ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «Т ЕОРИЯ АВТОМОБИЛЯ И ТРАКТОРА » курс лекций для студентов направления подготовки 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические. - презентация

1 ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «Т ЕОРИЯ АВТОМОБИЛЯ И ТРАКТОРА » курс лекций для студентов направления подготовки «Наземные транспортно-технологические средства» специализации «Автомобили и тракторы» Составитель: Перегудов Н.Е.

2 «Теория автомобиля и трактора» является одним из основных теоретических курсов подготовки инженера по специальности «Автомобиле- и тракторостроение». Содержание дисциплины частично изменяется вместе с развитием мирового и отечественного автомобиле- и тракторостроения, но основные законы движения автомобиля и трактора остаются неизменными. «Теория автомобиля и трактора» обобщает знания об эксплуатационных качествах и свойствах автомобилей и тракторов, оценках и закономерностях их изменений, методах определения и изучения их. В процессе изучения дисциплины предполагается получение студентами углубленных профессиональных знаний, умений и навыков выбирать основные параметры автомобилей и тракторов с целью повышения производительности, совершенствования конструкции и обеспечения потребительского спроса на те или иные тяговые транспортные средства. Освоение дисциплины подготавливает студента к решению профессиональных задач в проектно- конструкторской, организационно-управленческой, научно-исследовательской деятельности и в сфере ремонта и технического обслуживания машин. Введение

3 Модуль 1. Основные сведения об эксплуатационных качествах и свойствах автомобилей и тракторов и их двигателях Лекция 1.1. Введение Цели и задачи курса «Теория автомобиля и трактора» Трактор или автомобиль это сложная машина, и требования, предъявляемые к ней, настолько разнообразны, что для их удовлетворения необходимо наличие ряда эксплуатационных качеств и свойств. Эти качества и свойства в совокупности должны характеризовать эффективность работы трактора и автомобиля в тех или иных условиях. «Теория автомобиля и трактора» - одна из дисциплин, изучающая эксплуатационные качества и свойства машин. Основными задачами теории автомобиля и трактора являются: а) выбор и характеристика важнейших эксплуатационных качеств и свойств; б) исследование влияния, оказываемого на них, различными конструктивными и эксплуатационными факторами; в) обоснование измерителей, которые позволяют объективно оценивать эксплуатационные качества и свойства; г) разработка методов определения этих измерителей. Технический прогресс базируется на изучении конструкций выпускаемых машин, обобщении опыта их эксплуатации и учёте потребительского спроса на них. В этих условиях значение теории автомобиля и трактора особенно велико, так как она даёт научно обоснованные критерии для объективной оценки эксплуатационных качеств и свойств машин, находящихся в производстве, для разработки технических требований на новые конструкции, а также для проведения испытаний экспериментальных образцов по соответствующей методике. В теории автомобиля и трактора изучаются общие закономерности процесса преобразования энергии двигателя в движущее усилие самоходной установки, предназначенной, в основном, для выполнения работ с помощью силы тяги на крюке или для перевозки грузов, а также рассматриваются законы движения её. Для правильного использования конечных выводов теории необходимо подробное изучение основных предпосылок и глубокое проникновение в физическую сущность изучаемого явления. В конечном счёте, задача теории автомобиля и трактора, а, следовательно, и цель данного курса, заключается в создании и освоении научных основ для дальнейшего совершенствования конструкций этих машин и повышения эффективности их использования.

4 Вклад отечественных учёных в развитии науки о тракторах и Автомобилях Ещё в годах появились работы И.И.Комова «О земледелии» и «О земледельческих орудиях». В 1837 г. Д.А.Загряжский патентует проект первого гусеничного трактора, а в 1879 г. Ф.А.Блинов строит первый в мире гусеничный трактор, значительно опередив начало строительства подобных тракторов за рубежом (И.Б.Барский «Советские тракторы»). В 1918 г. завод «Большевик» выпускает мощные гусеничные тракторы. С 1920 г. по 1929 г. Коломенский машиностроительный завод выпускает серию колёсных тракторов «Коломенец», созданных под руководством одного из пионеров отечественного тракторостроения и разработчика науки о тракторах Е.Д. Львова. С 1923 г. выпускаются колёсные тракторы «Красный путиловец», над созданием мощных гусеничных тракторов «Коммунар» работает Харьковский паровозостроительный завод и ряд других предприятий. Хотя к этому времени создаётся много оригинальных конструкций этот период можно считать подготовительным, который показал, что новая отрасль машиностроения может быть организована только на специальных заводах, оснащённых новейшей техникой. И в 1930 г. строится Сталинградский, а в 1931 г.- Харьковский тракторные заводы, которые выпускали ежегодно по 50 тысяч колёсных тракторов СХТЗ. В 1933 г. Челябинский тракторный завод начинает выпуск гусеничных тракторов С- 60. В 1934 г. производится модернизация ЛКЗ и начинается выпуск колёсного трактора «Универсал». Проектируются новые тракторы и Сталинградский, и Харьковский тракторные заводы переходят на выпуск гусеничных тракторов СХТЗ-НАТИ с двигателем мощностью 38,2 к Вт, а с 1937 г. Челябинский тракторный завод начинает выпуск тракторов с двигателем мощностью 55,1 к Вт.

5 СХТЗ-НАТИ с двигателем мощностью 38,2 к Вт, а с 1937 г. Челябинский тракторный завод начинает выпуск тракторов с двигателем мощностью 55,1 к Вт К началу Великой Отечественной войны по выпуску тракторов СССР был на первом месте в мире, а общий выпуск составлял 40% мирового производства. В 1944 г. восстанавливаются Сталинградский и Харьковский заводы, а с 1943 г по 1954 г строятся новые заводы в гг. Рубцовске, Липецке и Минске по выпуску колёсных и гусеничных тракторов и к 1950 году страна достигла довоенного уровня. Важнейшей задачей народного хозяйства страны уже в первые годы Советской власти было создание автомобилестроения. Развитие его характеризуется несколькими этапами. В период становления автомобильной промышленности ( гг.) были созданы первые советские автомобили АМО-Ф15 и Я-3. В период гг. главное внимание уделялось созданию материальной базы для массового производства автомобилей. Были построены крупнейшие автомобильные заводы: Горьковский и Московский, значительно расширен Ярославский, а во время Великой Отечественной войны начал работать автомобильный завод на Урале. Уже в 1937 г. годовой выпуск автомобилей достиг 200 тысяч, что способствовало успешному выполнению предвоенных пятилеток и имело большое значение в победе советского народа в Великой Отечественной войне. Послевоенный период характеризуется развитием автомобильной промышленности, строительством новых автомобильных и автоагрегатных заводов, увеличением выпуска автомобилей и повышением их качества. Свидетельством признания отечественного автомобилестроения явилась международная Брюссельская выставка 1958 года, на которой советская автомобильная экспозиция была удостоена «Гран-при». Учитывая, что подобные выставки собирали весь цвет мировой индустрии, а конкурс «Автомобиль года» ещё не выдумали, то лучшими автомобилями 1958 года, по крайней мере, в Европе считались ГАЗ-21 «Волга» и ГАЗ-13 «Чайка», которые пришли на смену легендарной М-20 «Победа» Вместе с развитием отечественного автотракторостроения начала развиваться и наука о проектировании автомобилей и тракторов. Ещё в 1918 году при Высшем Совете народного хозяйства (ВСНХ) была организована научно-исследовательская лаборатория (НАЛ) для проведения работ в области автомобилей и тракторов, автотракторных и авиационных двигателей. В дальнейшем на её базе были созданы Научно-автомоторный институт (НАМИ) и Научно-исследовательский институт (НАТИ). Основоположником отечественной автомобильной школы является Е.А. Чудаков, которому принадлежит более двухсот работ по различным направлениям автомобильной науки. Г.В.Зимелёв исследовал тяговую динамику автомобиля и предложил аналитический метод расчёта её показателей. Я.М. Певзнер, А.С. Литвинов и Я.Е.Фаробин разработали теорию движения автомобиля на повороте. В области тормозной динамики работали Н.А.Бухарин и А.Б.Гредескул, а вопросы плавности хода обобщены в трудах Р.В.Ротенберга. Н.А.Яковлевым и Я.Х.Закиным проделана большая работа по исследованию эксплуатационных свойств автомобильного поезда. Большая роль в создании теории автомобиля и трактора принадлежит видным советским учёным Е.Д.Львову, профессору М.Н.Кристи, академику В.П.Горячкину и др. На современном этапе наметились основные тенденции развития конструкции автомобилей и тракторов: снижение металлоёмкости, повышение рабочих скоростей и мощности автотракторного двигателя, увеличение числа ступеней трансмиссии и улучшение условий труда водителя.

