Тема: Аналіз  системи  “колісний  трактор  (автомобіль) – опорна  поверхня – навколишнє  середовище

 1. Сили, що діють на колісний трактор або автомобіль.

2. Крутний момент двигуна і ведучий момент коліс трактора  (автомобіля).

3. Передатне число трансмісії.

4. Механічний коефіцієнт корисної дії трансмісії.

1. Сили, що діють на колісний трактор або автомобіль.Розглянемо  загальний  випадок  руху  машини  (трактора, автомобіля) на підйом  по верхні, розміщеній  під кутом  до горизонтальної площини (рис.41), з неусталеною швидкістю V і  навантаженням   на  гаку,  прикладеним  на  висоті    і  спрямованим  під  кутом   до  горизонталі.  Навантаження   змінюється  залежно  від  неоднорідності  грунту,  нерівності  поверхні  поля,  нестабільності  заглиблення  робочого  знаряддя,  швидкості  руху  та  інших  факторів.  В  даному  разі  на  машину  діють  сили  і  реакції  з  боку  опорної  поверхні,  повітряного  середовища,  двигуна та  гравітаційного  поля  Землі  (рис.41).

Сила  тяжіння   (вага)  машини  прикладається  в  центрі  її тяжіння  ,  положення  якого  визначається  двома  координатами:    поздовжньою  і  нормальною .  Перша  з  них  рівна  відстані  від  центра  тяжіння  до  площини,  що  проходить  через  вісь  обертання  ведучих  коліс  перпендикулярно  до  поверхні  дороги.  Друга – рівна  відстані  від  центру  тяжіння  опорної  поверхні  коліс.  Нормальна  і  поздовжня  складові  сили  тяжіння  відповідно  становлять    та 

В  центри  тяжіння  машини   також  прикладаються  результуюча  сила  інерції ,  яка  під  час  розгону  спрямована  протилежно  до  вектора  швидкості    прямолінійно-поступального  руху,  а  вразі  сповільнення – в  напрямку  руху.

                                               

де   - коефіцієнт  обертових  мас,  якій  враховує  збільшення  маси  машини   за  рахунок  інерції  деталей  двигуна,  силової  передачі  та  коліс,  що  обертаються; - прискорення  прямолінійно-поступального  руху  машини  та  вільного  падіння.

 

Рис.41.  Схема  сил,  що  діють  на  колісний  трактор  (автомобіль)  в  поздовжньо-вертикальній  площині

Сила  опору  повітря   прикладається  в  центрі  парусності,  який  практично  розташований  на  однаковій  висоті   з  центром  тяжіння  С.  Сила    залежить  від  площі,  форми  та  жорсткості  лобової  поверхні  машини  і  визначається  за  формулою

                                                

де   - коефіцієнт  обтічності,   - площа  лобової  поверхні,  тобто  площа  проекції  контуру  машини  на  площину,  перпендикулярну  до  напрямку  руху.

Рівнодійна    нормальних  реакцій  дороги  на  ведені  колеса  прикладається  на  відстані (вздовж  напрямку  руху) від  геометричної  осі  ведених  коліс,  перпендикулярно  до  напрямку  переміщення  машини  і  створює  момент  опору  коченню ведених  коліс

Рівнодійна      нормальних  реакцій  дороги  на  рушії  машини  зміщена  в  напрямку  руху  від  осі  обертання  ведучих  коліс  на  відстань   . Вона  спрямована  на  нормалі  до  опорної  поверхні  і  створює  момент   опору  коченню  ведучих  коліс

Сила  опору  коченню    машини  діє  паралельно  до  напрямку  руху  і  дорівнює  сумі    Сили    та  прикладаються  в  зоні  контакту  коліс  з  опорною  поверхнею  і  зміщенні  відповідно  на  відстані   та   від  геометричної  осі  ведучих  і  ведених  коліс.  Сила  опору  коченню  зумовлена  незворотними  деформаціями  дороги,  гістерезисними  втратами  пневмошинах  і  втратами  на  тертя  під  час  ковзання  коліс  по  опорній  поверхні.

