Конструкция автомобиля


В. С. Волков












                КОНСТРУКЦИЯ АВТОМОБИЛЯ





Учебное пособие








Допущено Федеральным УМО по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта» в качестве учебного пособия для обучающихся по направлению подготовки 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта», уровень образования — среднее специальное образование









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК629.3.01/.08
ББК39.33
     В67

Рецензенты:
кафедра электротехники и автоматики
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»;
д-р техн. наук, проф. Поливаев О. И.





       Волков, В. С.
В67 Конструкция автомобиля : учебное пособие / В. С. Волков. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 200 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0329-0




           Рассмотрены основы конструктивного построения современных автомобилей и дана характеристика рабочих процессов их основных узлов и систем.
           Для студентов средних профессиональных учебных заведений, обучающихся по специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта», а также всех, чья деятельность связана с использованием автомобильного транспорта.

УДК 629.3.01/.08
ББК39.33











ISBN 978-5-9729-0329-0

     © ВолковВ.С.,2019
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

    ВВЕДЕНИЕ


     Транспортная работа современного автомобиля представляет собой процесс перемещения людей или грузов из пункта отправления в пункт прибытия во взаимодействии с рядом внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам относятся комфорт и стоимость перевозки, время нахождения транспортного средства в движении, количество перевозимых пассажиров или груза, удобство входа и выхода пассажиров либо погрузочно-разгрузочных работ. К внешним факторам относятся эксплуатационные нагрузки, транспортные и климатические условия, способность взаимодействия автомобиля с другими видами транспорта, соответствие технических характеристик автомобиля нормативным требованиям дорожного законодательства, охраны окружающей среды и безопасности движения.
     Движение автомобиля происходит по сложному пути, состоящему из прямолинейных и криволинейных участков различной кривизны, подъёмов и спусков, а также виражей и дорожных неровностей. При этом конструкция автомобиля должна удовлетворять ряду требований по обеспечению тяговой динамики, топливной экономичности, тормозной динамики, управляемости, устойчивости, проходимости, минимально возможного уровня шума и вибраций.
     Требования экологической безопасности принуждают производителей эксплуатационных материалов к производству более совершенных видов топлива, при сгорании которых в атмосферу выбрасывается меньшее количество отравляющих веществ. Повышение стоимости традиционных видов топлива нефтяного происхождения для двигателей внутреннего сгорания приводит к поиску альтернативных видов топлива на базе возобновляемых источников энергии, а в некоторых случаях к замещению силовых агрегатов с двигателями внутреннего сгорания электроприводом либо созданием так называемых гибридных конструкций.
     Процесс перевозки грузов или пассажиров автомобильным транспортом может быть единичным, цикличным или массовым. В любом случае при осуществлении перевозок решается ряд задач, связанных с соответствием технических возможностей подвижного состава требованиям транспортной работы в существующих дорожных условиях.
     Современные методы расчетных и экспериментальных исследований, основанные на принципах математического и физического моделирования, позволяют принимать решения по совершенствованию управления процессами перевозок и эксплуатацией автомобильного подвижного состава с учётом его конструктивных свойств и возможностей. При этом от специалистов, осуществляющих такие действия, требуется наличие соответствующих знаний в области конструктивного построения автомобиля и его эксплуатационных свойств, способности решения задач по оценке работоспособности автомобильных агрегатов, узлов или деталей, а также автомобиля или автопоезда в целом.

3

    ГЛАВА 1.
    ТИПАЖ АВТОМОБИЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

     Подвижной состав автомобильного транспорта включает одиночные автомобили, прицепные и седельные автопоезда, а также автопоезда-роспуски. В зависимости от функционального назначения одиночные конструкции могут быть подразделены на легковые, грузовые автомобили и автобусы. Грузовой подвижной состав может быть подразделен на универсальный, специализированный и специальный. К универсальному подвижному составу относятся автомобили и автопоезда, не имеющие конкретного назначения для каких-либо видов груза. К специализированному подвижному составу относятся автомобили и автопоезда, имеющие транспортное назначение для перевозки определенных видов грузов. К специальному подвижному составу относятся автомобили и автопоезда, оснащенные специальным технологическим оборудованием с рабочим циклом независимо от условий движения.