6 Классификация тракторов В общем случае тракторы бывают сельскохозяйственные и промышленные и применяются соответственно в сельском хозяйстве при выполнении различных работ и в промышленности. По назначению сельскохозяйственные тракторы классифицируются следующим образом: - общего назначения, применяемые для пахоты, посева, культивации, уборки зерновых культур и т.д. (например, ДТ-75М, Т-150К, Т-4А и К-701); - универсально-пропашные, предназначенные главным образом для междурядной обработки и уборки пропашных культур (например, Т-40А, МТЗ-80 и Т- 70С); - специализированные, предназначенные для работы на виноградниках и чайных плантациях, в горном земледелии и на болотах (например, ДТ-75Б). По конструкции ходовой части тракторы подразделяют на два вида: - колёсные тракторы, ходовая часть которых оборудована колёсными движителями; - гусеничные тракторы, ходовая часть которых имеет гусеничные движители. По типу остова тракторы различаются: - рамные тракторы, остов которых представляет собой клёпаную или сварную раму (например, ДТ-75М); - полурамные тракторы, остов которых образуется корпусом трансмиссии и двумя продольными балками (лонжеронами), привёрнутыми (например, Т-40 и МТЗ- 80) или приваренными (например, Т-130) к этому корпусу; - безрамные тракторы, остов которых образуется в результате соединения корпусов отдельных механизмов. Колёсные тракторы могут иметь один ведущий мост (например, Т-40 и МТЗ-80) и два ведущих моста (например, Т-40А и МТЗ-82). Колёсный трактор по сравнению с гусеничным более универсален, дешевле в изготовлении и эксплуатации. Однако на переувлажнённых и рыхлых почвах колёсный трактор не может быть использован так эффективно как гусеничный.

7 Классификация автомобилей Автомобиль – самодвижущийся экипаж, предназначенный для перевозки по безрельсовым дорогам пассажиров, грузов или специального оборудования и буксирования повозок. По назначению все автомобили принято делить на пассажирские, грузовые и специальные автомобили. Пассажирские автомобили в зависимости от числа пассажирских мест разделяют на легковые, служащие для перевозки до шести пассажиров и автобусы – для перевозки больших групп пассажиров. Грузовые автомобили используют для перевозки разнообразных грузов. Они характеризуются номинальной грузоподъёмностью, под которой понимается предельно допустимая масса груза, указанная в технической характеристике. В зависимости от устройства кузова грузовые автомобили подразделяют на автомобили общего назначения, кузов которых представляет собой открытую платформу с откидными бортами и специализированные с кузовами, приспособленными для перевозки одного или нескольких видов грузов (например, самосвал, цистерны, продуктовые фургоны и др.). Специальные автомобили предназначены для выполнения каких-либо определённых работ и оборудованы соответствующими приспособлениями и устройствами. К ним относятся пожарные автомобили, автокраны, автовышки и др. Обычно они представляют собой видоизменённые модели автомобилей общего назначения. По приспособленности к дорожным условиям различают автомобили дорожной (нормальной) проходимости, предназначенные для работы на дорогах с твёрдым покрытием и сухих грунтовых дорогах и повышенной проходимости, которые могут работать на неблагоприятных (неблагоустроенных) дорогах и бездорожью. У автомобилей повышенной проходимости, как правило, два или три моста ведущие.

8 Типаж тракторов и основные принципы его рационального построения Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства включает в себя типаж тракторов, состоящий из 10 классов с номинальными тяговыми усилиями 2, 6, 9, 14, 20, 30, 40, 50, 60, и 80 кН. Типажом называется совокупность всех типоразмеров (моделей) тракторов с указанием их основных качественных показателей. Базовый типоразмер – наиболее универсальный и распространённый типоразмер трактора в данном классе. В классе могут быть более одного базового типоразмера. Модификация – типоразмер трактора, относящийся к тому же классу, что и базовый типоразмер, и тесноунифицированный с последним. Остальные типоразмеры класса относятся к самостоятельным моделям. Номинальное тяговое усилие это такое наибольшее тяговое усилие, при котором буксование ведущих органов не выше допустимой величины (для гусеничных тракторов – 7%, для колёсных – 15%). Разработка и обоснование рационального и перспективного типажа тракторов является весьма важной задачей. Число и набор типоразмеров тракторов в перспективном типаже должны быть экономически оптимальными. Чем меньше типоразмеров, тем больше в среднем масштаб производства каждого из них. Это создаёт благоприятные предпосылки для специализации производства, удешевления машины, упрощения и удешевления снабжения запчастями и эксплуатации парка этих машин. Однако если число типоразмеров слишком ограничено, в ряде случаев приходится использовать вместо оптимального типоразмера слишком большой или слишком маленький трактор. В первом случае потребитель несёт излишние издержки на стоимость трактора, во втором терпит ущерб из-за снижения производительности. Типаж тракторов состоит из нескольких классов, каждый из которых определяет габаритные размеры трактора. Каждый класс представлен обычно несколькими, тесно унифицированными типоразмерами разного назначения, составляющими семейство. В семейство входят базовый типоразмер, модификации и самостоятельные модели. Отношение или разность классификационных параметров двух крайних классов (их базовых моделей) определяет диапазон, охватываемый типажом, а отношение или разность классификационных параметров двух соседних классов определяет плотность типажа. Совокупность всех типоразмеров тракторов составляет номенклатуру типажа. В качестве основного классификационного параметра принято считать номинальное тяговое усилие, Р Н. Весьма важной задачей в перспективном типаже является унификация типоразмеров. Унификация базовой модели трактора с его модификациями бывает очень глубокой. Часто на них установлены взаимозаменяемые двигатели, механизмы трансмиссии и рабочего оборудования. Унификация моделей в пределах одного класса принято называть горизонтальной унификацией. Однако развитая унификация возможна и необходима и между тракторами разных классов. Такая унификация называется вертикальной. Она осуществляется обычно в двух направлениях: - полная унификация элементов, размеры которых вообще не связаны с классом трактора (сиденья, рукоятки, краники, подножки, приборы, элементы кабины и др.); - унификация с использованием секционного сочетания (число цилиндров, число катков и т.п.).

