С какой силой движется авто

Основы тягового расчета

* ( Ю. А. Долматовский. Автомобиль в движении. М., Машгиз, 1957.)

Из механики известно, что для того, чтобы привести в движение какую-либо тележку или остановить ее, необходимо приложить к ней внешнюю силу. От величины этой силы будет зависеть длина пути и скорость движения тележки. Если тележка движется по горизонтальной поверхности без приложения силы, то она постепенно замедляет свой ход из-за сопротивления дороги качению колес тележки и трения в подшипниках осей или колес. Общую величину сил сопротивления движению можно определить с помощью динамометра (обыкновенных пружинных весов), как показано на рис. 23.

Рис. 23. Определение величины силы сопротивления движению

Если пренебречь силой трения в подшипниках оси тележки (колес), то та сила, которую покажет динамометр, будет определять сопротивление качению. Она зависит также от веса самой тележки и груза, перемещаемого ею. На месте тележки представим автомобиль. Буксируя его, включив в буксирное устройство динамометр, можно измерить силу сопротивления движению. Если обозначить силу буквой Р_к, вес автомобиля с грузом G, а через ƒ коэффициент, характеризующий силу сопротивления качению, тогда можно записать следующее равенство:

Как мы видим, сила сопротивления качению колес изменяется при изменении веса автомобиля и коэффициента сопротивления качению. Последний же зависит от поверхности, по которой автомобиль движется, от типа шин и ряда других факторов. Значение коэффициента сопротивления качению не остается постоянным, даже если рассматривать одну и ту же поверхность. При оборудовании автомобиля пневматическими шинами оно меняется в зависимости от внутреннего давления воздуха в шинах, скорости движения, рисунка протектора шин и др. Для приближенных расчетов, которыми мы будем оперировать в дальнейшем, влиянием последних факторов можно пренебречь.

Средние значения коэффициента сопротивления качению для дорог с различным дорожным покрытием и для автомобилей, оборудованных пневматическими шинами, приведены в табл. 1. Зная значение этого коэффициента и примерный вес автомобиля, нетрудно подсчитать силу сопротивления качению на дорогах с различным покрытием.

Таблица 1

Помимо рассмотренной выше силы сопротивления качению автомобиля, имеется еще ряд сил, которые либо тормозят движение, либо в определенных условиях, наоборот, помогают движению. Так как автомобиль движется в воздушной среде, на него действует сила сопротивления воздуха, которая резко возрастает с увеличением скорости. При расчетах влияние сопротивления воздуха следует учитывать лишь при скоростях выше 40-50 км/час.

Величина силы сопротивления воздуха зависит не только от скорости движения, но и от лобовой площади автомобиля, его формы и степени шероховатости поверхности. Факторы, влияющие на величину этой силы, характеризуются коэффициентом сопротивления воздуха, зная который, а также зная площадь лобового сечения, нетрудно определить значения этой силы для различных скоростей движения.

При проектировании новых моделей автомобилей величину лобовой площади и коэффициента обтекаемости берут по аналогии с существующими конструкциями.

Сила сопротивления воздушной среды может быть определена по формуле:

К другим силам, действующим на автомобиль во время движения, относятся: сила тяжести, которая в определенных условиях может даже способствовать увеличению скорости, являясь в этом случае движущей силой, и сила инерции.

Действие силы тяжести хорошо известно каждому из нас. Идя по горизонтальной поверхности, мы не особенно ощущаем ее. Но вот дорога пошла в гору, идти стало труднее, приходится тратить больше сил, чем когда шли по ровной поверхности. На спуске же, наоборот, какая-то дополнительная сила ускоряет наш шаг и приходится прилагать усилие, чтобы замедлить движение, противодействовать этой силе.

На горизонтальном участке дороги сила тяжести не способствует движению и не тормозит его, если, конечно, не считать, что с увеличением самой силы тяжести возрастает сопротивление качению. На подъеме одна из составляющих этой силы, направленной вдоль дороги, как это показано на рис. 24, становится силой сопротивления, затормаживая движение автомобиля. При спуске составляющая силы тяжести, направленная параллельно дороге, помогает автомобилю двигаться, становится движущей силой и очень часто может достичь такой величины, что превзойдет все силы сопротивления по своей величине, а автомобиль под действием этой силы без дополнительных причин начнет двигаться под уклон.

