Особенности динамики полноприводной машины.

Применение колесных машин со всеми ведущими колесами дает возможность реализовать для сцепления с опорной поверхностью всю (или почти всю) нормальную нагрузку на колеса машины. Это повышает проходимость машины (способность сохранять движение в трудных дорожных условиях). Для тракторов, которые всегда работают с буксованием ведущих колес, применение полного привода позволяет увеличить силу тяги на крюке при допустимом буксовании.

Кинематическая связь между осями может осуществляться различными способами:

1. Блокированный (жесткий) привод. V_тп ≠ V_тз или w_пR_п ≠ w_зR_з.

2. Дифференциальный привод.

3. Привод посредством механизма свободного хода.

4. Привод с помощью муфты вязкостного трения.

5. хDrive (автоматическое включение второго ведущего моста).

В то же время, оси этих колес, будучи жестко связаны с остовом машины, движутся с одинаковыми поступательными скоростями: V_дп = V_дз.

Так как действительная и теоретическая скорости движения машины связаны между собой соотношением: V_д = V_т(1 – К_б), то V_тп(1 – К_бп) = V_тз(1 – К_бз),

и, следовательно, устранение кинематического несоответствия может быть достигнуто только за счет различного буксования передних и задних колес К_бп ≠ К_бз.

Устранение кинематического несоответствия за счет буксования оказывает различное влияние на динамику полноприводной машины с жестким межосевым приводом в зависимости от состояния опорной поверхности.

Движение по деформируемой опорной поверхности

Величина буксования ведущих колес трактора зависит от нагрузки на крюке. При этом, в соответствии с агротехническими требованиями, буксование не должно превышать допустимой величины (К_{б доп} = 0,16 – для колесных тракторов 4х4). Поэтому наибольшая нагрузка, которую можно реализовать на крюке трактора, будет иметь место при допустимом буксовании передних или задних колес. Возможны три случая соотношения буксования передних и задних колес:

1. К_бп = К_бз = К_{б доп.} В этом случае трактор развивает максимальную нагрузку на крюке (кинематическое несоответствие отсутствует). Можно отметить, что усложнение конструкции трактора (второй ведущий мост, раздаточная коробка, карданная передача) оправдано, т.к. повышаются тяговые качества трактора.

2. К_бз < К_бп = К_{б доп}. По условиям сцепления задние колеса могли бы реализовать большую силу тяги, однако нагрузка на крюке ограничивается буксованием передних колес и нормальная нагрузка на задние колеса используется не полностью. Возможно, что усложнение конструкции трактора в данном случае не будет оправдано.

3. К_бп < К_бз = К_{б доп}. В данном случае по условиям сцепления передние колеса могли бы реализовать большую силу тяги, но буксование задних колес ограничивает силу тяги на крюке. Поэтому нормальная нагрузка на передние колеса используется не полностью.

Таким образом, при движении колесной машины с жестким межосевым приводом по деформируемой поверхности, зачастую, полностью использовать эксплуатационную массу машины в качестве сцепной не представляется возможным.

Движение по жесткой опорной поверхности

При наличии кинематического несоответствия выравнивание скоростей движения передних и задних колес обеспечивается за счет буксования или проскальзывания. Если передние и задние колеса, жестко связанные между собой, проходят один и тот же путь, то колеса с большим радиусом могут пробуксовывать, а с меньшим – проскальзывать в направлении движения. При этом на буксующих колесах возникает касательная сила тяги, направленная в сторону движения, а на проскальзывающих – касательная реакция, направленная против движения. Поэтому проскальзывающие колеса получают вращение от сцепления с опорной поверхностью, т.е. на них возникает дополнительный крутящий момент. Дополнительная мощность N_ц, возникающая на колесах, движущихся со скольжением, поступает на раздаточную коробку (рис. 3.8).

На раздаточную коробку подается эффективная мощность двигателя N_e и суммарная мощность (N_e + N_ц) через карданную передачу поступает на ведущий мост задних колес. Но для того, чтобы на передних колесах возникла касательная реакция Р_кп, их нужно толкать, т.е. мощность N_ц от задних ведущих колес через остов машины нужно передать передним колесам.

Таким образом, мощность N_ц, создаваемая касательной реакцией дороги на проскальзывающих колесах Р_кп, циркулирует по замкнутому кругу – от передних колес через трансмиссию к задним колесам, а от них через остов машины обратно к передним колесам. Мощность N_ц не может быть использована для преодоления внешних сопротивлений и является паразитной. Это явление называют циркуляцией мощности.

