построить автомобиль своими руками

Создавая автомобиль, важно знать, какие внешние силы действуют на него во время движения, ибо одни помогают движению, а другие, наоборот, тормозят его. Эти вопросы изучаются в теории автомобиля, основанной на законах механики. Популярное изложение этих вопросов можно найти в книге Ю. А. Долматовского «Автомобиль в движении» (М. Транспорт, 1987) или в специальной литературе, рассматривающей вопросы теории автомобиля.

Как и почему движется автомобиль? Возьмем любую тележку на четырех колесах и поставим ее на горизонтальную поверхность. Она может оставаться неподвижной сколь угодно долго, т. е. будет находиться в состоянии покоя, как говорится в механике. Только внешняя сила может вывести ее из состояния покоя и заставить двигаться по поверхности. Когда тележка небольшая, такой силой может быть толчок рукой. Если толкнуть тележку рукой, т. е. приложить кратковременно действующую силу, она под действием этого импульса будет двигаться некоторое время, а затем, замедляя движение, остановится. Если толкать тележку более длительное время с той же силой или приложить силу, по величине большую первоначальной, движение будет более длительным и тележка пройдет по поверхности путь длиннее, чем в первый раз.

Какая же сила заставляет тележку замедлять движение и останавливаться? Такой силой является сопротивление качению колес тележки и трение в подшипниках осей или колес тележки. Выражается данная сила через реакцию дороги в точках соприкосновения колес с поверхностью, по которой движется тележка. Общую величину этих сил сопротивления движению можно определить и даже увидеть, используя для этой цели бытовые пружинные весы, которые в нашем случае будут являть-

ся динамометром, т. е. прибором, определяющим величину силы. Между тележкой и бечевкой, за которую будем перемещать тележку по поверхности, поместим пружинные весы ( 9). Тогда при движении тележки динамометр (весы) покажет значение общей силы сопротивления движению. Разделив это значение на количество колес, можно получить величину силы сопротивления движению для каждого колеса.

Если пренебречь силой трения в подшипниках осей тележки, то та сила, которую покажет динамометр, будет определять сопротивление качению. Не трудно убедиться, что указанная сила будет зависеть от массы тележки. Для этого достаточно на тележку поставить какой-либо груз и тогда динамометр покажет нам возрастание этой силы. Отсюда следует (если вместо тележки рассматривать автомобиль), что более тяжелый автомобиль должен иметь более мощный двигатель, чтобы преодолеть возрастающую силу сопротивления качению его колес.

Автомобиль с выключенным двигателем представляет собой обычную тележку на колесах. Следовательно, и у него при движении возникают силы сопротивления. Их можно определить. Сила сопротивления качению колес изменяется при изменении веса автомобиля и коэффициента сопротивления качению колес.

Если обозначить силу, которую можно зафиксировать на динамометре во время качения тележки Рк, массу тележки с грузом т (кг), а коэффициент, характеризующий силу сопротивления качению, f, можно записать равенство (в ньютонах) Рк = 9,8 mf.

Строго говоря, значение коэффициента сопротивления качению не остается постоянным, даже если рассматривать одну и ту же поверхность. Для тележки или автомобиля на пневматических шинах оно меняется в зависимости от внутреннего давления в шинах, скорости движения автомобиля, рисунка протектора шин и еще ряда факторов. Но влиянием этих незначительных величин в наших приблизительных расчетах будем пренебрегать.

Средние значения коэффициента сопротивления качению для дорог с различным покрытием и для автомобилей, оборудованных пневматическими шинами, известны и приведены в табл. 10. Зная значение этого коэффициента и примерную массу создаваемого автомобиля, нетрудно подсчитать силу сопротивления качению на дорогах с различным покрытием.

Рассмотренная выше сила не единственная в общем сопротивлении движению автомобиля. Помимо нее, действуют еще и другие силы, которые или тормозят движение автомобиля, как это происходит в результате действия силы сопротивления качению, или в определенных условиях, наоборот, помогают движению.

Во время движения автомобиля, особенно с большими скоростями, на него действует сила сопротивления воздушной среды. При невысоких скоростях движения эта сила настолько мала, что практически не оказывает значительного влияния на движение автомобиля. Однако с увеличением скорости сила сопротивления настолько возрастает, что не учитывать ее уже нельзя. Величина этой силы зависит не только от скорости движения, но и от лобовой площади движущегося автомобиля, а также от формы и шероховатости его поверхности. Факторы, влияющие на величину этой силы, характеризуются коэффициентом сопротивления воздуха, зная который, а также зная площадь лобового сечения, нетрудно определить значения силы сопротивления воздуха для различных скоростей движения.