9 Лекция 1.2. Основные сведения о почве, физико-механические свойства почвы Образование грунтов и почв Верхний слой земной коры, мощность которого часто достигает нескольких сотен метров, представляет собой кору выветривания, возникшую в результате протекания разнообразных процессов выветривания, изменяющих состав и свойства горных пород. Выветривание – это процесс разрушения и изменения горных пород, вышедших в поверхностные слои. Оно протекает под воздействием различных факторов (агентов): солнечного тепла, кислорода, углекислого газа, осадков и живых организмов. Выделяют три типа выветривания: физическое, химическое и биологическое. Физическое – основной фактор резкие суточные и сезонные перепады температуры в наружных слоях горной породы, которые порождают температурные напряжения. Этот процесс называют термическим выветриванием, и при диаметре частиц менее 0,01 мм оно перестаёт проявляться. В образовавшиеся от температурных напряжений трещины попадает атмосферная влага, которая углубляет и расширяет их под действием капиллярных сил. Из-за физического выветривания горная порода разрушается на обломки различной величины, которые становятся объектом действия других агентов. Химическое – главнейшие факторы вода, кислород и углекислый газ. Изменяется химический состав, и образуются новые минералы, растворяются в воде минералы и горные породы, возрастает площадь соприкосновения и усиливается процесс химического выветривания. Биологическое – механическое разрушение и химическое изменение породы, осуществляемое под воздействием живых организмов и их выделений. Корни растений развивают давление 6-10 м Па и разрушают прочные породы. Выделяющиеся в окружающую среду живыми организмами кислород, углекислый газ и органические кислоты усиливают процесс химического выветривания. При разложении отмерших организмов в почве образуются и гумусовые кислоты. Кроме того, микробы и низшие растения обогащают верхние слои горной породы органическим веществом и питательными элементами, которые в породе находятся в весьма рассеянном состоянии. Они подготавливают породу для заселения её высшими растениями и знаменуют собой начало почвообразовательного процесса. В теории мобильных машин используют такие термины, как «грунт», «почва», и «фон». Грунт – это обобщённое наименование горных пород в строительном деле, а также в инженерной геологии. Различают скальные и рыхлые грунты. К рыхлым грунтам относятся песчаные и глинистые. Почва – это поверхностный слой земной коры, покрытый растительностью и обладающий плодородием. Почва состоит из неживой (твёрдой, жидкой и газообразной) и живой частей. Включение в понятие «почва» живой части придаёт ей качественное отличие от понятия «грунт». Это означает, что при выполнении механизированных работ в первую очередь должна быть проявлена забота об экологии, заключающаяся в стремлении сохранить живую часть почвы и её плодородие. При изучении сельскохозяйственных тракторов логично пользоваться термином «почва», а не термином «грунт», используемым в теории мобильных машин промышленного и специального назначения, такие как промышленные тракторы и автомобили. Фон – это верхний слой грунта или почвы, содержащий корни растений и органические отложения. К естественным фонам относятся целина, залежные земли и т.п. В процессе обработки получают новые виды фонов: стерня; поле, подготовленное под посев и т.д.

10 Механический состав почвы В процессе выветривания горная порода превращается в рыхлую массу, состоящую из частиц различной величины. Эти частицы называются механическими элементами. Механические элементы разделяются по их крупности, что и положено в основу их классификации. Все механические элементы размером более 0,01 мм называются физическим песком, а менее 0,01 мм – физической глиной. Различные фракции механических элементов имеют неодинаковые свойства. Каменистая фракция (>3 мм) состоит из обломков пород и минералов, не обладает связностью, капиллярность и влагоёмкость почти отсутствуют, водопроницаемость очень высокая. Илистая фракция (0,001-0,0001 мм) состоит из первичных и вторичных минералов. В ней содержится большое количество зольных элементов пищи растений, а также гумус. Она отличается высокой связностью, пластичностью и влагоёмкостью. Механический состав определяется содержанием в почве отдельных фракций механических элементов, выраженных в процентах веса абсолютно сухой почвы. В зависимости от механического состава различают: глинистый грунт, суглинок, супесок и песок. В зависимости от величины сопротивления, оказываемого сельскохозяйственным орудиям при обработке, почвы подразделяются на лёгкие и тяжёлые. Лёгкие – песчаные и супесчаные имеют невысокую связность и легко поддаются обработке. Они быстро впитывают влагу, хорошо аэрируемы и быстро прогреваются весной. Тяжёлые – глинистые и суглинистые обладают высокой связностью, оказывают большое сопротивление почвообрабатывающим орудиям, их обработка требует больших тяговых усилий. Эти почвы хорошо удерживают влагу и элементы питания растений, но имеют плохой газообмен и низкую водопроницаемость.

11 Физико-механические свойства почвы, их измерители и способы их определения Структура и механический состав почвы определяют тип почвы и её физико- механические свойства, такие как плотность, которая зависит от органического и минерального состава почвы и определяется главным образом культурой земледелия, влажность и твёрдость, которые зависят от внешних факторов и способности почвы пропускать через себя или задерживать воду. Для оценки физико-механических свойств почвы вводятся следующие измерители (параметры): - удельный вес почвы – это отношение веса её твёрдой фазы к весу воды в том же объёме при 4 град. С; - объёмный вес скелета – это вес 1 см 3 абсолютно сухой почвы в граммах при естественном сложении; - водопроницаемость – способность почвы впитывать и фильтровать через себя воду; - влажность почвы – это отношение веса содержащейся воды в почве к сумме её абсолютно сухого веса и веса воды в ней, выраженное в процентах; - твёрдость почвы – это есть сопротивление её вертикально приложенной силе при разрезании, расклинивании или сдавливании. Первые два параметра характеризуют плотность почвы при её естественном сложении. Иногда под понятием плотность почвы подразумевают твёрдость почвы, что не совсем верно. Влажность почвы зависит от количества выпадающих осадков, интенсивности потребления воды растениями и температуры воздуха. Данное выше определение влажности почвы по сути своей является абсолютной влажностью. Её иногда выражают и другими способами (например, в процентах к объёму почвы, в миллиметрах водного столба, в тоннах и м 3 на 1 га и др.) Абсолютную влажность определяют различными способами, которые можно разделить на 2-е основные группы: методы сушки и химические методы. Кроме того в полевых условиях влажность почвы определяют на ощупь.

12 К методам сушки относятся: метод горячей сушки, сушка инфракрасными лучами, метод горящего спирта, метод холодной сушки и др. Наиболее доступным и распространённым является метод горячей сушки. Сущность этого метода заключается в следующем. Пробу с почвой вместе со стаканчиком взвешивают до сушки дважды с целью контроля. Затем сушат в специальных термостатах при температуре градусах, а песчаные и супесчаные почвы можно при температуре градусах. Время сушки зависит от степени влажности. После сушки пробу взвешивают и абсолютную влажность определяют по формуле:, где - количество воды, определённое по разности весов до и после сушки; - вес абсолютно сухой почвы, который определяют по разности весов пробы после сушки и веса стаканчика.

13 Метод сушки инфракрасными лучами сокращает время сушки, а метод горящего спирта используют для сушки теплом горящего спирта, которым заливают пробу. Метод холодной сушки основан на использовании адсорбентов (СаСl 2, Н 2 SО 4, Р 2 О 5 ) и является наиболее точным. Все химические методы основаны на химическом взаимодействии реагентов с водой и по количеству выделенного продукта разложения определяют абсолютную влажность по соответствующим градуировочным таблицам и графикам. Кроме понятия абсолютной влажности вводится понятие относительной влажности. Для определения относительной влажности почвы определяют общую влагоёмкость. Общая влагоёмкость (ОВ) – это абсолютная влажность почвы в состоянии полного насыщения, когда отток воды из почвы происходит под действием гравитационных сил. Относительная влажность почвы определяется по формуле: Твёрдость почвы оказывает влияние на агротехнические свойства и на тяговое сопротивление трактора при её обработке. Кроме того чем больше твёрдость, тем меньше сопротивление движению при перекатывании. Твёрдость почвы выражают в м Па, а приборы, которыми измеряется твёрдость почвы, называют почвенными твердомерами. В настоящее время наибольшее распространение получил твердомер ВИСХОМа, в основу работы которого положен принцип сжатия пружины под влиянием сопротивления, оказываемого почвой погруженному плунжеру. С помощью такого твердомера можно определить твёрдость почвы по всей глубине до 30 см.