Рис. 24. Действие силы тяжести на подъеме и спуске

Подсчет значения этой силы производится по формуле:

где G_a— полный вес автомобиля, кгс;

Часто подъем на дорогах считается не по величине угла подъема, а в процентах, что соответствует тангенсу угла подъема. Для быстрого перевода одних величин в другие можно воспользоваться номограммой (рис. 25).

Рис. 25. Номограмма перевода значений угла подъема из градусов в проценты и обратно

Действие силы инерции каждый из нас не раз испытывал на себе, совершая поездку на транспорте. При резких изменениях скорости (торможение или ускорение) сила инерции отклоняет нас вперед или назад. Чем резче изменяется скорость, тем больше эта сила.

Точно так же действует сила инерции и на автомобиль: при увеличении скорости она противодействует движению, являясь силой сопротивления разгону, а при замедлении движения выполняет роль движущей силы. При точных расчетах движения автомобиля учитывают как силу инерции массы всего автомобиля, так и силу инерции вращающихся частей автомобиля, ускоряющих или замедляющих свое вращение. Если известно ускорение автомобиля, тогда можно подсчитать значение силы сопротивления разгону по формуле, взяв произведение массы автомобиля и ускорения,

Массу автомобиля при известном его весе нетрудно получить, разделив последний на ускорение силы тяжести.

Таким образом, при движении автомобилю необходимо преодолеть следующие силы сопротивления: сопротивление качению, сопротивление воздушной среды, сопротивление подъему и сопротивление сил инерции.

Когда движущая сила уравновесит все силы сопротивления, движение автомобиля равномерно. Если же величина движущей силы больше суммы всех сил сопротивления, происходит разгон автомобиля, увеличивается его скорость.

Откуда же берется сила, движущая автомобиль? Работы двигателя еще недостаточно, чтобы автомобиль пришел в движение. Всем известно, что и при работающем двигателе автомобиль может оставаться на месте. Чтобы он начал движение, к нему должна быть приложена какая-нибудь внешняя сила. Автомобиль начнет двигаться лишь тогда, когда крутящий момент от двигателя будет подведен к его колесам, а между ними и дорогой возникнет сила трения, которая обеспечивает сцепление колес с дорогой, что, в свою очередь, способствует возникновению внешней силы, заставляющей двигаться автомобиль.

Покажем на примере. Возьмем маленькое колесо, насаженное на ось, и раскрутим его в воздухе. Под действием крутящего момента оно будет вращаться. Но как только раскрученным колесом коснуться поверхности и отпустить ось, колесо покатится.

Конечно, движущая сила должна преодолеть все силы сопротивления. Только тогда возможно движение. А так как эти силы переменные, то при увеличении их должен возрастать и крутящий момент, подводимый к колесам, помощью которого можно изменять реактивную силу. Однако здесь есть предел, вызванный тем, что сцепление колес с дорогой имеет определенные границы. Когда реакция дороги или равная ей движущая сила Р_д достигнут определенной величины, свыше которой сцепление колес с дорогой нарушается, последние начнут проскальзывать. Тем самым подводимый к ведущим колесам крутящий момент не сможет быть использован, и дальнейшее его увеличение приведет лишь к возрастанию проскальзывавания (пробуксовки) ведущих колес.

Значение этой предельной силы можно подсчитать, если нам известен коэффициент сцепления,

Величина коэффициента сцепления зависит в основном от типа и состояния дорожного покрытия. Влияние других причин на изменение коэффициента сцепления можно не учитывать. Средние значения коэффициента сцепления, полученные на основе многочисленных замеров для различных типов дорожного покрытия, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Зная коэффициент сцепления и предполагаемый вес автомобиля, можно определить максимально возможную Движущую силу по сцеплению или, как ее называют автомобилисты, тяговую силу. Приравняв значение тяговой силы на ведущих колесах к силам сопротивления движению автомобиля, получим уравнение тягового баланса

Уравнение тягового баланса позволяет определить тяговую силу, когда известны силы сопротивления движению. С его помощью можно определять динамические качества автомобиля: максимальную скорость, ускорение, время разгона до определенной скорости и путь разгона. Используя это уравнение, можно подобрать двигатель для проектируемого автомобиля, определить сопротивление дороги, которое может преодолеть автомобиль данной конструкции, и максимально возможный подъем. Зная, за счет какой силы движется автомобиль и какие силы ему приходится преодолевать в процессе движения, можно заранее рассчитать его эксплуатационные качества.