§ 1.1. Классификация автомобильного подвижного состава

     Типаж автомобильного подвижного состава классифицируется по основным конструктивным признакам, принципу использования и функциональному назначению.
     По характеристикам взаимодействия колес с дорожной поверхностью и габаритным размерам автомобили могут быть дорожными и внедорожными. Дорожные автомобили предназначены для транспортной работы на дорожной сети общего пользования. Осевые нагрузки и габаритные размеры таких автомобилей не превышают установленные дорожные ограничения. Внедорожные автомобили предназначены для движения по специальным дорогам, в связи с чем их осевые нагрузки и габаритные размеры могут значительно превышать ограничения, установленные для общей дорожной сети.
     В действующей базовой четырехзначной системе обозначения автомобильного подвижного состава предусмотрено семь классов подразделения транспортных средств на базе учета объема двигателя, максимальной разрешенной массы и длины транспортного средства (см. табл. 1.1).


Таблица 1.1
Классификация автомобильного подвижного состава

Класс            1     2     3     4     5     6    7 
Полная масса, т <1,2 1,2-2  2-8  8-14  14-20 20-40 >40
Объем           <1,2 1,2-2  2-4   >4                  
двигателя, л                                          
Длина, м        <3,5 3,5-5 5-7,5 7,5-9 9-11  11-20 --
4

      При этом прицепы отнесены к восьмому, а полуприцепы — к девятому классу.
      Вторая цифра в системе обозначения определяет вид транспортного средства в соответствии с его транспортным назначением:
      1 — легковой автомобиль;
      2 — автобус;
      3 — грузовой с бортовой платформой;
      4 — седельный тягач;
      5 — самосвал;
      6 — цистерна;
      7 — фургон;
      8 — резерв;
      9 — специального назначения.
      Последующие третья и четвертая цифры обозначают порядковый номер базовой модели. Пятой цифрой обозначается номер модификации, производимой на базе данной модели. В некоторых случаях экспортным вариантам базовой модели и ее модификациям присваивается шестой знак, обозначающий соответствие характеристик автомобиля зонам эксплуатации.

§ 1.2. Условия эксплуатации

      В качестве основных факторов, определяющих соответствие характеристик подвижного состава автомобильного транспорта условиям эксплуатации, выделяются транспортные, дорожные и климатические условия.
      Транспортные условия рассматриваются в комплексе характеристик вида, объема, расстояния и организации перевозок, условий технического обслуживания, ремонта и хранения автомобильного подвижного состава. В составе указанных характеристик перевозки могут быть грузовыми, пассажирскими, смешанными, специальными. В организации перевозок рассматриваются вопросы соответствия класса единиц подвижного состава объему перевозок, требования к обеспечению комфорта для пассажиров или сохранности груза.
      Дорожные условия рассматриваются в комплексе характеристик, оказывающих влияние на технико-экономические показатели работы автомобильного подвижного состава. Дорожные условия различаются по видам дорожных покрытий, значениям дорог, допускаемой нагрузке на дорогу, расчетной интенсивности и скорости движения, элементам профиля и плана дорог с учетом рельефа местности, числу полос движения и другим конструктивным элементам. По указанным характеристикам нормативной документацией установлено пять категорий дорог.
      Допускаемая нагрузка на дорогу может быть оценена величиной осевой нагрузки исходя из технической характеристики автомобиля. Допускаемые напряжения ок в зоне контакта шины с дорогой определяются по отношению вертикальной нагрузки на колесо Рк к площади отпечатка шины Fш,


5

0-к =

рк
Лп

      Износостойкость дорожного покрытия зависит как от нагрузки со стороны колес, так и от режима их качения. По данным [2], с увеличением тяговых или тормозных сил на колесах автомобиля резко возрастает интенсивность износа дорожной поверхности.
      Ровность дорожного покрытия существенно влияет на техникоэкономические показатели, износ и срок службы автомобилей и автопоездов, а также скоростной режим. В определении средней скорости транспортных потоков существенное влияние также оказывают зона видимости, ширина проезжей части, число полос, радиусы закруглений и продольных перегибов.
      Климатические условия определяют состояние дорожного покрытия, условия видимости, влажность воздуха и наличие атмосферных осадков, температуру окружающей среды. ГОСТ 16350-80 установлен перечень климатических зон на территории СНГ на основе определяющих факторов: диапазона температуры и относительной влажности воздуха. На территории России выделены две климатические зоны с умеренным (зона У) и холодным (зона ХЛ) макроклиматическими районами. Исходя из этого, автомобили, предназначенные для эксплуатации в зоне умеренного климата при температурах от -30 до +30 °С, должны проектироваться в стандартном исполнении. Автомобили, предназначенные для эксплуатации в зоне холодного климата с минимальными температурами воздуха до -60 °С, дополнительно к стандартной комплектации должны оснащаться устройствами облегчения пуска двигателя, обогрева аккумуляторной батареи и топливных баков, двойным остеклением, морозоустойчивыми резинотехническими элементами. Для работы узлов и агрегатов таких автомобилей должны применяться соответствующие температурным условиям эксплуатационные материалы.
      Совокупность дорожных, транспортных и климатических условий эксплуатации определяет скоростной и нагрузочный режимы работы подвижного состава, что существенно влияет на соотношение собственной массы автомобиля или автопоезда и массы перевозимого груза, что в конечном итоге определяет его производительность. Для достижения наибольшей производительности автомобиля в конкретных условиях эксплуатации необходимо решать сложную задачу по соответствию его конструктивных параметров большому числу внешних факторов, определяющих условия транспортной работы.


