безбородко. Учебник для слушателей и курсантов высших пожарнотехнических образовательных учреждений

• Название: Учебник для слушателей и курсантов высших пожарнотехнических образовательных учреждений
• Анкор: безбородко.docx
• Дата: 12.02.2018
• Размер: 40.6 Mb.
• Имя файла: безбородко.docx
• Тип: Учебник; #15489
• страница: 15 из 32

Глава 6

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ ПОЖАРНОГО АВТОМОБИЛЯ

Теория движения пожарного автомобиля (ПА) рассматривает факторы, которые определяют время следования пожарного подразделения к месту вызова. В основу теории движения ПА положена теория эксплуатационных свойств автомобильных транспортных средств (АТС).

Для оценки свойств конструкции ПА и его способности своевременно прибыть к месту вызова необходим анализ следующих эксплуатационных свойств: тягово-скоростных, тормозных, устойчивости движения, управляемости, маневренности, плавности хода.

6.1. Тягово-скоростные свойства пожарного автомобиля

Тягово-скоростные свойства ПА определяются его способностью к движению под действием продольных (тяговых) сил ведущих колес. (Колесо называется ведущим, если к нему передается через трансмиссию крутящий момент от двигателя АТС.)

Эта группа свойств состоит из тяговых свойств, позволяющих ПА преодолевать подъемы и буксировать прицепы, и скоростных свойств, позволяющих ПА двигаться с высокими скоростями, совершать разгон (приемистость) и двигаться по инерции (выбег).

Для предварительной оценки тягово-скоростных свойств используется удельная мощность N_G ПА, т.е. отношение мощности двигателя N, кВт, к полной массе автомобиля G, т. По НПБ 163-97 удельная мощность ПА должна быть не меньше 11 кВт/т.

У отечественных серийных ПА удельная мощность меньше рекомендованного НПБ значения. Увеличить N_G серийных ПА можно, если устанавливать на них двигатели с большей мощностью или не полностью использовать грузоподъемность базового шасси.

Оценка тягово-скоростных свойств ПА по удельной мощности может быть только предварительной, так как часто АТС с одинаковой N_G имеют различную максимальную скорость и приемистость.

В нормативных документах и технической литературе нет единства в оценочных показателях (измерителях) тягово-скоростных свойств АТС. Общее число предлагаемых оценочных показателей более пятнадцати.

Специфика эксплуатации и движения (внезапный выезд с непрогретым двигателем, интенсивное движение с частыми разгонами и торможениями, редкое использование выбега) позволяет выделить для оценки тягово-скоростных свойств ПА четыре основных показателя:

максимальную скорость v_max ;

максимальный подъем, преодолеваемый на первой передаче с постоянной скоростью (угол α_max или уклон i_max );

время разгона до заданной скорости t_υ;

минимально устойчивую скорость v_min .

Показатели v_max, α_max, t_υ и v_min определяются аналитически и экспериментально. Для аналитического определения этих показателей необходимо решить дифференциальное уравнение движения ПА, справедливое для частного случая – прямолинейного движения в профиле и плане дороги (рис. 6.1). В системе отсчета 0xyz это уравнение имеет вид

, (6.1)

где G– масса ПА, кг; δ > 1 - коэффициент учета вращающихся масс (колес, деталей трансмиссии) ПА; Р_к – суммарная тяговая сила ведущих колес ПА, Н; Ρ_Σ=P_f+P_i+P_в суммарная сила сопротивления движению, Н;
Р_f– сила сопротивления качению колес ПА, Н: Р_i– сила сопротивления подъему ПА, Н; Р_в– сила сопротивления воздуха, Н.

Решить уравнение (6.1) в общем виде сложно, так как неизвестны точные функциональные зависимости, связывающие основные силы (Р_к,Р_f,Р_i, Р_в) со скоростью АТС. Поэтому уравнение (6.1) обычно решают численными методами (на ЭВМ или графически).



Рис. 6.1. Силы, действующие на пожарный автомобиль

При определении тягово-скоростных свойств АТС численными методами наиболее часто используется метод силового баланса, метод мощностного баланса и метод динамической характеристики. Для использования этих методов необходимо знать силы, действующие на АТС при движении.