Источник

Силы действующие на автомобиль при движении

Схема сил действующих на ведущее колесо

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Сила сцепления колес с дорогой

У легковых автомобилей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Сила сопротивления воздуха

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

Сила сопротивления подъему

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъему направлена в сторону движения и является движущей силой.

Источник

Теория движения автомобиля: основные элементы

Силы, действующие на автомобиль

На автомобиль, независимо от того, движется он или неподвижен, действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз.

Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равнодействующая этой силы, размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной из осей расположен центр тяжести, тем больше будет нагрузка на эту ось. На легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется примерно поровну.

Большое значение на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести не только в отношении продольной оси, но и по высоте. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль. Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы (см. рисунок): одна из них прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем скорее нарушится устойчивость и автомобиль может опрокинуться.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

На рисунке показана схема сил, действующих на автомобиль во время движения. К ним относятся:

Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги.

Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги на ведущих колесах), то колеса пробуксовывают.

Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.

Для определения влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который определяют делением силы сцепления ведущих колес автомобиля на вес автомобиля, приходящийся на эти колеса.

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния (наличия влаги, грязи, снега, льда); величина его приведена в таблице (см. рисунок).

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь и пыль. В этом случае грязь образует пленку, резко уменьшающую коэффициент сцепления.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием в жаркую погоду появляется на поверхности маслянистая пленка из выступающего битума, снижающая коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. Так, при возрастании скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.

Разгон, ускорение, накат

Мощность двигателя затрачивается на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения в механизмах трансмиссии.

Если величина усилия, с которым вращаются ведущие колеса, создавая тяговую силу, будет больше чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, т.е. с разгоном.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если тяговое усилие равно силам сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться без ускорения с равномерной скоростью. Чем выше максимальная мощность двигателя и меньше величина суммарных сил сопротивления, тем быстрее автомобиль достигнет заданной скорости.

Кроме того, на величину ускорения влияет вес автомобиля, передаточное число коробки передач, главной передачи, количество передач и обтекаемость автомобиля.

Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии, и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться некоторое время с отключенным двигателем – накатом. Движение накатом используют для экономии топлива.

Торможение автомобиля

Торможение автомобиля имеет большое значение для безопасности движения и зависит от его тормозных качеств. Чем лучше и надежнее тормоза, тем быстрее можно остановить движущийся автомобиль и тем с большей скоростью можно двигаться, а следовательно, и больше будет его средняя скорость.

Во время движения автомобиля накопленная кинетическая энергия поглощается при торможении. Торможению помогают силы сопротивления воздуха, сопротивления качению и сопротивления подъему. На уклоне силы сопротивления подъему отсутствуют, а к инерции автомобиля добавляется составляющая сила тяжести, которая затрудняет торможение.

При торможении между колесами и дорогой возникает тормозная сила, противоположная направлению силы тяги. Торможение зависит от соотношения между тормозной силой и силой сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой будет больше тормозной силы, то автомобиль затормаживается. Если тормозная сила будет больше силы сцепления, то при заторможенных колесах произойдет их скольжение относительно дороги. В первом случае при торможении колеса катятся, постепенно замедляя вращение, а кинетическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию, нагревающую тормозные колодки и диски (барабаны). Во втором случае колеса перестают вращаться и будут скользить по дороге, поэтому большая часть кинетической энергии будет превращаться в тепло трения шин о дорогу. Торможение с остановившимися колесами ухудшает управляемость автомобиля, особенно на скользкой дороге, и приводит к ускоренному износу шин.