§ 1.3. Основные параметры автомобильного подвижного состава


      При выборе автомобилей и автопоездов для конкретных видов транспортной работы в качестве основных рассматриваются следующие параметры: снаряженная и максимальная разрешенная масса; удельная материалоемкость и масса груза; распределение сил тяжести от масс по осям; колесная формула; габаритные размеры, грузовместимость и пассажировместимость; совместимость характеристик двигателя и параметров трансмиссии.


6

     Параметры масс однотипных автомобилей при одинаковой максимальной разрешенной массе в зависимости от комплектации могут значительно различаться по величинам снаряженной массы и массы груза. Соотношение максимальной разрешенной массы mₐ и массы груза mг, характеризуемое коэффициентом тары [3] Кг,

и ”         ,
¹   rn,

т

может быть заданной величиной по условиям технического задания для соответствующих дорожных и эксплуатационных условий.
     Масса агрегатов автомобиля mагр находится в зависимости от максимальной разрешенной массы автомобиля. По данным [6], приближенная графическая зависимость mагр = f(ma) может иллюстрироваться рис. 1.1.

Рисунок 1.1 — Зависимость массы агрегатов mагр грузового автомобиля от его максимальной разрешенной массы mа: 1 — силового агрегата;
2 — тележки мостов, 2* — заднего ведущего моста; 3 — грузовой платформы; 4 — рамы; 5 — кабины; 6 — переднего моста

     В странах ЕЭС установлены следующие предельные значения максимальной разрешенной массы автомобильного подвижного состава:
     -  двухосного автомобиля — 18 т;
     -  трехосного автомобиля — 26 т;
     -  четырехосного автомобиля с двумя управляемыми осями — 32 т;
     -  двухосного прицепа — 18 т;
     -  трехосного прицепа — 24 т;
     -  седельного автопоезда с числом осей до шести при длине полуприцепа до 11,2м — 44 т.

7

     Удельная материалоемкость показывает, насколько эффективно используется масса автомобиля или автопоезда относительно его пробега. При этом удельная масса шасси Qшуд определяется как отношение

,    _ тсн-ш₃ _ _Шс_
ШУД  (та-тсн)Ь   тГЬ ,


где  тсн — снаряженная масса автомобиля или автопоезда;
       тз — масса заправки агрегатов и снаряжения;
       та — максимальная разрешенная масса автомобиля или автопоезда;
       тс — сухая масса (без груза и снаряжения) автомобиля или автопоезда;
       L — установленный пробег (наработка) автомобиля или автопоезда до капитального ремонта или конца срока службы.
       тг — масса груза.
      На основе указанной формулы можно определить удельную массу шасси как для автомобилей-тягачей, так и для их прицепных звеньев.
      Удельная грузоподъемность характеризует эффективность использования массы снаряженного автомобиля тсн относительно массы груза тг:
                                     —
ГУД  тсн
сн
      При оценке рассматриваемого соотношения также может использоваться коэффициент тары.
      Осевые нагрузки являются показателями взаимодействия колес с дорожной поверхностью. Дорожные автомобили и автопоезда отечественного производства в зависимости от создаваемых осевых нагрузок разделяются на две группы:
       1. Автомобили, автобусы на их базе и автопоезда с осевой нагрузкой до 6 000 даН (6 тс).
       2. Автомобили, автобусы на их базе и автопоезда с осевой нагрузкой от 6 000 даН (6 тс) до 10 000 даН (10 тс).
      Автомобили и автопоезда с осевой нагрузкой свыше 10 000 даН относятся к внедорожным, и их эксплуатация осуществляется на специально подготовленных дорогах.
      В странах ЕЭС автомобили и автопоезда дорожного исполнения могут иметь осевую нагрузку до 13 000 даН либо большую, если оценка взаимодействия колес с дорожной поверхностью производится по напряжениям в пятне контакта шины.
      Колесная формула автомобиля или автопоезда зависит от его назначения и условий эксплуатации. Как известно [8], движение транспортного средства возможно при соблюдении условия
GBM^x > mₐg у,

где  Gвм — вертикальная нагрузка от силы тяжести на ведущий мост, Н;
       (ях — коэффициент сцепления ведущих колес с дорогой в прямом направлении;