14 Деформация почвы. Сопротивление почвы сжатию При воздействии на почву ходовых органов движущихся машин она подвергается сжатию и сдвигу в разных направлениях. В результате этого в ней возникают поля нормальных и касательных напряжений, распространяющихся в глубину и в разные стороны от места приложения нагрузки. От способности почвы выдерживать указанные нагрузки зависят глубина колеи, образуемой движущимися колёсами или гусеницами, величина сопротивления качению и сила сцепления ведущих органов с почвой. Многочисленными опытами установлено, что сопротивление почвы сжатию меняется с изменением глубины h, её осадки.

15 Сопротивление почвы сдвигу. Сцепление и внутреннее трение в почве. Взаимосвязь между нормальными и касательными напряжениями Сдвигом почвы называется образование в ней под действием касательных сил плоскости скольжения. Сопротивление сдвигу почвы обусловлено силами сцепления и силами внутреннего трения между частицами почвы. Сцепление и внутреннее трение зависят от механического и структурного состава почвы, наличия гумуса и почвенных минералов. На сцепление и внутреннее трение сильное влияние оказывает влажность почвы. С увеличением плотности почвы сцепление и внутреннее трение увеличиваются, а с увеличением влажности – они, наоборот, уменьшаются. Сопротивление почвы сдвигу имеет большое теоретическое и практическое значение в механике почвы, так как большая часть энергии, например при пахоте, расходуется на деформацию сдвига. От величины сопротивления почвы сдвигу зависит энергоотдача трактора при движении его по полю. Чем больше сопротивление почвы сдвигу, тем больше её сопротивление почвозацепам гусеничных и колёсных тракторов и тем больше трактор отдаёт энергии на крюк. Величина сопротивления почвы сдвигу колеблется от 0,05 до 0,5 м Па, а иногда и до 1,0 м Па. Источником создания толкающей реакции трактора являются касательные напряжения сдвига, которые в значительной степени зависят от удельного давления на почву или от нормальных реакций, возникающих при деформации сжатия почвы. Зависимость между касательными и нормальными напряжениями в почве представлена на рисунке 2. Из рисунка видно, что с ростом удельного давления на почву увеличивается касательная сила тяги, а, следовательно, и толкающая реакция трактора. Однако пределы повышения касательных напряжений сдвига и касательной силы тяги зависят от сопротивления почвы сжатию (см. рис. 1). Следовательно, удельное давление на почву ходовых органов тракторов необходимо выбирать с учётом несущей способности почвы. Сопротивление почвы сжатию и сдвигу зависят от её механической прочности, которая в значительной мере определяется твёрдостью и влажностью почвы. Влияние механического состава почвы на тягово-сцепные свойства трактора отражает следующий пример: один и тот же трактор на глинистой почве может развивать тяговое усилие в 2…3 раза больше, чем на грунтах органического происхождения.

16 Лекция 1.3. Типы поверхности пути и определение характеристик воздействия при движении автомобиля и трактора по неровностям пути Геометрические свойства поверхности пути Геометрия поверхности пути оказывает большое влияние на динамические и тяговые свойства автомобиля и трактора. Поверхность пути можно представить в виде совокупностей неровностей различной высоты и формы. Если высота и форма неровностей поверхности пути соизмерима с размерами автомобиля и трактора или превышает их, такую поверхность можно отнести к макропрофилю (подъёмы, уклоны, холмы, ложбины), если же меньше, то такую поверхность следует отнести к микропрофилю (продольные борозды, поверхность при междурядной обработке пропашных культур, мелкие выбоины дороги, кочки и т.п.). Макропрофиль поверхности оказывает в основном влияние на проходимость и устойчивость автомобилей и тракторов. Размеры и формы препятствий могут быть самыми разнообразными, однако можно ограничиться рассмотрением нескольких типовых препятствий. Потеря проходимости может быть вызвана двумя причинами: зависание машинно-тракторного агрегата на препятствии из-за недостаточного клиренса и упором носовой части автомобиля и трактора в препятствие из-за недостаточного угла атаки. Препятствие описывается полностью, если приведены все размеры профиля, однако по рекомендациям профессора М.Г.Беккера все формы препятствий с некоторыми допущениями сведены к канаве и насыпи в виде прямоугольников с размерами «h» и «b». Поперечная и продольная устойчивость агрегата на склоне определяется углами подъёма и уклона и будет рассмотрена более подробно позднее. Следует заметить, что геометрию поверхности пути с точки зрения проходимости и устойчивости всегда увязывают с размерами агрегата. То, что непроходимо для одного вида агрегата, может быть проходимо для другого. Микропрофиль поверхности в виде часто повторяющихся неровностей вызывает колебательные процессы в агрегате, что приводит к ухудшению условий работы водителя, увеличению нагруженности деталей и узлов машины, снижению скорости движения, управляемости и устойчивости. Как правило, неровности носят случайный характер. Даже такие неровности, как поливные борозды, междурядья, пахотные борозды и другие, которые образованы в результате взаимодействия почвы с рабочими органами, не имеют строго точных геометрических форм. Это происходит потому, что свойства почвы от участка к участку не постоянны, скорость обработки и характер взаимодействия рабочих органов с почвой колеблются в некоторых пределах, а также влияют атмосферные осадки и т.д. Тем более не имеют постоянных характеристик грунтовые дороги, стерня, просёлочные дороги, микропрофиль которых образуется в результате воздействия случайных факторов. На рис.3 представлена профилограмма почвы двухлетней залежи.

17 Определение характеристик воздействия при движении автомобиля и трактора по неровностям пути Для описания характеристик воздействия на автомобиль или трактор при движении по неровностям пути в последнее время широко применяют вероятностные методы теории случайных величин, а для более полной оценки теорию случайных функций. Движение автомобиля или трактора по микропрофилю можно рассматривать как эргодический стационарный процесс, который не зависит от того, начнёт ли движение машина по данному микропрофилю и с определённой скоростью в настоящий момент или через какое-то время. В этом случае эргодическая стационарная случайная функция воздействия зависит только от свойств микропрофиля и скорости движения. Кроме того из теории случайных функций известно, что если случайный процесс стационарный, то его основные характеристики математическое ожидание и дисперсия являются постоянными величинами и не зависят от времени. Коль скоро это так, то если дискретная случайная величина H имеет возможные значения с вероятностями, то математическое ожидание определяется по формуле:

18 Таким образом, рассматривая движение автомобиля или трактора по микропрофилю пути как эргодический и стационарный процесс, мы можем констатировать, что математическое ожидание воздействия зависит только от микропрофиля пути и не зависит от скорости движения по нему. Дисперсия дискретной случайной величины D(H) определяется по формуле:

19 Для случайной функции H(t) корреляционная функция записывается в следующем виде:

20 Из рисунка видно, что, выраженная кривой 1 характеризует случайную функцию воздействия без гармонических составляющих, т.к. значение непрерывно убывает с увеличением значений, и отсутствуют периодические колебания значений. Кривая 2 также не имеет гармонических составляющих, но степень случайности процесса воздействия здесь существенно выше, т.к. значение резко уменьшается с увеличением значений. Кривые 3 и 4 характеризуют процесс воздействия, в котором явно присутствуют гармонические составляющие, при этом кривая 3 описывает процесс воздействия с малой случайностью и высокой периодичностью, т.е. процесс близкий к обычному гармоническому процессу. Кривая 4 описывает процесс воздействия со случайными и периодическими составляющими. Пример построения корреляционной функции и её аппроксимации даётся в книге И.Б.Барского и др. «Динамика трактора», М. Машиностроение, 1973 г., 280 с. Несмотря на большую универсальность и общность корреляционных функций как характеристик случайных процессов, в практических исследованиях также широкое применение находят спектральные характеристики, в частности спектральная плотность.