Наибольшую тормозную силу можно получить только тогда, когда тормозные моменты на колесах будут пропорциональны нагрузкам, приходящимся на них. Если такая пропорциональность не будет соблюдена, то тормозная сила на одном из колес не будет полностью использована.

Эффективность торможения оценивается по тормозному пути и величине замедления.

Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль от начала торможения до полной остановки. Замедление автомобиля – это величина, на которую уменьшается скорость автомобиля за единицу времени.

Управляемость автомобиля

Под управляемостью автомобиля понимают его способность изменять направление движения.

Во время движения автомобиля по прямой очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес в нужном направлении. На автомобиле предусмотрена стабилизация управляемых колес в положении движения в прямом направлении, которая достигается продольным углом наклона оси поворота и углом между плоскостью вращения колеса и вертикалью. Благодаря продольному наклону колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению оси поворота снесена назад на величину а и его работа подобна ролику (см. рисунок).

При поперечном наклоне повернуть колесо всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движения по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса передняя часть автомобиля приподнимается на величину б (водитель прилагает сравнительно большее усилие к рулевому колесу).

Для возвращения управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, вес автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.

На автомобилях, особенно у тех, где давление воздуха в шинах невелико, возникает боковой увод. Боковой увод возникает в основном под действием поперечной силы, вызывающей боковой прогиб шины; при этом колеса катятся не по прямой, а смещаются в сторону под действием поперечной силы (см. рисунок).

Оба колеса передней оси имеют одинаковый угол увода. При уводе колес меняется радиус поворота, который увеличивается, уменьшая поворачиваемость автомобиля, а устойчивость движения при этом не изменяется.

При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается, особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем у передних, стабильность движения нарушается, автомобиль начинает «рыскать» и водителю все время приходится подправлять направление движения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давление воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем у задних. Увод колес будет тем больше, чем большей будет боковая сила, действующая на автомобиль, например, на крутом повороте, где возникают большие центробежные силы.

Занос автомобиля

Заносом называется боковое скольжение задних колес при продолжающемся поступательном движении автомобиля. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикальной оси.

Занос может возникать в результате ряда причин. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказаться, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, особенно часто это случается на скользких дорогах.

При неодинаковых тяговых или тормозных силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, действующих в продольном направлении, возникает поворачивающий момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой или левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их сумма может превысить силу сцепления, препятствующую заносу (см. рисунок).

Чтобы предотвратить начавшийся занос автомобиля, необходимо: прекратить торможение, не выключая сцепление (на автомобилях с МКПП); повернуть колеса в сторону заноса.

Эти приемы выполняют сразу же, как только начался занос. После прекращения заноса нужно выровнять колеса, чтобы занос не начался в другом направлении.

Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге, особенно быстро нарастает занос на большой скорости, поэтому при скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не применяя торможение.

Проходимость автомобиля

Проходимостью автомобиля называется его способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья, а также преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути. Проходимость определяется:

Основным фактором, характеризующим проходимость, является соотношение между наибольшей тяговой силой, используемой на ведущих колесах, и силой сопротивления движению. В большинстве случаев проходимость автомобиля ограничивается недостаточной силой сцепления колес с дорогой и в связи с этим невозможностью использовать максимальную тяговую силу. Для оценки проходимости автомобиля по грунту пользуются коэффициентом сцепного веса, определяемым делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес автомобиля. Наибольшую проходимость имеют автомобили, у которых все колеса являются ведущими. В случае применения прицепов, увеличивающих общий вес, но не изменяющих сцепной вес, проходимость резко снижается.

На величину сцепления ведущих колес с дорогой значительное влияние оказывает удельное давление шин на дорогу и рисунок протектора. Удельное давление определяется давлением веса, приходящегося на колесо, на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля будет лучше, если удельное давление будет меньше. На твердых и скользких дорогах проходимость улучшается при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах будет иметь отпечаток большей площади и имеет меньшее удельное давление, а на твердых грунтах отпечаток этой шины будет меньшей площади и удельное давление увеличивается.

Проходимость автомобиля по габаритным размерам определяется по:

Источник