Лобовая площадь F представляет собой площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную его продольной оси ( 10). Коэффициент обтекаемости Ка, зависящий от формы поверхности автомобиля и ее шероховатости, обычно определяется экспериментальным путем. При проектировании новых моделей автомобилей величину лобовой площади и коэффициента обтекаемости берут по аналогии с существующими конструкциями.

Среднее значение лобовой площади для легковых автомобилей лежит в пределах 1,4. 2,6 м2, а среднее значение коэффициента Кв — в пределах 0,3. 0,5. Для проектируемых небольших автомобилей значение лобовой площади надо брать меньше, а коэффициент сопротивления воздуха брать ближе к большей величине. Если известны ширина и высота создаваемого автомобиля, лобовую площадь для легковых автомобилей вычисляют по приближенной формуле F=0,775BH, где В — ширина, Н— высо-м автомобиля.

Есть II другие силы, действующие на автомобиль при его движении. В отличие от рассмотренных выше, которые всегда ЯВЛЯЮТСЯ силами сопротивления движению, эти силы могут и определенных условиях способствовать движению автомобиля,

являясь его движущими силами. К ним относятся сила тяжести на уклоне и сила инерции при замедлении хода.

Действие силы тяжести на уклоне хорошо известно каждому из нас. Идя по горизонтальной поверхности, мы не особенно ощущаем действие этой силы. Но вот дорога пошла в гору, идти стало труднее и на том же участке пути приходится затратить больше энергии, чем при ходьбе по ровной горизонтальной поверхности. На спуске же, наоборот, эта сила ускоряет наше движение. Теперь приходится прилагать усилие, чтобы замедлить движение, противодействовать этой силе.

П. Действие силы тяжести на подъемах и спусках

При движении по горизонтальному участку дороги сила тяжести не способствует движению, равно как и не тормозит его, если, конечно, не считать, что с увеличением самой силы тяжести возрастает сопротивление качению. На подъеме одна из составляющих этой силы, направленная вдоль дороги ( 11), становится силой сопротивления, затормаживая движение автомобиля. При спуске эта составляющая помогает автомобилю двигаться, становится движущей силой и очень часто может достичь такой

величины, что превзойдет все силы сопротивления пс своей величине, а автомобиль под действием этой силы начинает двигаться под уклон.

На подъеме значение угла а положительное, на спуске отрицательное.

Часто подъем на дорогах задается не в величине угла подъема, а в процентах, что соответствует тангенсу угла подъема. Для быстрого перевода одних величин в другие можно воспользоваться номограммой, приведенной на  12.

Другая сила, которая подобно силе тяжести может быть либо силой сопротивления движению, либо силой, движущей автомобиль,— сила инерции. Каждый из нас не раз испытывал ощутимое действие этой силы, когда совершал поездку на каком-нибудь виде транспорта. При резких торможениях, когда автобус, трамвай или другой вид транспорта замедляет скорость движения, мы отклоняемся вперед. И наоборот, при резком увеличении скорости эта сила заставляет нас непроизвольно отклониться назад. Чем резче изменение скорости движения, тем больше значение этой силы.

Точно так же действует сила и на автомобиль. При увеличении скорости сила инерции противодействует движению, являясь силой сопротивления разгону. При замедлении движения она выполняет роль движущей силы. При точных расчетах в теории автомобиля учитывают как силу инерции массы всего автомобиля, так и силы инерции вращающихся частей автомобиля, ускоряющих или замедляющих свое вращение. Если нам известно ускорение автомобиля, то можно подсчитать значение силы сопротивления разгона по формуле

где Ga — сила тяжести автомобиля, Н; / — ускорение, м/с2;

б — коэффициент учета вращающихся масс. Таким образом, в самых неблагоприятных условиях движения автомобилю необходимо преодолеть следующие основные силы сопротивления: сопротивление качению Рк; сопротивление воздушной среды Рв; сопротивление подъему Р и сопротивление сил инерции Р„ при увеличении скорости автомобиля.