21 Спектральная плотность характеризует непрерывный спектр имеющихся частот в данной случайной функции воздействия. На рис.5 приведен график спектральной плотности. Спектральная плотность и корреляционная функции связаны между собой зависимостью. Можно получить и обратную зависимость корреляционной функции от спектральной плотности:. Если имеются графики корреляционной функции, аналогичные изображённым на рисунке 4, то можно подобрать аналитическое выражение этой функции,

22

23 Производительность автомобиля и трактора Производительность трактора определяется размером земельной площади, которая может быть им обработана в агрегате с соответствующими сельскохозяйственными машинами в единицу времени при соблюдении заданных качественных показателей. Она зависит, прежде всего, от ширины захвата сельскохозяйственных машин, с которыми работает трактор и скорости движения при выполнении данной операции. Аналогично производительность автомобиля определяется массой перевозимого груза или числом пассажиров и расстоянием, которое автомобиль при этом проходит, в единицу времени. Таким образом, производительность автомобилей и тракторов зависит от тяговых и скоростных свойств, а также от конструктивных и эксплуатационных факторов, могущих оказать влияние на использование этих свойств. Исследование указанных вопросов является одной из основных задач теории автомобиля и трактора. Производительность, как правило, обозначается буквой и измеряется в га/час, т/час, ткм/час. Для сравнительной оценки по производительности иногда вводят удельную производительность

24 Тягово-сцепные свойства наглядно представлены в так называемой теоретической тяговой характеристике (ТТХ); - управляемость автомобиля и трактора, под которой понимается их способность следовать по заданной траектории, а при воздействии на органы управления изменять её по заданному закону. Управляемость оценивается радиусом поворота, а также степенью автоматизации управления основными механизмами машин. Радиус поворота – это расстояние от центра поворота до середины заднего моста; - устойчивость автомобиля и трактора, которая характеризуется предельными углами подъёма, уклона и крена машины в статическом положении по опрокидыванию и сползанию, критическими углами подъёма по управляемости для колёсных машин и критическими углами подъёма при движении гусеничного трактора. Кроме того она зависит от критической скорости движения машины на повороте по условиям опрокидывания и заноса; - эргономические свойства, которые характеризуются уровнем шума, загазованностью и запылённости кабины, обзорностью, усилиями, необходимыми для управления педалями и рычагами, плавностью хода и другими показателями; - разгонно-тормозные свойства. Разгонные свойства автомобиля оцениваются ускорением, путём разгона и временем разгона. Для тракторов вводится возможность трогания с места на заданной передаче и время разгона. Тормозные свойства характеризуются максимальной величиной замедления, минимальным путём торможения и минимальным временем торможения. Иногда в качестве оценочного показателя тормозных свойств автомобиля и трактора используют минимальный остановочный путь, который учитывает время реакции водителя, время срабатывания тормозной системы, а также состояние тормозной системы; - надёжность как свойство определяется числом отказов в работе за определённое время работы, - процентным ресурсом и др. показателями; - ремонтопригодность как эксплуатационное свойство оценивается периодичностью и частотой технического обслуживания (ТО), число точек контроля систем автомобиля и трактора, приспособленность к капитальному ремонту, способом диагностирования и хранения. Все эти свойства проявляются с высокими показателями при условии, что поля ровные, спланированные, прямоугольной формы, трактор оснащён полным набором машин и орудий, все основные механизмы трактора работают без отказов, имеется рациональная структура автомобильного и тракторного парка, наличие системы обслуживания и ремонта, нефтескладского хозяйства, ровные и в достаточном количестве дороги, высококвалифицированные инициативные постоянные кадры (трактористы-машинисты и водители).

25 Экономичность автомобиля и трактора Экономичность автомобиля и трактора определяется себестоимостью выполненных работ и зависит от величины расхода топлива, смазочных материалов и их стоимости, затрат на заработную плату водителей, расходов на техническое обслуживание и ремонт, срока службы деталей и ряда других факторов. В теории автомобиля и трактора рассматриваются главным образом топливная экономичность машины и её зависимость от величины удельного расхода топлива двигателем при различных режимах работы, от потерь, возникающих при движении машины, от подбора передач в трансмиссии и других конструктивных и эксплуатационных факторов, а также оптимальный срок службы в зависимости от цены машины и затрат на эксплуатацию и ремонт её. - топливная экономичность автомобиля и трактора, как эксплуатационное свойство, оценивается топливной экономичностью двигателя, которая характеризуется оценочным расходом топлива т.к. двигатель в процессе эксплуатации работает в различных режимах. Оценочный расход топлива двигателя это некая среднестатистическая величина. Экспериментами установлено, что эта среднестатистическая величина на 3-5% отличается от минимального удельного расхода топлива двигателя, поэтому в качестве оценочного расхода топлива принимают минимальный удельный расход топлива двигателя. Кроме того на топливную экономичность автомобиля и трактора оказывают влияние обтекаемость обводов машины, состояние дороги и ходовых частей машины, а также отмеченные ранеее такие эксплуатационные свойства, как управляемость, устойчивость, тягово-сцепные, эргономичность и др. Топливная экономичность автомобиля, как эксплуатационное свойство, характеризуется расходом топлива на 100 км. пути, а топливная экономичность трактора – удельным расходом топлива на одну единицу мощности на крюке; - оптимальный срок службы определяется из экономических соображений и его не следует отождествлять с долговечностью машины (срок службы до первого капитального ремонта). Главнейший наиболее общий показатель, по которому потребитель может судить о техническом совершенстве трактора, является стоимость единицы выработки по прямым затратам. В качестве удельного параметра объёма работ для трактора в связи с многообразием работ принимают 1 га условной пахоты. Удельная стоимость единицы выработки в руб. определяется по формуле:

26 Кривая, построенная по этому уравнению, имеет вид, изображённый на рисунке 6. Экономически оптимальным сроком службы трактора является срок, соответствующий минимальной удельной стоимости. Очевидно, что сама постановка вопроса об оптимальном сроке службы трактора возможна только потому, что расходы на ремонт растут с увеличением срока пребывания трактора в парке. Экономически оправданный оптимальный срок службы показывает потребителю о нецелесеобразности дальнейшей эксплуатации машины потому, что затраты на её содержание будут расти с каждым последующим годом эксплуатации, кстати в зависимости от того каков будет вид функции затрат на ремонт. Это не означает, что к дальнейшей эксплуатации машина не пригодна и срок службы её заканчивается, но потребитель должен иметь в виду, что удельная стоимость единицы выработки будет непрерывно увеличиваться. С другой стороны замена машины потребует вложение средств во вновь приобретаемую и обоснованность такого шага должна быть экономически подкреплена. Поэтому весьма важной становится задача определения удельной стоимости единицы выработки и оптимального срока службы автомобиля и трактора.