6.1.1. Тяговая сила ведущих колес

Крутящий момент двигателя М_д передается через трансмиссию к ведущим колесам АТС. Приводимые в справочной литературе и технических характеристиках автомобилей данные внешних характеристик двигателей (N_e, M_e) соответствуют условиям их стендовых испытаний, значительно отличающихся от условий, в которых двигатели работают на автомобилях. При стендовых испытаниях по ГОСТ 14846-81 внешние характеристики двигателя определяют при установке на него только основного оборудования (воздухоочистителя, генератора и водяного насоса), т. е. без оборудования, необходимого для обслуживания шасси (например, компрессора, гидроусилителя руля). Поэтому для определения М_д числовые значения М_е необходимо умножить на коэффициент K_c:

. (6.2)

Для отечественных грузовых двухосных автомобилей К_с = 0,88, а для многоосных – К_c = 0,85.

Условия стендовых испытаний двигателей за границей отличаются от стандартных. Поэтому при испытаниях:

по SАЕ (США, Франция, Италия) – К_с = 0,81–0,84;

по DIN (ФРГ) – К_с = 0,9–0,92;

по В5 (Англия) – К_с = 0,83–0,85;

по JIS(Япония) – К_с = 0,88–0,91.

К колесам передается крутящий момент М_к> М_д. Увеличение М_д пропорционально общему передаточному числу трансмиссии. Часть крутящего момента, учитываемая коэффициентом полезного действия трансмиссии, расходуется на преодоление сил трения. Общее передаточное число трансмиссии и является произведением передаточных чисел агрегатов трансмиссии

(6.3)

где u_кu_рu_r – соответственно передаточные числа коробки передач, раздаточной коробки и главной передачи. Значения u_к, u_риu_r приводятся в технической характеристике АТС.

Коэффициент полезного действия трансмиссии η является произведением КПД ее агрегатов. Для расчетов можно принимать: η= 0,9 – для грузовых двухосных автомобилей с одинарной главной передачей (42); η= 0,88 –для грузовых двухосных автомобилей с двойной главной передачей (42); η= 0,86 – для автомобилей повышенной проходимости (44);
η = 0,84 – для грузовых трехосных автомобилей (64); η= 0,82 – для грузовых трехосных автомобилей повышенной проходимости (66).
Суммарная тяговая сила P_к , которую может обеспечить двигатель на ведущих колесах, определяется по формуле
(6.4)
где r_D – динамический радиус колеса.

Динамический радиус колеса в первом приближении равен статическому радиусу, т.е. r_{D =}r_ст. Значения r_ст приводятся в ГОСТах на пневматические шины. При отсутствии этих данных радиус r_D тороидных шин вычисляется по формуле

, (6.5)
где d – диаметр обода; λ – 0,89  0,9 – радиальная деформация профиля; b_ш– ширина профиля.

Диаметр обода d и ширина профиля определяются из обозначения шины.

Использование силы P_к (6.4) для движения АТС зависит от способности автомобильного колеса, находящегося под воздействием нормальной нагрузки G_нgвоспринимать или передавать касательные силы при взаимодействии с дорогой. Это качество автомобильного колеса и дороги принято оценивать силой сцепления шины с дорогой P_φn или коэффициентом сцепления φ.

Силой сцепления шины с дорогой P_φn называют максимальное значение горизонтальной реакции Т_n(рис. 6.2), пропорциональное нормальной реакции колеса R_n:

; (6.6)

; (6.7)

(6.8)

Для движения колеса без продольного и поперечного скольжения необходимо соблюдать условие

. (6.9)

В зависимости от направления скольжения колеса различают коэффициенты продольного φ_х и поперечного φ_у сцепления. Коэффициент φ_х зависит от типа покрытия и состояния дороги, конструкции и материала шины, давления воздуха в ней, нагрузки на колеса, скорости движения, температурных условий, процента скольжения (буксования) колеса.

G_ng

Xn

Yn

Рис.6.2. Схема сил, действующих на колесо автомобиля

Величина коэффициента φ_х в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия может изменяться в очень широких пределах. Это изменение обусловлено не столько типом, сколько состоянием верхнего слоя дорожного покрытия. Причем тип и состояние дорожного покрытия оказывает на величину коэффициента φ_х значительно большее влияние, чем все другие факторы. Поэтому в справочниках φ_х приводится в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия.