Когда движущая сила уравновесит все силы сопротивления, движение автомобиля будет равномерным. Если же величина движущей силы будет больше суммы всех сил сопротивления, произойдет разгон автомобиля — увеличение его скорости.

Откуда же берется движущая сила? Работы двигателя еще недостаточно, чтобы автомобиль пришел в движение. Всем известно, что и при работающем двигателе автомобиль может оставаться на месте. Чтобы он начал движение, к нему должна быть приложена какая-нибудь внешняя сила. Автомобиль начнет двигаться, когда крутящий момент от двигателя будет подведен к его колесам, и только в том случае, если последние соприкасаются с дорогой.

Это легко показать наглядно. Возьмем колесико, посаженное на ось, и раскрутим его в воздухе. Под действием крутящего момента оно будет вращаться, не перемещаясь поступательно в пространстве. Но как только раскрученным колесиком коснуться поверхности, оно сразу же, если отпустить ось, будет перемещаться по поверхности, одновременно вращаясь.

Точно также и автомобиль. Если его поднять над дорогой, то при работающем двигателе и вращающихся ведущих колесах он останется на месте. Только тогда, когда автомобиль опустится на дорогу, его ведущие колеса, вращаясь, будут стремиться оттолкнуть назад дорогу. В результате взаимодействия поверхности протектора с дорогой в месте соприкосновения ведущего колеса с поверхностью возникает горизонтальная сила — реакция доро-

ги. Эта реакция дороги (реактивная сила) и является внешней силой, движущей автомобиль.

Само собой разумеется, что движение начнется тогда, когда возникающая на колесах реактивная сила, направленная вдоль оси автомобиля, превзойдет по своей величине сумму всех сил сопротивления движению или будет равна ей. Изменяя крутящий момент, подводимый к колесам, можно изменять реактивную силу. Чем больше будет крутящий момент, подводимый к ведущим колесам, тем больше по величине движущая сила. Но она не может возрастать беспредельно. Значение ее ограничено силой сцепления поверхности колеса с дорогой.

При достижении определенного значения, когда реакция дороги или равная ей движущая сила Рт достигнет предела, ограничиваемого сцеплением колес с дорогой, последние начнут проскальзывать. Тем самым подводимый к ведущим колесам крутящий момент не сможет быть реализован и дальнейшее его увеличение приведет лишь к возрастанию проскальзывания ведущих колес. Можно ли определить значение этой предельной силы Рт? Конечно. Вернемся вновь к тележке. Если заблокировать ее колеса, т. е. устранить возможность их проворачивания на оси, и снова тянуть тележку за бечевку, то на динамометре будет зафиксирована определенная сила. С увеличением массы тележки эта сила возрастает. Она также изменяется от того, по какой поверхности будет перемещаться тележка. Если рассматривать автомобиль как тележку, а коэффициент трения колес о поверхность учитывать через коэффициент сцепления, эту силу определяют по формуле PT = pGa, Н, где Ga — сила тяжести автомобиля, Н; ф — коэффициент сцепления.

построить автомобиль своими руками

Величина коэффициента сцепления зависит в основном от типа и состояния покрытия дороги. Другие незначительные факторы, оказывающие влияние на значение коэффициента ср, обычно не учитываются. В инженерных расчетах принимают среднее значение этого коэффициента, которое для основных типов дорожного покрытия указано в табл. 12.

Зная коэффициент сцепления и предполагаемую массу автомобиля, можно определить максимально возможную движущую силу по сцеплению или, как ее называют автомобилисты, тяговую силу Рт. Приравнивая значение этой силы на ведущих колесах к сумме сил сопротивления движению, получают уравнение тягового баланса Рт=Рк-\-Рв±РцЬРи-

Знак плюс перед силой Я, соответствует движению на подъем, а знак минус — на спуск. Знак плюс перед силой Р„ соответствует ускоренному движению, знак минус — замедленному.

Уравнение тягового баланса позволяет определить тяговую силу, когда известны силы сопротивления движению. С его помощью можно определять динамические качества автомобиля, к которым относятся максимальная скорость, ускорение, время разгона до определенной скорости и путь разгона автомобиля.

Используя уравнение тягового баланса, можно подобрать двигатель для проектируемого автомобиля и определить наибольшее сопротивление дороги, которое может преодолеть автомобиль данной конструкции, и максимально возможный подъем. Учет всех сил, действующих на автомобиль, позволяет заранее рассчитать эксплуатационные качества автомобиля. А это можно сделать, рассматривая не силу, а мощность.