27 Из этих формул видно, что экономически оптимальный срок службы трактора не зависит ни от годового использования трактора, ни от затрат на заработную плату и топливо. Он зависит только от первоначальной цены трактора и расходов на ремонт в год. Однако потребитель не всегда имеет возможность обновлять парк в экономически целесообразные сроки, поэтому и проблема повышения долговечности тракторных механизмов не может быть снята с повестки дня. Всё сказанное относится к физическому износу 1-го рода. Существует и физический износ 2-го рода – износ при хранении вследствие коррозии, однако его мы рассматривать не будем. Кроме физического износа существует и моральный износ. Моральный износ проявляется двояко. Моральный износ 1-го рода вызывает снижение первоначальной цены трактора по мере того как тракторы те же могут быть приобретены более дёшево (технический прогресс производства). Моральный износ 2-го рода состоит в обесценении трактора вследствие появления новых, более совершенных типов тракторов (технический прогресс конструкции). Существуют методы количественной оценки морального износа. Моральный износ 1-го рода, выражающийся в снижении первоначальной цены трактора, можно учесть, заменив в формулах для определения и первоначальную цену трактора на меньшую. Влияние снижения цены трактора на оптимальный срок службы и минимальную удельную стоимость единицы выработки можно выразить следующими цифрами. Если уменьшится на 30%, то снизится на 17%, а - на 5%. Влияние морального износа 2-го рода также может быть учтено. Аналитическими расчётами установлено, что если у трактора нового типа значение на 25% меньше, чем у трактора старого типа, что вполне реально, то это приводит к сокращению старого трактора примерно в 2 раза с момента начала серийного выпуска трактора нового типа.

28 Проходимость автомобиля и трактора Под проходимостью автомобиля понимается его способность перемещаться без остановки, преодолевая дорожные препятствия двух типов: препятствия профильного характера (стенка канавы, камни и т.д.) и участки дороги со слабонесущим опорным слоем почвы или грунта. Поэтому проходимость автомобиля принято называть дорожной, подразделяя её на профильную и опорно-сцепную проходимость. Под проходимостью трактора понимается его способность передвигаться по дорогам, грунтам и почвам различных типов с заданной силой тяги на крюке и наибольшим тяговым к.п.д., преодолевая местные неровности рельефа без существенного ухудшения плодородия почв и качества выполняемой работы. Проходимость автомобиля и трактора характеризуется следующими основными эксплуатационными свойствами: - тягово-сцепными свойствами, измерителями которых, как было указано ранее, являются коэффициент сцепления, коэффициент сопротивления качению, величина буксования и к.п.д. ходовой части ; - опорно-временными свойствами, которые оцениваются удельным давлением ходовых частей на почву, глубиной колеи, давлением воздуха в шинах передних и задних колёс, периодом взаимодействия колёс или гусениц с почвой и др.; - конструктивно-дорожными свойствами, к характеристикам которых можно отнести дорожный просвет, конструкцию ходовых частей машины, давление воздуха в шинах и ряд других; - агроэкологические свойства, которые характеризуются уплотнением почвы, агротехническим просветом, защитными зонами и др.; - поворачиваемость, которая характеризуется радиусом поворота, степенью повреждения поверхности почвы и как следствие этому потеря проходимости из- за повышенного буксования колёс.

29 Лекция 1.5. Основные характеристики автомобильных и тракторных двигателей Особенности работы двигателей на автомобилях и тракторах. Выбор типа двигателя Тяговые и энергетические показатели автомобиля и трактора изначально определяются характеристикой его энергетической установки. Особенность работы автомобиля и трактора состоит в том, что нагрузка на двигатель изменяется в широких пределах. При переходе двигателя с одного нагрузочного (по моменту) режима на другой его мощность должна сохраняться постоянной или меняться незначительно. Это обеспечит двигателю полную (по мощности) загрузку при работе на любом скоростном и нагрузочном режиме, т.е. максимальное использование его возможностей, а машине – высокую производительность и топливную экономичность. Из теории двигателя известно, что существуют двух- и четырёхтактные двигатели. Основными достоинствами двухтактных двигателей являются: - при равных условиях имеют большую мощность, т.к. рабочий ход поршня приходится на 1 оборот коленчатого вала, тогда как у четырёхтактных двигателей на два; - при равной мощности двухтактные двигатели имеют меньший вес и меньшие габариты; - коленчатые валы вращаются более равномерно, т.к. чередование рабочих ходов чаще. В тоже время двухтактные двигатели обладают и определёнными недостатками такими как: - из-за высокой литровой и удельной мощности и большой компактности тепловая и динамическая напряжённость выше; - при продувке теряется часть заряда у карбюраторных двигателей и воздуха у дизелей и, следовательно, та энергия, которая ушла на его предварительное сжатие безвозвратно теряется, в связи с этим очень низкая экономичность. В качестве автомобильных и тракторных двигателей наряду с бензиновыми широко применяют и дизели (особенно на грузовых автомобилях и больших автобусах). Основными достоинствами дизелей являются: - высокая степень сжатия обеспечивает протекание рабочего процесса при более высоких параметрах, поэтому полезная работа при равном количестве подведённого тепла у дизеля больше, т.е. лучшая экономичность; - способность двигателя быть всеядным, работать и на лёгких и на тяжёлых сортах топлива и на их смесях; - менее опасны в пожарном отношении. Тем не менее, и дизели имеют существенные недостатки такие как: - большие значения удельного и литрового веса и большие габариты, что объясняется большими нагрузками, действующими на детали двигателя; - меньшие значения литровой и удельной мощности потому, что в карбюраторных двигателях более эффективно используется рабочий объём цилиндров т.к. они работают в отличие от дизелей без избытка воздуха; - детали дизелей приходится изготовлять весьма точно из-за высоких нагрузок на них; - запуск дизеля осуществляется труднее, особенно в зимнее время. Выбор типа двигателя для установки его на колёсную или гусеничную машину осуществляется исходя из условий её эксплуатации. Так, например, для установки двигателя на трактор, который эксплуатируется на сельскохозяйственных работах, целесообразно использовать четырёхтактный дизель, обладающий таким существенным преимуществом как высокая экономичность.

30 Скоростная и регуляторные характеристики дизеля При изменении частоты вращения вала дизеля и постоянном положении регулирующей рейки топливного насоса величина крутящего момента двигателя не остаётся постоянной вследствие изменения условий сгорания топлива (при увеличении частоты вращения вала двигателя из-за уменьшения время-сечения распределительных органов менее интенсивно заполняются цилиндры воздухом). На рис.7 представлена внешняя скоростная характеристика дизеля.

31

32 В некоторых случаях дизель не может быть загружен с достаточной полнотой при работе на номинальном режиме. Чтобы двигатель работал экономично, понижают частоту вращения вала двигателя, при которой вступает в работу всережимный регулятора частоты вращения. Регуляторные характеристики дизеля в этом случае выглядят, как показано на рисунке 9 и

33 Скоростная характеристика карбюраторного двигателя Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива, называется внешней скоростной характеристикой, а полученные при неполной подаче топлива – частичными. Также как и у дизелей, скоростные характеристики определяют на специальных тормозных стендах. При этом обычно непосредственно находят зависимости момента двигателя от частоты его вращения, а мощность определяют расчётом по известной формуле. Частичные характеристики у карбюраторных двигателей соответствуют открытию дроссельной заслонки на определённый угол. При неизменном проходном сечении дросселя и изменении нагрузки на карбюраторный двигатель зависимость момента двигателя от частоты вращения его подобна зависимости, полученной при максимальном проходном сечении дросселя. На рисунке 10 показана типовая внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя.

