Теория автомобилей и двигателей


ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 996 г.



В.П. ТАРАСИК
М.П. БРЕНЧ



            ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЕЙ И ДВИГАТЕЛЕЙ


    УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, исправленное

znanium.com

Москва ИНФРА-М 2022

УДК 621.43(075.8)
ББК 31.365я73
      Т19



      Рецензенты:
         цикловая комиссия специальных предметов Минского государственного автомеханического колледжа;
         Красневский Л.Г., доктор технических наук, заместитель директора Научного центра проблем механики машин Национальной академии наук Беларуси;
         Богданович А.В., доктор технических наук, доцент, директор Лид-ского колледжа Гродненского государственного университета имени Янки Купалы


      Тарасик В.П.
Т19 Теория автомобилей и двигателей : учебное пособие / В.П. Тарасик, М.П. Бренч. — 2-е изд., испр. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 448 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

         ISBN 978-5-16-006210-5 (print)
         ISBN 978-5-16-101224-6 (online)
         Изложены основные положения теории автомобилей и теории автомобильных двигателей. Рассмотрены рабочие процессы автомобильных двигателей внутреннего сгорания и их технические характеристики. Дано математическое описание процессов движения автомобилей, приведены нормативные значения показателей оценки их качества и эффективности. Предметный указатель позволяет легко ориентироваться в тексте.
         Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы».

УДК 621.43(075.8)
ББК 31.365я73

ISBN 978-5-16-006210-5 (print)
ISBN 978-5-16-101224-6 (online)

© Тарасик В.П., Бренч М.П., 2013
© ООО «Новое знание», 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ




Предисловие .........................................7
Список сокращений....................................9

   РАЗДЕЛ I. ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Глава 1. Основы технической термодинамики и гидродинамики .... 12
1.1. Систематизация и классификация тепловых двигателей ........................................ 13
1.2. Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов ...........................21
1.3. Первый закон термодинамики ....................26
1.4. Термодинамические процессы в идеальных газах ..30
1.5. Второй закон термодинамики и термодинамические циклы ..............................................38
1.6. Основы гидродинамики ..........................41
Глава 2. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания .......................................... 49
2.1. Теоретические циклы поршневых тепловых двигателей ....50
2.2. Действительные рабочие циклы поршневого теплового двигателя.................................54
2.3. Показатели мощности и экономичности ...........67
2.4. Характеристики двигателей......................72
2.5. Испытания двигателей...........................78
Глава 3. Смесеобразование в двигателях..............84
3.1. Карбюрация ....................................85
3.2. Впрыск бензина ................................96
3.3. Смесеобразование в дизелях ....................98
Глава 4. Кинематика и динамика поршневых двигателей внутреннего сгорания ............................. 109
4.1. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма ......................................... 110
4.2. Уравновешивание двигателя .................... 119
4.3. Порядок работы двигателей .................... 126

Оглавление

Глава 5. Пути улучшения показателей двигателя ....... 133
5.1. Тепловой баланс двигателя ...................... 133
5.2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей .............. 137
5.3. Экологические показатели работы двигателя....... 141

РАЗДЕЛ II. ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЯ

Глава 6. Взаимодействие автомобиля с внешней средой . 150
6.1. Эксплуатационные свойства автомобиля ........... 151
6.2. Факторы воздействий на механизмы автомобиля... 153
6.3. Физические процессы при прямолинейном движении колеса ..................................... 156
6.4. Скорость колеса и автомобиля ................... 164
6.5. Сопротивление качению колеса ................... 168
6.6. Уравнения движения колеса ...................... 174
6.7. Сцепление колеса с дорогой ..................... 179
6.8. КПД трансмиссии ................................ 186
6.9. Система сил и моментов, действующих на автомобиль при прямолинейном движении ............ 188
6.10. Уравнение прямолинейного движения автомобиля. 194
6.11. Нормальные реакции дороги ..................... 197

Глава 7. Тягово-скоростные свойства автомобиля........202
7.1. Оценочные показатели ............................202
7.2. Динамическая характеристика автомобиля ..........207
7.3. Тягово-скоростные свойства автопоезда............214
7.4. Разгон автомобиля ...............................218
7.5. Преодоление подъемов ............................225
7.6. Мощностной баланс автомобиля.....................228