К основным факторам, связанным с шиной и влияющим на коэффициент φ_х, относятся удельное давление (зависит от давления воздуха в шине и нагрузки на колесо) и тип рисунка протектора. Оба они непосредственно связаны со способностью шины выдавливать в стороны или прорывать пленку жидкости на дорожном покрытии для восстановления с ним надежного контакта.

При отсутствии поперечных сил P_φn и Y_n коэффициент φ_х возрастает с увеличением проскальзывания (буксования) шины по дороге. Максимум φ_х достигается при 20 – 25 % проскальзывания. При полном буксовании ведущих колес (или юзе тормозных колес) коэффициент φ_х может быть на 10 – 25 % меньше максимального (рис. 6.3, а).

С увеличением скорости движения автомобиля коэффициент φ_х обычно уменьшается (рис. 6.3, б). При скорости 40 м/с он может быть в несколько раз меньше, чем при скорости 10 – 15 м/с.

Определяют φ_х обычно экспериментально методом буксирования автомобиля с заблокированными колесами. При эксперименте регистрируют силу тяги на крюке буксира и нормальную реакцию заблокированных колес. Поэтому справочные данные по φ_х относятся, как правило, к коэффициенту сцепления при буксовании (юзе).

Коэффициент поперечного сцепления φ_у обычно принимают равным коэффициенту φ_х и при расчетах пользуются средними значениями коэффициента сцепления φ (табл. 6.1).

φ_х

φ_х

б

а

3

2

1

v, м/с

Рис. 6.3. Влияние на коэффициент φ_х различных факторов:

а – изменение коэффициента φ_х в зависимости от проскальзывания; б – изменение
коэффициента φ_х в зависимости от скорости качения колеса: 1 – сухая дорога
с асфальтобетонным покрытием; 2 – мокрая дорога с асфальтобетонным покрытием;
3 – обледеневшая ровная дорога
Таблица 6.1

Дорожное покрытие	Состояние покрытия	Давление в шине
		высокое	низкое	регулируемое
Асфальт, бетон	Сухое Мокрое	0,5–0,7 0,35–0,45	0,7–0,8 0,45–0,55	0,7–0,8 0,5–0,6
Щебеночное	Сухое Мокрое	0,5–0,6 0,3–0,4	0,6–0,7 0,4–0,5	0,6–0,7 0,4–0,55
Грунтовое (кроме суглинка)	Сухое Увлажненное Мокрое	0,4–0,5 0,2–0,4 0,15–0,25	0,5–0,6 0,3–0,45 0,25–0,35	0,5–0,6 0,35–0,5 0,2–0,3
Песок	Сухое Влажное	0,2–0,3 0,35–0,4	0,22–0,4 0,4–0,5	0,2–0,3 0,4–0,5
Суглинок	Сухое В пластическом состоянии	0,4–0,5 0,2–0,4	0,4–0,55 0,25–0,4	0,4–0,5 0,3–0,45
Снег	Рыхлое Укатанное	0,2–0,3 0,15–0,2	0,2–0,4 0,2–0,25	0,2–0,4 0,3–0,45
Любое	Обледенелое	0,08–0,15	0,1–0,2	0,05–0,1

При расчетах тягово-скоростных свойств АТС различием в коэффициентах сцепления колес пренебрегают и максимальную тяговую силу, которую могут обеспечить ведущие колеса по сцеплению с дорогой, определяют по формуле

(6.10)

где R_n – нормальная реакция n-го ведущего колеса. Если тяговая сила ведущих колес превышает максимальную тяговую силу, то ведущие колеса автомобиля буксуют. Для движения АТС без буксования ведущих колес необходимо выполнение условия

, (6.11)

Выполнение условия (6.11) позволяет уменьшить время следования ПА к месту вызова в основном за счет уменьшения времени разгона t_r. При разгоне ПА важно реализовать максимально возможное по дорожным условиям Р_к. Если ведущие колеса ПА при разгоне пробуксовывают, то для движения реализуется меньшая Р_к и, как следствие, увеличивается t_r. Уменьшение Р_к при буксовании ведущих колес и объясняется тем, что при появлении скольжения колес относительно дороги на 20 – 25 % уменьшается φ_x (см. рис. 6.3). Уменьшение φ_x приводит к уменьшению P_φ (6.10) и, следовательно, к уменьшению реализуемой Р_к (6.11).