34 Коэффициент запаса крутящего момента и коэффициент приспособляемости двигателя Возможность преодоления временного повышения сопротивлений автотракторного агрегата характеризуется коэффициентом запаса крутящего момента двигателя, определяемым по формуле:

35 Двигатели постоянной мощности Как было рассмотрено ранее, мощность двигателя равна произведению момента двигателя на угловую скорость коленчатого вала и, следовательно, характеристика идеального двигателя аналитически может быть выражена зависимостью Таким образом, в идеальном случае двигатель должен обладать свойством автоматического изменения развиваемого крутящего момента в соответствии с колебаниями момента сопротивления. При повышении нагрузки должны увеличиться момент двигателя и снизиться угловая скорость коленчатого вала двигателя. При снижении нагрузки режим работы двигателя должен автоматически измениться в обратном порядке. Такая характеристика двигателя графически представлена на рисунке 11. Она позволяет обойтись без коробки передач, если полный диапазон сопротивления движению перекрывается диапазоном крутящего момента двигателя в пределах его характеристики. При работе с небольшой нагрузкой уменьшение мощности и момента двигателя может быть достигнуто за счёт снижения подачи топлива. Тогда двигатель будет работать на частичном нагрузочном режиме. Характеристикой постоянной мощности обладают паровые машины и электродвигатели. Паровую машину не применяют в качестве тракторного и автомобильного двигателей из-за низкого к.п.д., высокой материалоёмкости и больших размеров. Электродвигатели устанавливают на очень мощных автомобилях, однако ввиду автономности энергетических установок тракторов и автомобилей электродвигатель в них служит не источником энергии, а элементом трансмиссии. Поэтому из-за низкого к.п.д., больших габаритных размеров и масс, а также использования цветных и других электроматериалов электродвигатели на автомобилях и тракторах применяются крайне редко.

36

37 Лекция 1.6. Запас кинетической энергии двигателя и тракторного агрегата. Определение ведущих моментов, приложенных к движителям автомобилей и тракторов Запас кинетической энергии двигателя и автотракторного агрегата Возможность преодоления временных увеличений сопротивления движению автотракторного агрегата может осуществляться и за счёт запаса кинетической энергии вращающихся и поступательно движущихся масс агрегата. Запас кинетической энергии движущихся масс двигателя, имеющий наибольшее значение, условно измеряется отрезком времени, в течение которого угловая скорость коленчатого вала уменьшится до нуля при выключении подачи топлива. При этом момент сопротивления, приведённый к коленчатому валу двигателя, полагается постоянным. Промежуток времени определяется из уравнения движения одномассовой эквивалентной динамической модели, заменяющей работу двигателя при указанных условиях. где - момент инерции движущихся масс двигателя, приведённых к коленчатому валу двигателя; - угловое замедление коленчатого вала двигателя; -приведённый к первичному валу трансмиссии момент сопротивления движению автотракторного агрегата. Или иначе, откуда. Интегрируя в пределах от до нуля, получим. Для автомобильных и тракторных двигателей величина лежит в пределах 1,5…2,5 с. Возможность преодоления временных увеличений сопротивления движению автотракторного агрегата определяется кроме того и суммарной кинетической энергией всех движущихся масс автомобиля и трактора и их прицепов. Для учёта влияния этих масс их следует привести к первичному валу трансмиссии машины. Приведение этих масс производится на основании равенства кинетической энергии приведённой массы сумме кинетических энергий всех движущихся масс агрегата на соответствующей передаче.

38 На основании вышесказанного, пренебрегая потерями в трансмиссии, имеем, где - искомый момент инерции, приведённых масс; - угловая скорость первичного вала трансмиссии; -полный вес автотракторного агрегата; - скорость поступательного движения автотракторного агрегата, соответствующая угловой скорости ; - момент инерции - ой вращающейся детали автомобиля и трактора (начиная с ведомого вала муфты сцепления), кинематически связанной с первичным валом трансмиссии; - угловая скорость - ой вращающейся детали, соответствующей угловой скорости. Если пренебречь буксованием движителей машины, то, а и, где - угловая скорость ведущего колеса или ведущей звёздочки; - радиус ведущего колеса или ведущей звёздочки; - передаточное число трансмиссии на заданной передаче; - передаточное число от первичного вала трансмиссии до - ой вращающейся детали на заданной передаче. Подставляя эти зависимости в выражение равенства кинетических энергий, и выполнив необходимые преобразования, получим. Анализ полученной формулы показывает, что зависит от номера включённой передачи и, по сути, обратно пропорционален квадрату передаточного числа. Суммарный запас кинетической энергии всех движущихся масс автотракторного агрегата также определяется временем до полной остановки агрегата, условно вызванной выключением подачи топлива в цилиндры двигателя. Аналогично ранее изложенному.

39 Определение ведущих моментов, приложенных к движителям автомобиля и трактора Моменты, передаваемые трансмиссией ведущим колёсам или ведущей звёздочке колёсных и гусеничных машин, называются ведущими. Для остановки машины без выключения двигателя, а также для переключения передач между коленчатым валом двигателя и первичным валом трансмиссии устанавливается муфта сцепления. Муфты сцепления бывают различных видов, однако в теоретическом плане, как правило, рассматривают фрикционные муфты сцепления. Во избежание буксования муфты сцепления при установившемся режиме работы автомобиля и трактора необходимо, чтобы момент трения муфты был бы больше номинального крутящего момента двигателя. Отношение момента трения муфты сцепления к номинальному моменту двигателя называется коэффициентом запаса муфты сцепления. К выбору величины следует подходить весьма осторожно. С одной стороны при больших значениях коэффициента запаса муфты сцепления увеличивается срок службы фрикционов, т.к. уменьшается износ дисков трения. С другой стороны увеличение коэффициента ведёт к большим динамическим нагрузкам в трансмиссии и вызывает частые поломки её деталей. Величина коэффициента запаса для существующих автотракторных муфт сцепления изменяется в широких пределах от 1,15 до 3,6, причём меньшие значения относятся к фрикционным узлам, работающим в масле. Мощность от ведомых частей муфты сцепления к ведущим колёсам или ведущей звёздочке колёсных и гусеничных машин передаётся при помощи трансмиссии, позволяющей изменять передаточное число в зависимости от сопротивления движению и заданной производительности (скорости движения). Общее передаточное число трансмиссии равно отношению частоты вращения (угловой скорости) коленчатого вала двигателя к соответствующей частоте вращения (угловой скорости) ведущих колёс или ведущей звёздочки при условии отсутствия буксования или скольжения муфты сцепления. Передача мощности ведущим органам автомобиля и трактора сопровождается механическими потерями, происходящими вследствие трения в подшипниках, в зацеплениях шестерен коробки передач, центральной и конечной передач, а также гидродинамических потерь. Величина этих потерь характеризуется к.п.д. трансмиссии. Мощность, переданная ведущим органам колёсных и гусеничных машин при установившемся режиме движения ( ), равна произведению ведущего момента, действующего на колесе или звёздочке, на угловую скорость вращения. Мощность, отданная коленчатым валом двигателя при установившемся режиме движения, равна произведению крутящего момента двигателя на угловую скорость коленчатого вала. На основании определения к.п.д. имеем.

40 Заменяя отношение угловых скоростей передаточным числом, получим формулу для определения ведущего момента, приложенного к движителям при установившемся режиме работы автомобилей и тракторов. Таким образом, ведущий момент, подводимый к движителям автомобиля и трактора при установившемся режиме работы, равен произведению момента двигателя, умноженному на передаточное число и к.п.д. трансмиссии. На основании изложенного расчёт деталей трансмиссии следовало бы вести по величине, однако является, как правило, неопределённой величиной т.к. зависит от ряда факторов: износа и состояния поверхностей трения и др., поэтому расчёт деталей трансмиссии на прочность рациональнее вести по величине номинального крутящего момента двигателя, причём перегрузки учитывать при выборе допускаемых напряжений. Определим ведущий момент, приложенный к движителям при неустановившемся движении – ускоренном или замедленном. Подсчёт его величины должен производиться с учётом действия возникающих в этом случае инерционных моментов. Если пренебречь влиянием неустановившегося режима работы на протекание рабочего процесса в двигателе, то уравнение моментов на коленчатом валу при неустановившемся движении можно представить в следующем виде:, где и - крутящие моменты соответственно при неустановившемся и установившемся режиме работы, а - угловое ускорение коленчатого вала двигателя. Учитывая влияние остальных масс, участвующих в передаче вращения от коленчатого вала к ведущим органам, а также массу самих ведущих органов, можно записать, что ведущий момент при неустановившемся движении будет определяться следующей зависимостью:, или, откуда, (*) где - моменты инерции отдельных вращающихся деталей трансмиссии, расположенных между двигателем и ведущими органами, подсчитанные относительно их осей вращения; - угловые ускорения указанных деталей; и - соответственно передаточные числа и значения механического к.п.д. передач, соединяющих рассматриваемую деталь с ведущими органами; - моменты инерции ведущих колёс относительно их осей вращения; - угловое ускорение ведущих колёс.