Глава 8. Тормозные свойства автомобиля ...............235
8.1. Тормозные системы автомобиля и виды торможений .... 235
8.2. Оценочные показатели тормозных свойств автомобиля ...........................................237
8.3. Уравнение движения автомобиля при торможении ....241
8.4. Способы торможения автомобиля....................249
8.5. Распределение тормозных моментов между мостами автомобиля ...........................................251

Оглавление

5

8.6. Снижение эффективности тормозной системы при постоянном распределении тормозных моментов ....254
8.7. Регулирование тормозных моментов...............256
8.8. Особенности торможения автопоезда .............269
8.9. Понятие об экспертизе дорожно-транспортного происшествия .......................................271

Глава 9. Топливная экономичность автомобиля ........276
9.1. Оценочные показатели топливной экономичности....276
9.2. Уравнения расхода топлива......................280
9.3. Топливная характеристика автомобиля ...........284
9.4. Топливная экономичность автопоезда.............286
9.5. Расход топлива в ездовом цикле.................288
9.6. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на тягово-скоростные свойства и топливную экономичность автомобиля ...........................295

Глава 10. Криволинейное движение автомобиля ........306
10.1. Условия осуществления поворота................308
10.2. Боковой увод колеса ..........................312
10.3. Кинематика поворота автомобиля ...............317
10.4. Система сил и моментов, действующих на автомобиль при криволинейном движении..........................321

Глава 11. Устойчивость автомобиля ..................331
11.1. Оценочные показатели устойчивости.............332
11.2. Поперечная устойчивость автомобиля ...........333
11.3. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на поперечную устойчивость автомобиля .....337
11.4. Занос мостов автомобиля ......................342
11.5. Поворачиваемость автомобиля ..................347
11.6. Стабилизация управляемых колес ...............353
11.7. Колебания управляемых колес...................358

Глава 12. Управляемость автомобиля .................365
12.1. Оценочные показатели управляемости автомобиля .365
12.2. Траекторная управляемость автомобиля..........367
12.3. Определение показателей управляемости автомобиля .........................................373

Оглавление

Глава 13. Проходимость автомобиля .................391
13.1. Профильная проходимость......................392
13.2. Опорно-сцепная проходимость..................400
13.3. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на проходимость автомобиля................403
Глава 14. Плавность хода автомобиля ...............412
14.1. Оценочные показатели плавности хода .........413
14.2. Колебания автомобиля ........................417
14.3. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на плавность хода автомобиля..............425
Ответы к задачам...................................432
Приложение. Ограничения на осевые нагрузки АТС.....436
Литература.........................................438
Предметный указатель...............................440

ПРЕДИСЛОВИЕ



Теория автомобилей и двигателей является одной из базовых дисциплин, которые определяют профессиональный фундамент знаний отраслевого специалиста. Ее изучение основывается на знаниях из курсов физики, математики, технической механики, устройства автомобиля и основ гидравлики, пневматики и тепло-механики. Расположение и объем материала в учебном пособии соответствует рекомендациям примерных тематических планов по предметам «Теория автомобилей и двигателей», «Теория, конструкция, расчет и проектирование двигателей внутреннего сгорания», «Конструкция, теория и основы расчета автомобиля».
   Учебный материал поделен на два раздела. Раздел «Теория автомобильных двигателей» написан кандидатом технических наук, доцентом М.П. Бренчем. Цель данного раздела — дать учащимся системные знания, позволяющие выбрать двигатель для заданного транспортного средства, оценить его работоспособность и экономичность, организовать оптимальные условия эксплуатации с учетом специфики показателей двигателя. Задачи изучения этого раздела следующие:
   ♦    ознакомление с принципами систематизации и классификации двигателей автомобилей;
   ♦    изучение теории рабочих процессов теплового поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС);
   ♦    изучение вопросов кинематики и динамики кривошипно-шатунного механизма ДВС;
   ♦    ознакомление с методами определения скоростных и нагрузочных характеристик ДВС при испытаниях на специальных стендах;
   ♦    ознакомление с нормативными документами по ограничению выбросов вредных веществ при работе двигателя;
   ♦    развитие навыков и умений при расчетах и анализе качественных показателей рабочего процесса ДВС и экспериментальных характеристик двигателей.
   Раздел «Теория автомобиля» написан доктором технических наук, профессором В.П. Тарасиком. Цель данного раздела — дать основы знаний по выбору конструктивных параметров автомобиля, обеспечивающих заданные эксплуатационные свойства, которые связаны с его движением. В нем, во-первых, рассматри-