Во всех механизмах трансмиссии, через которые передается паразитная мощность, возникают дополнительные механические потери. Поэтому мощность, возникающая на проскальзывающих колесах, полностью к ним уже не вернется. Дефицит мощности будет восполняться двигателем, что равносильно установке на автомобиль менее мощного двигателя.

Оценку циркуляции мощности выполним на примере. Пусть автомобиль с полной массой m_a = 3 т движется по хорошей дороге (К_сц = 0,8) соскоростью V = 20 м/с. Предположим, что радиус передних колес меньше, чем задних R_п < R_з. Масса, приходящаяся на передние колеса составляет 1000кг, на задние – 2000кг. Буксование задних колес практически будет равно нулю, так как нормальная нагрузка на них в два раза больше, чем на передних. Передние колеса будут двигаться с проскальзыванием [ V_тп(1 – К_бп) = V_тз, K_бп < 0] и на них возникнет паразитная мощность:

N_ц = gm_пК_сцV = 9,81*1000*0,8*20 = 15696 Вт » 157 кВт, что примерно в два раза больше мощности двигателя.

Определим потери в трансмиссии от паразитной мощности, приняв механический кпд трансмиссии Кпд_тр = 0,9:

N_{тр ц} = N_ц(1 – Кпд_тр) = 157(1 – 0,9) = 15,7 кВт.

Таким образом, мощность двигателя, которую можно направить на преодоление внешних сопротивлений, будет на 15,7 кВт меньше, а топливо расходуется на всю эффективную мощность двигателя. Топливная экономичность автомобиля существенно ухудшится. Кроме того, механизмы трансмиссии, через которые передается паразитная мощность, будут иметь повышенный износ. Повышенный износ также будет наблюдаться у шин передних колес. К этому следует добавить, что скорость и ускорения автомобиля снизятся. Поэтому в конструкцию жесткого привода закладывают возможность отключения одного ведущего моста.

Дифференциальный привод

Установка в трансмиссии машины межосевого дифференциала устраняет кинематическое несоответствие, так как передняя и задняя оси могут вращаться с различными угловыми скоростями.

Недостатком дифференциального привода является зависимость силы тяги машины от силы тяги колеса, находящегося в худших условиях сцепления с опорной поверхностью. Для симметричного дифференциала касательные силы тяги передних и задних колес равны друг другу

Р_кп = Р_кз.

На хорошей дороге касательная сила тяги меньше силы сцепления, т.е.

Р_кп < Р_{сц п} = К_сцgm_п, Р_кз < Р_{сц з} = К_сцgm_з.

Если по какой-то причине коэффициент сцепления передних колес резко снизился К_{сц п} << К_{сц з}, то Р_кп = Р_{сц п} = К_{сц п}gm_п.

В силу симметричности дифференциала

Р_кп = Р_кз << К_{сц з}gm_з.

Если передние колеса будут буксовать на месте, машина остановится, т.к. суммарной касательной силы тяги передних и задних колес недостаточно для преодоления внешних сопротивлений. Межосевой дифференциал, в данном случае, не позволяет загрузить задние ведущие колеса, имеющие хорошее сцепление с опорной поверхностью. Поэтому возникает необходимость блокировки межосевого дифференциала.

Таким образом, межосевой дифференциальный привод устраняет кинематическое несоответствие, но ухудшает тяговую динамику машины на скользкой дороге.

Межосевой привод с механизмом свободного хода

Данный привод применяется на некоторых колесных тракторах (рис. 3.11). На тракторе МТЗ-82 в раздаточной коробке установлена роликовая муфта свободного хода, передающая крутящий момент на передний ведущий мост.

Передаточные числа трансмиссии подобраны таким образом, что теоретическая скорость передних колес несколько меньше, чем задних:

V_тп < V_тз, т.е. заранее создается определенное кинематическое несоответствие. Передние колеса под действием толкающей силы остова получают вращение за счет сцепления с опорной поверхностью. Обгонная муфта расклинивается и отключает привод на передний ведущий мост. Когда, вследствие буксования задних колес, поступательная скорость трактора снизится, ролики муфты свободного хода заклиниваются и передний ведущий мост автоматически включается. Такой привод осей устраняет возможность появления паразитной мощности. Однако роль переднего ведущего моста несколько снижается, так как он работает только при значительном буксовании задних ведущих колес (К_бз = 0,04…0,06). На случай частого отключения и включения переднего ведущего моста предусмотрена блокировка обгонной муфты.