41 Выразим угловые ускорения вращающихся частей через линейное ускорение машины, где V - поступательная скорость машины. При отсутствии буксования муфты сцепления можно записать, где - радиус качения ведущих колёс. Аналогично получим соотношения ;. Подставляя эти соотношения в уравнение (*), получим, где - приведённый к ведущим колёсам суммарный момент касательных инерции самих колёс и кинематически жёстко с ним связанных деталей трансмиссии и двигателя. В соответствии с формулой определения момента двигателя при неустановившемся движении его величина может возрастать, не ограничено при замедлении вращения коленчатого вала двигателя, что приводило бы к большим динамическим нагрузкам в трансмиссии и поломкам её деталей. В качестве демпфера выступает муфта сцепления, которая при достижении момента двигателя равного начинает буксовать, таким образом, ограничивая величину возрастания момента двигателя. Совершенно аналогично момент по сцеплению колеса с дорогой ограничивает возрастание момента, подводимого к ведущим колёсам при неустановившемся движении, при замедлении машины.

42 Модуль 2. Продольная устойчивость автомобилей и колёсных тракторов Лекция 2.1. Кинематика и динамика колёс Классификация колёс автомобилей и тракторов Прежде чем приступить к изучению закономерностей движения автомобиля и трактора, необходимо рассмотреть основные зависимости, связанные с работой одного из их важнейших устройств – колеса. Можно выделить две группы режимов качения колеса, определяемых следующими факторами: - способом привода колеса во вращение (ведомое, ведущее, тормозящее); - физико-механическими свойствами поверхности качения и колеса. Колесо считают ведомым, если оно катится под действием толкающей силы, приложенной к оси колеса. Колесо приводится во вращение моментом, который образуется толкающей силой и силой трения обода с поверхностью качения на плече, равном радиусу колеса. Колесо называют ведущим, если оно катится под действием крутящего момента, передаваемого трансмиссией машины. Колесо считают тормозящим, если оно подвержено действию тормозного момента, приложенного к ступице. В зависимости от конструкции колеса и характера поверхности его качения различают следующие варианты режимов качения колеса: - качение колеса с жёстким ободом по недеформируемой поверхности. Примером может служить качение опорных катков по гусенице; - качение колеса с жёстким ободом по деформируемой поверхности. К этому варианту можно отнести с некоторым допущением равномерное качение без вертикальных колебаний колеса, с пневматической шиной высокого давления по слабо несущему грунту; - качение эластичного колеса по недеформируемой поверхности. С некоторым допущением это качение пневматической шины низкого давления по дороге с твёрдым покрытием; - качение колеса с эластичным ободом по деформируемой поверхности. Это наиболее типичный случай в эксплуатации сельскохозяйственных тракторов.

43 Качение колеса с жёстким ободом по деформируемой поверхности Рассмотрим процесс возникновения силы сопротивления качению ведомого колеса из-за смятия почвы. Для этого используем известный диалектический приём: абстрагируемся от некоторых реальных особенностей колеса и почвы, которые пока будем считать несущественными. Допустим, что колесо и почва идеальные, т.е. они характеризуются следующим: - колесо абсолютно жёсткое и без почвозацепов; - колесо катится по горизонтальной поверхности почвы равномерно и без скольжения (ведомое колесо); - на оси колеса момент трения в подшипниках равен нулю; - в почве под колесом образуются только остаточные деформации; - сопротивлением воздуха при качении колеса можно пренебречь. Такое колесо представлено на рисунке 12. С учётом принятых допущений составим условия равновесия колеса, на которое действует нормальная нагрузка - со стороны остова машины; толкающая сила остова - и равнодействующая реакций почвы -. Известно, что если тело (колесо) находится в состоянии равномерного движения под действием трёх сил, то направления действия этих сил пересекаются в одной точке. Так как силы и приложены к оси колеса, то и направление действия реакции проходит через центр колеса. Из этого следует два важных вывода: 1) элементарные реакции почвы направлены по радиусу жёсткого колеса нормально к ободу колеса; 2) реакция почвы приложена в точке контакта колеса с почвой на некотором расстоянии от вертикальной его оси. Разложим равнодействующую на нормальную и горизонтальную составляющие. Последнюю назовём силой сопротивления качению ведомого колеса, так как она действует против направления движения. Плечо действия силы обозначим через (динамический радиус колеса). Тогда условия равновесия ведомого колеса будут такие: ; ; ;, где - момент сопротивления качению ведомого колеса; - коэффициент сопротивления качению ведомого колеса.

44 Проанализируем полученные выражения. Нормальная составляющая реакции почвы равна нормальной нагрузке на ось колеса, но приложена не по вертикали (по нормали) к оси колеса, а смещена по ходу движения на величину. Для жёсткого колеса зависит не только от свойств и состояния почвы, но и от ширины колеса. Коэффициент сопротивления качению прямо пропорционален плечу и обратно пропорционален динамическому радиусу. Следовательно, для уменьшения силы сопротивления качению ведомого колеса следует уменьшать нагрузку, плечо и увеличивать радиус колеса.

45

46

47

48

49

50 Качение эластичного колеса по деформируемой поверхности При качении эластичного колеса по деформируемой поверхности имеют место и деформация почвы (грунта), и деформация шины. Затраты мощности на деформацию грунта по сравнению с затратами на деформацию шины более значительные в общем балансе потерь на качение колеса. Как показывают исследования затраты мощности на деформацию шины составляют до 10% от общей мощности, затрачиваемой на качение эластичного колеса по деформируемой поверхности. Величина опорной поверхности колеса в значительной степени зависит от давления воздуха в шине: чем меньше давление, тем больше опорная поверхность, а, следовательно, меньше глубина колеи. Однако снижение давления воздуха в шине имеет и ряд отрицательных черт. При снижении давления в направляющих колёсах несколько увеличивает податливость шины в боковом направлении, что ухудшает управляемость машины. Поэтому в направляющих колёсах применяют повышенное давление воздуха в шине по сравнению с ведущими колёсами. В ряде случаев снижение давления ограничивается допустимой величиной нормальной деформации шины, поскольку её отношение к высоте профиля шины определяет срок службы шины. Чем ниже применяемое давление воздуха, тем больше, при прочих равных условиях, радиальная деформация шины и тем меньше допускаемая для них грузоподъёмность. Дорожные условия эксплуатации тракторов и автомобилей существенно различаются. Тракторы значительную часть времени работают на поле с взрыхлённой почвой, подготовленной под посев или стерне, а автомобили перемещаются по дорогам с твёрдым покрытием или укатанным просёлочным. Руководствуясь стремлением снизить значение коэффициента сопротивления качению, на тракторах применяют шины низкого давления, а на дорожных автомобилях – высокого давления.

51 Энергетический баланс ведущего колеса с пневматической шиной. Потери, связанные с качением колеса. Потери на буксование. КПД ведущего колеса с пневматической шиной. Тяговый и энергетический баланс ведущего колеса рассмотрим с теми же допущениями, которые были приняты при изучении тягового баланса ведомого колеса: колесо катится равномерно по горизонтальному участку дороги; в ступице отсутствует момент трения; сопротивление воздуха равно

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82