Сили    визначається  з  виразу

                                            

де  - коефіцієнт  опору  коченню  машини,  який  залежить  від  типу  та  стану  дороги,  конструкції  ходової  системи  трактора  чи  автомобіля.

Дотична  сила  тяги    ведучих  коліс  машини – це  рівнодійна   реакцій  опорної  поверхні,  які спрямовані  вздовж  напрямку  руху,  паралельно  вектору  швидкості .  Сила    виникає  в  зоні  контакту  кожного  ведучого  колеса  з  опорною  поверхнею  на  відстані   від  його  осі  як  реакція  на  частину  колового  зусилля   плече дії якого

Різниця  сил    дорівнює  штовхаючій  силі   яка  прикладається  до  осі  ведучих  коліс  машини.

Максимальне  значення  дотичної  сили  тяги    називають  силою зчеплення    ведучих  коліс  (рушіїв)  з  опорною  поверхнею.

                                          

де   - коефіцієнт  зчеплення рушіїв  з  опорою.

Проміжне  значення  дотичної  сили  тяги  дорівнює

                                           

де  - коефіцієнт  використання  зчіпної  сили  тяжіння 

2. Крутний момент двигуна і ведучий момент коліс трактора  (автомобіля). Крутний  момент  двигуна    який  передається  через  трансмісію  до  рушіїв  (коліс,  гусениць),  забезпечує  рух  трактора  за  умови  усталеного  навантаження,  тобто:  сили  опору  руху    постійні  в часі;  відсутні  кутові  коливання  мас  двигуна,  шестерень  і  коліс,  що  обертаються.

Ведучий  момент   який  передається  трансмісією  мобільної  машини  і  приводиться  до  осей  ведучих  коліс,  та  пропорційну  йому  дотичну  силу  тяги    можна  визначити  за  формулами

                                            

                                              

де   - крутний  момент  двигуна;  - передатне  число  трансмісії;  - коефіцієнт  корисної  дії  трансмісії.

Момент  двигуна   набуває  певних  значень  залежно  від  потужності,  що  споживається,  та  від  частоти  обертання  колінчастого  вала.  Через  те,  що  тракторні  і  автомобільні  дизельні  двигуни  обладнані  регуляторами  частоти  обертання,  дослідження  в  теорії  трактора  і  автомобіля  базується  на  регуляторних  характеристиках  дизельних  двигунів  і  швидкісних  характеристик  автомобільних  карбюраторних  двигунів (рис.42, 43).

Ділянки  кривих  характеристик  (рис.42, а),  які  відповідають  роботі  двигуна  в  діапазоні  частот  обертання  від  до  називають  регуляторними.  Ці  ділянки   кривих  потужності   і  крутного  моменту   подані  похилими  прямими.

Ріст  зовнішніх  опорів  приводить  до  навантаження  двигуна  і  супроводжується  інтенсивним  зменшенням  частоти  обертання  колінчастого  вала.  При  перенавантаженні  двигун  працює  без  регулятора  (якщо  не  враховувати  вплив  коректора),  тому  ділянки  кривих  характеристики,  що  розташовані  зліва  від  точки  , називають  пере навантажувальними  або  без  регуляторними.

На  перевантаженнях  крутний  момент  двигуна  спочатку  продовжує  зростати,  переважно,  під  дією  коректора,  який  збільшує  (в  міру  зменшення  частоти  обертання)  циклову  подачу  палива  в  циліндри.  На  частоті  обертання    крутний  момент  двигуна  досягає  максимального  значення  . В  разі  зменшення  частоти  обертання,  крутний  момент  зменшується  через  погіршення  умов  проходження  робочого  процесу.  Крива  ефективної  потужності  на  перенавантажувальній  ділянці  характеристики  іде  вниз.

Ділянки  характеристики,  що  лежать  лівіше  від  точки    і  відповідають  зниженню крутного моменту,  слід  вважати  неробочими.  На  них  двигун  працює  нестійко  і  в  разі  додаткового  перевантаження  може  заглохнути.

                         в)

Рис.42. Регуляторна характеристика дизельного  двигуна у функції від частоти  обертання колінчастого вала (а),  ефективної потужності (б), крутного моменту (в).