8

      mₐ — максимальная разрешенная масса автомобиля или автопоезда, кг;
      g — ускорение свободного падения, g =9,81 м/с²;
      V — коэффициент дорожных сопротивлений.
При этом коэффициент сцепной нагрузки, определяемый по формуле

к'-7%
представляет собой часть вертикальной нагрузки от массы автомобиля или автопоезда, приходящейся на ведущий мост, и может быть использована для реализации сцепных качеств колес с дорогой.
     Число ведущих колес автомобиля или автопоезда определяется с учетом его назначения при реализации тягово-сцепных сил в наиболее неблагоприятных дорожных условиях. Исходя из этого автомобили с колесной формулой 6^2 находят ограниченное применение вследствие ограниченной нагрузки на ведущие колеса.
     Габаритные размеры автомобильных транспортных средств дорожного исполнения могут быть в пределах 2,55 м по ширине, 4,0 м по высоте и 20 м по длине, включая один прицеп. Внедорожные автомобили могут иметь габаритные размеры, превосходящие указанные величины.
     Грузовместимость автомобиля или автопоезда может оцениваться коэффициентом использования массы груза k^, определяемого по отношению фактической массы груза при полном использовании площади платформы mгф к конструктивной массе груза mгк,

к
л-мг

—
"'гк

     Плотность грузов обычно находится в пределах уг = 0,3-3,5 т/м³, исходя из чего определяется площадь платформы и объем грузового помещения.
     Пассажировместимость автобуса, проектируемого на базе узлов и агрегатов грузового автомобиля, по нагрузке также может быть оценена коэффициентом kмг, определяемым по данной формуле, при этом в определении масс принимается масса одного пассажира 70 кг, а для автобусов междугородного сообщения дополнительно к массе пассажира принимается масса багажа 30 кг, итого 100 кг на одного человека. Расчет площади пассажирского салона производится исходя из нормативных значений площади пассажирских сидений, а также площади прохода и вспомогательных помещений.
     Совместимость характеристик двигателя и параметров трансмиссии может оцениваться по коэффициенту эффективности kэф использования автомобиля или автопоезда, определяемого по формуле

кэф

ЖгЧр Qcp

где mг — масса груза, т;
       Vср — средняя скорость транспортной работы, км/ч; qср — средний путевой расход топлива, л/100 км.

9

      Произведение mY-Vср определяет часовую производительность автомобиля или автопоезда, которую также можно рассматривать как оценочный показатель.
      Оценка тяговой динамики транспортного средства может быть произведена по удельной мощности Nуд, определяемой по отношению максимальной мощности двигателя Nₑₘₐₓ к максимальной разрешенной массе mа автомобиля или автопоезда,

^УД _

^етах та •

      Для легковых автомобилей и автобусов, производимых на их базе, удельная мощность обычно находится в пределах 0,03-0,05 кВт/кг; для грузовых автомобилей и производимых на их базе автобусов Nуд = 0,01-0,03 кВт/кг; для магистральных автопоездов Nуд = 0,005-0,015 кВт/кг. При этом чем большей удельной мощностью характеризуется автомобиль или автопоезд, тем большей он обладает приёмистостью, то есть способностью к быстрому изменению скорости при разгоне.


§ 1.4. Компоновочные схемы


      Разработка компоновочной схемы осуществляется с целью рационального взаимного размещения основных узлов и агрегатов, рабочего места водителя и пассажирского салона, грузовой платформы, обеспечивающих выполнение автомобилем или автопоездом его функционального назначения с наибольшей эффективностью в заданных эксплуатационных условиях. В современных условиях нашли применение следующие варианты компоновочных схем.
      Для легковых автомобилей:
       -  классическая — двигатель спереди, ведущие колеса задние;
       -  переднеприводная — двигатель спереди, ведущие колеса передние;
       -  заднемоторная — двигатель сзади, ведущие колеса задние;
       -  классическая полноприводная с приводом на все колеса.
      Для грузовых автомобилей:
       -  классическая;
       -  классическая полноприводная.
      Для автобусов:
       -  классическая;
       -  заднемоторная;
       -  двигатель под полом салона, ведущие колеса задние.
      Компоновочная схема автопоезда определяется числом звеньев и его типом: седельным или прицепным. К преимуществам седельных автопоездов относятся более широкие возможности для специализации. Однако прицепные автопоезда при такой же максимальной разрешенной массе могут перевозить на 10-15 % больше груза. При этом автомобиль-тягач можно рассматривать как самостоятельную транспортную единицу. Основной задачей компоновки автопоезда является повышение его массы груза и объемной грузовместимости.

10