Прямолинейное движение автомобиля. Силы и моменты, действующие на автомобиль при прямолинейном движении

2. Прямолинейное движение автомобиля

Оценка тягово-скоростных и тормозных свойств автомобиля, топливной экономичности, проходимости осуществляется в процессе моделирования прямолинейного движения автомобиля. При прямолинейном движении предполагается, что центр масс автомобиля перемещается по прямой линии, расположенной в неподвижной вертикальной плоскости. В этом случае все силы воздействий внешней среды на автомобиль расположены в этой плоскости, а векторы моментов внешних воздействий перпендикулярны плоскости.

В данной главе рассмотрены закономерности формирования внешних воздействий и получено дифференциальное уравнение прямолинейного движения автомобиля, которое позволит в последующих главах проводить анализ процессов движения и определять показатели эксплуатационных свойств автомобиля.

2.1. Силы и моменты, действующие на автомобиль при прямолинейном движении

Движение автомобиля как единой системы, в которую входят все его механизмы, включая колеса, происходит под воздействием сил и моментов внешней среды. Силы взаимодействия механизмов автомобиля как элементов системы являются ее внутренними взаимно уравновешивающимися силами и поэтому непосредственно на движение автомобиля влияния не оказывают. Их влияние опосредствовано и обусловлено взаимодействием автомобиля с опорной поверхностью дороги и воздушной средой. В связи с этим силы взаимодействия колес с корпусом автомобиля, a также силы тяги ведущих колес (или тормозные силы колес — на тормозном режиме) как внутренние силы системы не относятся к системе сил, действующих на автомобиль.

При составлении модели системы внешних сил и моментов, действующих на автомобиль при прямолинейном движении, примем следующие допущения:

·  автомобиль симметричен относительно продольной вертикальной плоскости, проходящей через его центр масс;

·  левые и правые колеса одноименных мостов имеют одинаковые нагрузки и находятся в одинаковых дорожных условиях;

·  конфигурация автомобиля изображается в виде плоской фигуры;

·  опорная поверхность дороги представляется в виде прямой линии, наклоненной под углом α к горизонту;

·  упругие свойства подвески не учитываются и колебания кузова не происходят.

В результате центр масс автомобиля (точка С) и все точки приложения сил внешних воздействий совершают прямолинейные перемещения, параллельные поверхности дороги.

Выберем две системы координат: неподвижную XOZ и подвижную хСz, связанную с автомобилем. Начало подвижной системы координат находится в центре масс автомобиля С, ось Сх перемещается параллельно оси ОХ, а ось Сz — параллельно оси OZ. Неподвижная система координат предназначена для определения перемещения автомобиля и параметров характеристик его движения — скорости и ускорения. Подвижная система координат необходима для ориентации направления векторов внешних воздействий относительно корпуса автомобиля и определения проекции векторов сил на оси этой системы координат.

Система внешних сил и моментов, действующих на автомобиль при принятых условиях, показана на рис. 2.1. В нее входят:  — сила тяжести автомобиля;  — сила сопротивления воздуха;  — сила сопротивления прицепа; ,  — продольные реакции опорной поверхности дороги; ,  — нормальные реакции опорной поверхности; ,  — моменты сопротивлений качению колес. Направления продольных реакций  и  выбраны исходя из предположения, что передние колеса автомобиля ведомые, а задние — ведущие.

На параметры движения автомобиля (скорость и ускорение) также влияют сила инерции поступательно движущейся массы автомобиля  и инерционные моменты колес  , двигателя  и трансмиссии  (на рис. 2.1  и  не показаны, так как они действуют в поперечной вертикальной плоскости).

Продольную реакцию опорной поверхности на ведущие колеса  называют силой тяги автомобиля. Однако, при движении без внешнего скольжения колес работа реакций  равна нулю. Так как  — одно из воздействий внешней среды на автомобиль, то это означает, что не внешняя среда сообщает энергию, необходимую для движения автомобиля. Источником энергии является двигатель, энергия которого передается ведущим колесам и реализуется ими посредством суммарного момента ведущих колес  при их взаимодействии с опорной поверхностью дороги. В связи с этим момент  можно назвать тяговым моментом автомобиля. Двигатель обеспечивает покрытие затрат энергии на преодоление всех сопротивлений движению автомобиля. По существу  — это внутренний момент автомобиля, так как он формируется источниками воздействий, находящимися в автомобиле, и воздействует на один из его элементов — ведущее колесо. Но этот момент может быть реализован только при условии взаимодействия с внешней средой (опорной поверхностью), и только он обеспечивает возможность преодоления сопротивлений движению автомобиля, создаваемых внешней средой. Поэтому вращающий момент  входит в систему сил и моментов, представленных на рисунке 2.1. Необходимо иметь в виду, что момент  — это параметр потока энергии, поступающей к ведущему колесу, его потенциал.