁             (3.31)

отложенную на горизонтали, уходящей вправо из j_{1, min} до пересечения с вертикалью, проведенной через значение начальной скорости u_ао,

- полученное значение скорости u_а1 в конце первого "клевка"

u_а1 = u_ао - u₁

считаем начальным, по нему графически определяем значение реализованного при юзе коэффициента сцепления j_uс и соответствующего ему замедления j_{2, ср} и уменьшения скорости u₂.

При выбранной частоте импульсов ("клевков") 1 Гц начальная скорость перед торможением

u_а= u_а =

удобно делится на n уменьшений u_а последовательно определяемых как средние замедления j_ср в интервалах времени t=1с.

Текущие приращения остановочного s_ос и тормозного s_тс путей s определяем

графически как половины средних значений скорости u_{а, ср} в полусекундных интервалах t.

Построение графиков j(t), u_а(t) и s_т(t) при других состояниях дороги, характеризуемых коэффициентами сцепления j_uм и j_uмз, аналогично.