При движении ПА с места выполнить условие (6.11) только за счет правильного выбора частоты вращения коленчатого вала двигателя и номера передачи не удается. Поэтому разгон ПА от v=0 до v_min должен происходить при частичной пробуксовке муфты сцепления. Дальнейший разгон ПА от v_min до v_max без пробуксовки ведущих колес ПА с механической коробкой передач обеспечивается за счет правильного выбора положения педали подачи топлива (частоты вращения коленчатого вала двигателя) и момента переключения на высшую передачу.

6.1.2. Сила сопротивления качению колес пожарного автомобиля
Сопротивление качению колеса с пневматической шиной по недеформируемой дороге возникает в основном за счет затрат энергии на деформацию шины, так как деформации дороги незначительны. Работа, затраченная на участке 1–2 (рис. 6.4, а) на деформацию шины, больше, чем возвращенная на участке 2–3 (рис. 6.4, а) для восстановления ее формы, так как часть энергии расходуется на внутреннее трение резины. Поэтому давление p_z на участке 1–2 больше, чем на участке 2–3, и равнодействующая нормальных реакций R_n, cмещенная относительно оси 0 (рис. 6.4, а) в сторону движения, препятствует качению колеса.

Сопротивление качению колеса с пневматической шиной по деформируемой дороге (пашня, песок, неуплотненный снег) возникает в основном за счет затрат энергии на деформацию грунта (образование колеи) и на преодоление сил трения между колесом и грунтом (рис. 6.4, б).
а

б

в

0

0

Рис. 6.4. Схема сил, действующих на автомобильное колесо при качении:
а – по твердой дороге; б – по мягкому грунту; в – условное изображение в расчетных схемах ПА при составлении уравнения движения
В теории движения АТС реакцию R_n принято проводить через ось колеса 0 перпендикулярно опорной поверхности, а сопротивление качению колеса учитывать за счет силы Р_fn, направленной в сторону, противоположную движению колеса в плоскости дороги (рис. 6.4, в).

Сила сопротивления качению колес АТС является суммой сил сопротивления качению Р_fn всех колес:

(6.12)

где f_n– коэффициент сопротивления качению n-го колеса; R_n – нормальная реакция опорной поверхности n-го колеса; п – число колес.

Коэффициент сопротивления f_nу ведущих и ведомых колес отличается мало. Поэтому при расчетах движения ПАP_f можно вычислять по формуле (рис. 6.1):

, (6.13)

где α – угол продольного уклона дороги; f– коэффициент сопротивления качению колеса; g= 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Коэффициент сопротивления качению f зависит в основном от типа и состояния дорожного покрытия, конструкции шин и давления воздуха в них. Для практических расчетов в интервалах скоростей до 80 – 100 км/ч коэффициент fможно считать постоянной величиной, зависящей только от типа и состояния дорожного покрытия (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Тип дороги или покрытия	Состояние дороги или покрытия	Значение f
Дорога с асфальтобетонным покрытием	Сухая, в хорошем состоянии Сухая, в удовлетворительном состоянии	0,015–0,018 0,018–0,020
Дорога с гравийным покрытием в хорошем состоянии	Сухая	0,020–0,025
Булыжное шоссе	Сухое, в хорошем состоянии Сухое, с выбоинами	0,025–0,030 0,035–0,050
Грунтовая дорога	Сухая, укатанная Влажная (после дождя) В период распутицы	0,025–0,035 0,050–0,15 0,10–0,25
Песок	Сухой Сырой	0,10–0,30 0,060–0,150
Суглинистая и глинистая целина	Сухая В пластическом состоянии В текучем состоянии	0,040–0,060 0,100–0,200 0,20–0,30
Обледенелая дорога или лед	–	0,015–0,03
Укатанная снежная дорога	–	0,03–0,05

При скоростях движения ПА, больших 80 – 100 км/ч, необходимо учитывать увеличение f.

Коэффициент уменьшается с увеличением размера (и соответственно грузоподъемности) шины. Увеличение нагрузки на колесо сверх номинальной приводит к увеличению f. Например, при превышении нагрузки на колесо на 20 % сверх номинальной f увеличивается на 4 %.

На дорогах с твердым покрытием f уменьшается при увеличении давления воздуха в шинах, меньшие f имеют шины с мелким рисунком протектора.

Мощность N_f , кВт, необходимая для преодоления сил сопротивления качению колес АТС, определяется по формуле
. (6.14)

Здесь v в м/с²; G в кг; g в м/с².