Предисловие

ваются вопросы общей динамики автомобиля при взаимодействии с внешней средой, а во-вторых, на этой основе изучаются важнейшие эксплуатационные свойства автомобиля: тягово-скоростные, тормозные, а также топливная экономичность, устойчивость, управляемость, плавность хода и проходимость. Изучив изложенные материалы, учащийся должен уметь:
   ♦    выполнять расчеты по определению и анализу эксплуатационных свойств автомобилей;
   ♦     выбирать конструктивные параметры автомобиля, обеспечивающие заданные оценочные критерии эксплуатационных свойств автомобиля;
   ♦    оценивать эксплуатационные свойства автомобиля по существующим нормативам.
   В учебном пособии использована современная терминология, отражены способы повышения показателей двигателя, а также тягово-скоростных, тормозных свойств автомобиля и виброзащиты водителя, пассажиров и грузов. Отдельный параграф посвящен описанию работы двигателя с впрыском топлива. Впервые предложена методика систематизации тепловых двигателей транспортных средств, т.е. объединения их на основе общих признаков. Такой подход позволяет увидеть связь частных технических решений с представлением о функционировании технического объекта (в данном случае двигателя внутреннего сгорания) в целом.
   Для оперативного самоконтроля в конце каждой главы приводятся контрольные вопросы и задачи. Пособие снабжено предметным указателем, что позволяет легко ориентироваться в тексте.
   Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам — инженеру С.И. Желубовскому и доктору технических наук, профессору Л.Г. Красневскому, а также будут признательны за все высказанные пожелания и замечания по улучшению содержания издания.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ



АБС — антиблокировочная система
АТС — автотранспортные средства
ВМТ — верхняя мертвая точка
ВФЭ — вспомогательные функциональные элементы
ГТ — газовая турбина
ГРМ — газораспределительный механизм
ГФЭ — главные функциональные элементы
ДВС — двигатель внутреннего сгорания
ДТП — дорожно-транспортное происшествие
ИДС — информационно-диагностическая система
КС — камера сгорания
КП — конечный преобразователь
КПД — коэффициент полезного действия
КШМ — кривошипно-шатунный механизм
МЦС — мгновенный центр скоростей
НМТ — нижняя мертвая точка
ОГ — отработавшие газы
ПБС — противобуксовочная система
ПДК — предельно допустимая концентрация
ПКВ — поворот коленвала
ПП — первичный преобразователь
РТ — рабочее тело
РТМ — регулятор тормозных моментов
РГП — распределитель газовых потоков
СВТ — система воспламенения топлива
СВОГ — система выпуска отработанных газов
СМ — смеситель
СПВ — система подачи воздуха
СПТ — система подачи топлива
СПТС — система поддержания теплового состояния
СПУСК — система пуска
СУПР — система управления
СУСТР — система уменьшения сил трения
УОВТ — угол опережения впрыска топлива
УОЗ — угол опережения зажигания
УУЭП — устройство улучшения экологических показателей ЭБУ — электронный блок управления

Раздел

I


        ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ



       □     Глава 1. Основы технической
             термодинамики и гидродинамики

       □     Глава 2. Термодинамические циклы
             двигателей внутреннего сгорания


□

             Глава 3. Смесеобразование в двигателях


       □     Глава 4. Кинематика и динамика поршневыхдвигателей внутреннего сгорания

       □     Глава 5. Пути улучшения показателей двигателя

Глава 1

    ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И ГИДРОДИНАМИКИ


1.1. Систематизация и классификация тепловых двигателей
1.2. Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов
1.3. Первый закон термодинамики
1.4. Термодинамические процессы в идеальных газах
1.5. Второй закон термодинамики и термодинамические циклы
1.6. Основы гидродинамики