Рис. 43. Швидкісна  характеристика карбюраторного  двигуна, знята за умови повного відкриття  дросельної  заслінки.

 

Регуляторні  характеристики,  побудовані  у  функції  від  частоти  обертання,  незручності  для  користування  тому,  що  регуляторні  ділянки  кривих  розташовані  на  незначному  відрізку  осі  абсцис.  Це  утруднює  аналіз  завантаження  двигуна  та  його  економічності  на  основних  робочих   режимах.  Тому  регуляторні  характеристики  тракторних  двигунів  будують  переважно  в  функції  від  ефективної  потужності  двигуна  (рис.42,б).

Для  тягових  розрахунків  трактора  іноді  використовують  регуляторні  характеристики,  побудовані  в  функції  від  крутного  моменту (рис.42,в). Таке  зображення  регуляторної  характеристики  дозволяє  встановити  зв'язок  між  крутними  моментами  і  частотою  обертання  вала  двигуна,  з одного  боку, і відповідно,  тяговими  зусиллями  руху  трактора – з  іншого.

У деяких  умовах  експлуатації  двигун  не  може  бути  завантажений  з  достатньою  повнотою  на  номінальному  швидкісному  режимі.  Тоді  доцільно  знизити  частоту  обертання  вала не завантаженого  двигуна  з  одночасним  увімкненням  вищої  передачі,  щоб  зберегти  необхідну  швидкість  руху.  На  пониженій  частоті  обертання  вала  двигуна  працює  економічніше,  з  меншою  питомою  витратою  палива.

На рис.43 наведенашвидкісна характеристика  автомобільного  карбюраторного  двигуна,  знята  для  випадку  повного  відкриття  дросельної  заслінки.  Суцільними  лініями  винесені  залежності  ефективної  потужності  ,  крутного  моменту   та  ефективної  питомої  витрати  палива  .  Пунктирні  ділянки  залежностей  показують,  як  змінюється  ефективна  потужність,  крутний  момент,  питома  витрата  палива  в  разі  наявності  обмежувача  обертів.  Характеристика   свідчить,  що  обмежувач знижує  максимальну  потужність  двигуна  від  значення     до  ,  а  частоту  обертання  вала  двигуна  від   до  .  Максимальне  значення  моменту    розташоване  на  характеристиці  лівіше  від  найбільшої  ефективної  потужності  і  реалізується  на  частоті  обертання  .  Зміщення  точки   максимального  моменту  відносно  точки  найбільшої  потужності  зумовлене  головним  чином  тим,  що  зі  зменшенням  частоти  обертання  вала  покращується  наповнення  циліндрів  паливною  сумішшю.  Зростання  крутного  моменту  припиняється  внаслідок  погіршення  умов  зростання  палива.

Щодо  впливу  характеристики  двигуна  на  динамічні  властивості  трактора  та  автомобіля,  то  тут  суттєве  значення  має  зростання  крутного  момента  двигуна  з  одночасним  зниженням  частоти  обертання  колінчастого  вала  на перевантаженнях.  Очевидно,  що  це  підвищує  пристосовність  двигуна  до  роботи  в  умовах  змінного  навантажувального  режиму.

Відношення

                                                 

називається  коефіцієнтом  пристосованості  двигуна  за  крутним  моментом,  а  співвідношення

                                              

коефіцієнтом  запасу  крутного  моменту  двигуна

У  дизельних  тракторних  двигунах,  регулятори  яких  не  мають  коректора,  коефіцієнт  пристосовуваності  лежить  в межах   З  метою  його  підвищення до   регулятори  дизельних  двигунів  обладнують  коректорами,  які  на перевантаженнях  двигуна  збільшують  циклову  подачу  палива.

Коефіцієнт  пристосованості  двигуна  до  зміни  навантажувального  режиму  (за  обертами)  визначаються  за  співвідношенням

                                                

Його  зростання  підвищує  здатність  двигуна  долати  короткочасні  перенавантаження  за  рахунок  інерції  маховика,  колінчастого  вала  та  інших  рухомих  деталей  двигуна.  Значення  коефіцієнта    для  тракторних  дизелів  лежить  в межах  .