Движение автомобиля происходит за счет мощности, получаемой от двигателя. Мощность карбюраторных двигателей изменяется в зависимости от скорости вращения коленчатого вала и от величины открытия дроссельной заслонки. Изменение мощности двигателя и его крутящего момента в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, полученное при полностью открытой дроссельной заслонке, называется внешней характеристикой двигателя. Внешняя характеристика строится по результатам испытаний двигателя.

При известных значениях максимальной мощности двигателя и частоты вращения коленчатого вала, соответствующей этой мощности, д„ах   можно графически построить примерную внеш-

нюю характеристику, используя данные табл. 13. Для этого значение известной максимальной мощности следует умножить на коэффициент  \ из данной  таблицы для  различных  отношений

На  13 показан пример внешней характеристики двигателя. График изменения мощности можно построить в зависимости не от частоты вращения коленчатого вала двигателя, а от скорости движения автомобиля. На  14 показаны примерные внешние характеристики некоторых мотоциклетных двигателей.

Уравнение тягового баланса автомобиля можно заменить мощностным балансом, если вместо сил учитывать, какая мощность потребуется для преодоления того или иного сопротивления движению. Потребная мощность всегда меньше развиваемой. Умножив мощность Л/е, развиваемую двигателем, на коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля, получим кривую изменения мощности на колесах автомобиля NT. Коэффициент полезного действия для легковых автомобилей принимается в пределах 0,90. 0,92. Если в конструкции автомобиля будут применены самодельные агрегаты трансмиссии, то КПД может достигать значения 0,85.

На  15 приведен примерный мощностной баланс автомобиля на прямой передаче. Нижняя кривая на графике представляет собой изменение мощности, необходимой для преодоления сопротивления качению в зависимости от скорости движения автомобиля. Вторая кривая представляет собой суммарную мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивления воздушной среды. На графике видно, что имеется точка, где суммарная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению, равна мощности на колесах автомобиля, т. е. вся мощность, подведенная к колесам, затрачивается только на преодоление сопротивления качению и воздуха. Эта точка соответствует максимальной скорости, которую может достичь данный автомобиль при равномерном движении на горизонтальном участке дороги. На скоростях меньше максимальной у автомобиля есть запас мощности, которую он может расходовать на разгон и на преодоление подъемов.

Теория автомобиля позволяет, зная, на какой дороге будет эксплуатироваться автомобиль и какую скорость желательно при этом иметь, определить необходимую мощность двигателя. И наоборот, зная мощность двигателя, принятого для конструирования, определить, какой максимальной скорости движения достигнет автомобиль.   .

Здесь полужирным шрифтом выделено условное обозначение ширины профиля в дюймах или миллиметрах; жирным — услов-

ное обозначение посадочного диаметра шины в дюймах, а число 70 обозначает отношение высоты профиля к ширине (%).

Зная диаметр обода Д„б и ширину накачанной шины В, через коэффициент профиля шины /Сш можно рассчитать наружный диаметр Днар = ДОб + 2/(шВ, принимая для обычных шин Кш = = 0,9. 1,05, для широкопрофильных /Сш = 0,4. 0,9; для низкопрофильных /Сш = 0,6. 0,78.

Размеры шин связаны с размерами колес, о чем будет сказано дальше.

Увеличение крутящего момента на колесах можно получить не только за счет изменения внешней характеристики двигателя, но и установив в трансмиссии автомобиля коробку передач, изменяющую общее передаточное число от двигателя к колесам. Но крутящийся момент, подводимый к колесам, нельзя увеличивать беспредельно. Существует предел, определяемый величиной сцепления колес с дорогой. Когда реакция дороги или равная ей тяговая движущая сила на колесах Рт достигнет определенной величины, свыше которой сцепление колес с дорогой нарушается, последние начнут проскальзывать. Тем самым подводимый к ведущим колесам крутящий момент не сможет быть использован и дальнейшее его увеличение приведет лишь к проскальзыванию (пробуксовке) колес. Значение этой предельной силы можно подсчитать, если известен коэффициент сцепления ф.