Автомобиль для выполнения своей технической функции — перевозки грузов и людей — должен иметь источник энергии. Таким источником на автомобиле является двигатель. Двигатель — машина, которая преобразует любой вид энергии в механическую энергию. Машина — комплекс механизмов, предназначенный для выполнения требуемой полезной работы, связанной с процессом производства, транспортирования или преобразования энергии. Механизм- — связанная система тел (звеньев), предназначенная для совершения определенных целесообразных движений. Поток механической энергии от двигателя передается через механизмы трансмиссии к ведущим колесам. В результате взаимодействия колес с опорной поверхностью дороги возникает сила тяги. В связи с этим в технике часто используют понятие «силовая установка», которая представляет собой совокупность двигателей и других машин, предназначенных для выработки механической энергии за счет энергии другого рода.
   Исходя из современного уровня знаний можно назвать не менее десяти видов энергии, которые можно подать на вход двигателя и получить на выходе механическую энергию
   В двигателях автотракторного типа используют упругостную, химическую, электрическую и электромагнитную энергию. Упругостную энергию запасают в виде сжатого газа и используют, например, при пуске двигателя. Высвобождается эта энергия при снятии внешних сил с упругого тела. Химическая энергия запасается в виде жидкого, газообразного или твердого топлива и высвобождается при горении. Поскольку при горении выделяется теплота, двигатели, преобразующие эту тепловую энергию в механическую, называются тепловыми (наиболее распространены на наземном транспорте и в авиации).

Глава 1. Основы технической термодинамики и гидродинамики

13

   Электрическая энергия, т.е. энергия упорядоченного движения заряженных частиц, преобразуется в механическую энергию с помощью электродвигателя. Запасать ее можно, например, в электроаккумуляторах. Примером использования электрической энергии на транспорте является троллейбус.
   Электромагнитная энергия, т.е. энергия солнечного света, сначала преобразуется в электрическую с помощью солнечной батареи и затем через электродвигатель — в механическую.


    1.1. Систематизация и классификация тепловых двигателей

На автомобильном транспорте преимущественное распространение получили тепловые двигатели. В настоящее время в технике разработано множество двигателей различных принципиальных и конструктивных схем. Чтобы облегчить их изучение, понять общие принципы функционирования и особенности конкретного конструктивного исполнения, в инженерной практике используют такие приемы познания, как классификация и систематизация. В нашем случае классификация есть разделение множества двигателей на группы по принятым существенным признакам, т.е. признакам, которые прогнозируют, предопределяют другие признаки двигателя в данной группе. Фактически пользуясь приемом классификации, мы выделили тепловые двигатели из множества двигателей.
   Можно ли обобщить устройство тепловых двигателей, чтобы понять, почему существует такое их конструктивное разнообразие и как прогнозировать вариативные конструкторские решения? Для этого надо системно объединить известные конструктивные решения. Конструктивная структура двигателя, графическим изображением которой является чертеж, представляет каждую деталь двигателя как самостоятельное конструктивное целое. Чертеж двигателя всегда привязан к индивидуальной конструкторской реализации и общие принципы устройства в нем разглядеть затруднительно. Поэтому для системного анализа будем использовать функциональные схемы.
   Функциональная схема (модель) теплового двигателя — это графическое изображение его структуры, каждая часть которой вы

Раздел I. Теория автомобильныхдвигателей

полняет определенную функцию (т.е. имеет свое назначение), с указанием пути передачи воздействий между ними. В функциональной структуре элемент отождествляется с действием, которое он должен совершать, т.е. показывает, что надо делать, но не показывает, как надо делать. Если в разных конструкциях есть одинаковые действия элементов, значит, они для этих конструкций общие, и совокупность их позволит систематизировать схему технического объекта.
   Систематизация тепловых двигателей — это выявление функциональных элементов, обеспечивающих реализацию принципов работы двигателей различных конструкций, установление связей между ними и объединение их в обобщенную функциональную структуру двигателя.
   Функциональная модель теплового двигателя на метауровне (наиболее обобщенное представление) показана на рис. 1.1, а. На входе — топливо Ст и окислитель Gок (обычно это кислород, содержащийся в воздухе Gb), на выходе — вращающий момент Ми угловая скорость выходного вала и. Показана обязательная отдача части теплоты холодному источнику Qхол для удовлетворения второго закона термодинамики (толкование этого закона см. в § 1.5).
   Функциональная модель на макроуровне иллюстрирует процесс преобразования энергии в тепловом двигателе (рис. 1.1, б). Выделим здесь первичный преобразователь ПП, где происходит


Рис. 1.1. Функциональная модель теплового двигателя: а — на метауровне; б — на макроуровне