В  автомобільних  карбюраторних  двигунів,  що  не  мають  регуляторів  частоти  обертання,  коефіцієнти  пристосовуваності  за  моментом  та  обертами  відповідно  дорівнюють   

Застосування  обмежувачів  обертів  дещо  зменшує  значення  вказаних  коефіцієнтів.

З  графіків,  наведених  на  рис.60,  видно,  що  найбільшій  потужності  і  найменшій  питомій витраті  палива  двигуна  відповідає  номінальне  значення  крутного моменту   .  Тому  доцільно,  щоб  двигун  працював  на  режимах,  де  його  крутний  момент  розміщений  у  вузькому  діапазоні,  близькому  до .

Тобто

                                   

де  - мінімально  допустимий  коефіцієнт  використання крутного  моменту  двигуна  ().

При  виконані  умови  (11)  і  постійному  передатному  числі  трансмісії  дотична  сила  тяги,  що  забезпечується  двигуном,  змінюється  в  межах:

                                                         

Проте  середнє  значення  тягового  опору   робочих  знарядь,  в  тому  числі  транспортних  причепів,  перебувають  в  широких межах, що зумовлено різноманітністю сільськогосподарських  знарядь,  змінного  тиску  і  стану  доріг.

В  будь-якому  разі  повинна  виконуватись  умова

                                                       

Таким  чином,  при  незначній  зміні  крутного  моменту  двигуна,  значення  ведучого  моменту  і  дотичної  сили  тяги  повинні  відповідати  різним  тяговим  опорам  сільськогосподарських  знарядь,  з  якими  агрегатується  трактор.  Ця  вимога  забезпечується  підбором  передатного  числа  трансмісії  трактора,  а  також  перемиканням  передач  залежно  від  виду  знаряддя  і  опору  руху.

В  реальних  умовах   експлуатації  мобільних  агрегатів  на  трактор  діє  неусталене  (змінне  в  часі)  навантаження  в  наслідок  неоднорідності  складу  ґрунту,  нерівностей  поверхні  рельєфу  доріг  і  поля,  неврівноваженості  двигуна  і  коліс.  Обертання  колінчастого  вала  двигуна,  шестерень,  трансмісії  і  коліс,  а  також  поступальний  рух  трактора  і  знарядь  проходить  нерівномірно,  а  з  прискоренням  або  сповільненням.

Отже,  при  неусталеному  навантаженні  ведучий  момент  і  дотична  сила  тяги,  що  забезпечується  двигуном,  неможливо  підрахувати  за  формулами  (6)  і  (7),  в  яких  невраховані  інерційні  моменти  і  сили.

Під  час  визначення  ведучого  моменту  в  режимі  неусталеного  руху  допускається, що  контакт  коліс  з  грунтом  є  жорстким;  динамічна  машина  є  одномасовою  (рис.44).

Рівняння руху  такої  моделі  записується  у  вигляді

                                                                

де  - зведений  до  осей  ведучих  коліс  момент  інерції  всіх  мас  машини,  що  рухаються  поступально  й  обертаються;   - момент  сил  опору  руху  машини;  - зведений  крутний  момент  двигуна.

Рис.44.  Схема  одно  масової  моделі  трактора  (автомобіля),  що  рухається  в  неусталеному  режимі

Зведений момент інерції дорівнює

                                          

де  - маса  трактора  та  знаряддя,  що  агрегатується  з  ним; - динамічний  радіус ведучих  коліс;  - зведений  момент  інерції  всіх  мас,  що  обертається.

На  неусталеному  режимі  роботи  ведучий  момент   визначається  за  формулою

               

або

                                    

де  - коефіцієнт  обертових  мас  машини

                                        

Вираз  (17)  свідчить,  що  для  неусталеного  навантаження  ведучий  момент    відрізняється  від  ведучого  моменту  усталеного  руху  на  величину  .  Це  треба  мати  на  увазі,  коли  розраховують  елементи  трансмісії  і  ходової  частини  на  міцність.