Динамический фактор зависит от скорости движения автомобиля и передаточного числа каждой передачи (табл. 15). Выраженная графически, такая зависимость называется динамической

характеристикой автомобиля ( 16). Количество кривых на таком графике соответствует числу передач автомобиля. При этом чем ниже передача, тем выше значение динамического фактора. Наиболее удобно пользоваться динамической характеристикой в случае равномерного движения, когда исключается сила инерции, и тогда £ф=ф, где г|) — коэффициент сопротивления дороги, учитывающий коэффициент сопротивления качению f и уклон /

Динамическая характеристика строится на основе внешней характеристики, когда двигатель автомобиля работает с полным открытием дроссельной заслонки. Если же прикрыть дроссельную заслонку и подать в цилиндры меньшее количество горючей смеси, мощность и крутящий момент двигателя изменяется. А следовательно, изменится и положение кривых на динамической характеристике. Таким образом, изменять крутящий момент, подводимый к колесам автомобиля, можно не только переключением передач,   но  и  уменьшением   количества  подаваемого  топлива.

В табл. 16 приведены некоторые параметры динамических характеристик отечественных легковых автомобилей.

Максимальные ускорения, которые развивают легковые автомобили, находятся в пределах: на первой передаче 2,0. 2,5 м/с2, на высшей передаче 0,2. 0,8 м/с2. На них и надо ориентироваться при конструировании собственного автомобиля .

Построив динамическую характеристику для разных передач, можно предварительно определить некоторые эксплуатационные свойства автомобиля, например минимальную скорость движения, или же решить обратную задачу — определить суммарное сопротивление дороги при движении автомобиля с заданной скоростью.

Для определения максимальной скорости автомобиля на участке с известным сопротивлением дороги достаточно провести на графике ( 16) прямую параллельно оси абсцисс (А—А).

Точка пересечения этой прямой с кривой динамического фактора на какой-либо передаче даст равномерное движение с заданной скоростью. Правая точка b при пересечении кривой в двух точках (а и Ь) будет соответствовать максимальной скорости, с которой автомобиль может двигаться на дороге с заданным сопротивлением 1|)2.

ного значения скорости va можно определить и характер движения автомобиля. Когда прямая, обозначающая сопротивление дороги, коснется кривой динамического фактора и точка касания (например, е) совпадает со значением принятой скорости, движение автомобиля, как уже отмечалось, будет равномерным и устойчивым. Если прямая пройдет ниже точек динамической кривой, то отрезок, заключенный между кривой динамической характеристики и линией, соответствующей сопротивлению дороги, укажет на избыток силы тяги и этот избыток будет способствовать разгону автомобиля. В этом случае движение последнего будет происходить с ускорением. Подробнее вопросы теории автомобиля можно найти в учебной литературе [4].

Можно определить величину максимального дорожного сопротивления ijjmax. которое автомобиль может еще преодолеть на данной передаче. Наибольшее значение дорожное сопротивление будет иметь в точке касания этой прямой с кривой динамического фактора на данной передаче. Скорость vK, соответствующая этой точке, называют критической скоростью по условиям тяги для данной передачи.

При скоростях движения автомобиля больше или меньше критической случайное повышение сопротивления движению потребует увеличения и динамического фактора, что возможно только при переходе на другую передачу. Отсюда следует, что движение автомобиля на любой скорости должно происходить с запасом динамического фактора, т. е. значение дорожного сопротивления ф при движении на любой из передач должно быть меньше значения £)фпм для этой передачи.

Динамическая характеристика позволяет анализировать движение автомобиля не только на горизонтальном участке дороги. При движении автомобиля на подъеме с известной величиной общее сопротивление движению будет складываться из сопротивления качению и сопротивления подъему. Таким образом, включая в общее сопротивление движению еще и влияние подъема, можно, как и при движении по горизонтальному участку, по динамической характеристике анализировать эксплуатационные качества автомобиля на участках дороги, где есть подъем. Зная максимальную величину динамического фактора на передачах и сопротивление качению, с помощью динамической характеристики можно определить, какой подъем в каждом конкретном случае сможет преодолеть автомобиль.

С помощью динамической характеристики можно узнать и ускорение автомобиля. Для этого на динамической характеристике следует провести прямую В — В, параллельную оси абсцисс, соответствующую заданному сопротивлению дороги, а затем прямую, параллельную оси ординат.

Колонка на 6х9 блинах .AVI

Описание video материала:
Описание отсутствует.