 

3. Передатне число трансмісії. Важливим  фактором,  який  впливає  на  ведучий  момент, є  передатне  число  трансмісії

                                                    

де ,- частота  обертання  двигуна  і  ведучих  коліс.

Передатне  число   залежить   від  опору  робочої  машини;  продуктивності  (робочої  швидкості)  машинно-тракторного  агрегату  (автопоїзда).

Спосіб  досягнення  необхідного  передатного  числа    залежить  від  типу  трансмісії,  яка  може  забезпечувати  перехід  від  одного  передатного  числа  до  іншого  ступінчасто  або  безступінчатого  (неперервно),  з  розривом  або  без  розриву  силового  потоку.

У разі  розриву  силового  потоку  для  переходу  з  однієї  передачі  на  іншу  двигун  від’єднується  від  трансмісії  за  допомогою  головної  муфти   зчеплення.  Переміщенням  рухомих  шестерень  в  коробці  передач  змінюється  передатне  число,  після  чого  головною  муфтою  зчеплення  двигун  підєднується  до  трансмісії.  Такий  підбір  передатного  числа  супроводжується  сповільненням  або  зупинкою  мобільної  машини,  зміною  ведучого  моменту та  інтенсивним  спрацюванням  торців  шестерень,  що  перемикаються.

Якщо  через  трансмісію  неперервно  передається  крутний  момент двигуна  за  допомогою  головної  муфти  зчеплення,  нерухомі  в  осьовому  напрямку  шестерні  коробки  передач  з’єднуються  з  валами,  що  обертаються,  за  допомогою  багатодискових  функціональних  муфт.  В  даному  разі  торці  зубів  шестерень  не  спрацьовують  і  різко  зменшується  динамічне  навантаження  на  них.

 4. Механічний коефіцієнт корисної дії трансмісії. На  значення  ведучого  моменту  впливає  механічний коефіцієнт  корисної  дії (к.к.д.) трансмісії,  Що  враховує  в  основному  втрати  на  тертя  і  перемішування  мастильного  матеріалу.  Він  залежить  від  числа  пар  зубчастих  передач.  Що  перебувають  в  зачеплені;  типу  шестерень;  типу,  конструкції  і  числа  опор,  в  яких  обертаються  вали;  в’язкості,  кількості  та  рівняння  мастильного  матеріалу;  частоти  обертання  валів;  лінійної  швидкості  шестерень.

Механічний  коефіцієнт  корисної  дії  трансмісії  визначається,  як  добуток

                                    

де  - к.к.д., що  враховують  відповідно  втрати  холостого  ходу  та  втрати  на  роботі  під  навантаженням.

Коефіцієнт  втрат  холостого  ходу

                                 

де - приведений  до  колінчастого  вала  двигуна  моменту  опору,  що виникає на режимі його холостого прокручування; - коефіцієнт,  який враховує частку моменту холостого ходу від номінального крутного  моменту  двигуна (=0,03-0,05).

Додаткові втрати  енергії, зумовлені роботою під  навантаженням,  пропорційні  діючому  навантаженню. Найбільш  суттєві  з  них – втрати  в зачепленні  шестерень.  Тому  значення   коефіцієнта     з достатнім  наближенням  можна  розрахувати  за  формулою

                                      

де -  к.к.д.  циліндричної  та  конічної  пар  шестерень; - число  пар  циліндричних  та  конічних  шестерень,  що  перебувають  взачеплені.

Для  сучасного  рівня  виготовлення  шестерень  трансмісії    

Підстановка  (21)  і (20) дозволяє  отримати  механічний  к.к.д   трансмісії.

                                      

Механічний  к.к.д  автомобільних  і  тракторних  передач  шестеренного  типу  на  навантаженнях,  що  близькі  до  паспортних  значень,  лежать  в  межах  0,88-0,93. Це  означає,  що  7-12%  потужності  двигуна  тратиться  на  подолання  тертя,  переміщування  і  ремонту  може  призвести  до  збільшення  вказаних  втрат,  тобто  до  зниження  реального к.к.д  трансмісії.