Otázka. Základy výpočtu trakce vozidel.

Co je důležité vědět při výrobě auta? Jaké síly na něj při pohybu působí, co pohybu pomáhá a jaké jsou důvody brzdění? Všechny tyto otázky jsou zvažovány v teorii automobilu, jejíž populární prezentaci lze nalézt v knize Yu. A. Dolmatovsky „Automobil v pohybu“ *. V této kapitole se budeme zabývat pouze základními principy teorie pohybu vozidel.

Z mechaniky je známo, že pro uvedení vozíku do pohybu nebo jeho zastavení je nutné na něj působit vnější silou. Délka dráhy a rychlost vozíku bude záviset na velikosti této síly. Pokud se vozík pohybuje po vodorovné ploše bez použití síly, postupně se zpomaluje v důsledku odporu vozovky proti odvalování kol vozíku a tření v ložiskách náprav nebo kol. Celkovou velikost odporových sil vůči pohybu lze určit pomocí dynamometru (obyčejná pružinová stupnice), jak je znázorněno na obr. 23.

Rýže. 23. Určení velikosti odporové síly vůči pohybu

Pokud zanedbáme třecí sílu v nápravových ložiscích podvozku (kol), tak síla, kterou ukazuje dynamometr, bude určovat valivý odpor. Záleží také na hmotnosti samotného vozíku a nákladu, kterým se pohybuje. Představme si auto na místě vozíku. Při tažení můžete pomocí siloměru do tažného zařízení měřit odporovou sílu vůči pohybu. Označíme-li sílu písmenem P_к, hmotnost vozu s nákladem G a přes ƒ koeficient charakterizující sílu valivého odporu, pak lze zapsat následující rovnost:

Jak vidíme, síla valivého odporu kol se mění se změnou hmotnosti vozu a koeficientu valivého odporu. To druhé závisí na povrchu, po kterém se auto pohybuje, typu pneumatik a řadě dalších faktorů. Hodnota součinitele valivého odporu nezůstává konstantní ani při uvažování stejného povrchu. Při vybavování vozu pneumatikami se mění v závislosti na vnitřním tlaku vzduchu v pneumatikách, rychlosti pohybu, dezénu pneumatik atd. Pro přibližné výpočty, se kterými budeme dále operovat, lze vliv posledně jmenovaných faktorů zanedbat.

Průměrné hodnoty součinitele valivého odporu pro silnice s různým povrchem vozovky a pro vozidla vybavená pneumatikami jsou uvedeny v tabulce. 1. Při znalosti hodnoty tohoto koeficientu a přibližné hmotnosti vozu lze snadno vypočítat sílu valivého odporu na vozovkách s různými povrchy.

Kromě výše diskutované síly valivého odporu automobilu existuje řada dalších sil, které pohyb buď zpomalují, nebo za určitých podmínek pohybu naopak napomáhají. Jelikož se auto pohybuje ve vzduchu, podléhá odporu vzduchu, který se s rostoucí rychlostí prudce zvyšuje. Při výpočtu je třeba brát v úvahu vliv odporu vzduchu pouze při rychlostech nad 40-50 km/h.

Velikost odporu vzduchu závisí nejen na rychlosti pohybu, ale také na přední části vozu, jeho tvaru a stupni drsnosti povrchu. Faktory ovlivňující velikost této síly jsou charakterizovány koeficientem odporu vzduchu, jehož znalost, stejně jako znalost čelní plochy průřezu, lze snadno určit hodnoty této síly pro různé rychlosti pohybu.

Při navrhování nových modelů automobilů se velikost čelní plochy a koeficient proudění bere analogicky se stávajícími konstrukcemi.

Sílu odporu vzduchu lze určit podle vzorce:

kde ν je rychlost vozidla, km/h;

k — koeficient odporu vzduchu, kg sec 2 /m;

F je projektovaná plocha vozidla, m2.

Průměrné hodnoty čelní plochy osobních automobilů se pohybují v rozmezí 1 ÷ 4 m2 a součinitel odporu vzduchu k je 6 ÷ 2. Při navrhování malých vozů, vzhledem k jejich malým rozměrům, by měla být hodnota čelní plochy brána jako menší a koeficient odporu vzduchu blíže k větší hodnotě. Pokud se vypočítá šířka a výška vozu, lze hodnotu přední plochy vypočítat pomocí vzorce:

kde B je šířka vozidla, m;

H — výška vozidla, m.

Mezi další síly působící na automobil při jeho pohybu patří: gravitace, která za určitých podmínek může dokonce přispívat ke zvýšení rychlosti, v tomto případě hnací síla, a síla setrvačnosti.

Působení gravitace je každému z nás dobře známo. Když jdeme po vodorovné ploše, ve skutečnosti to necítíme. Pak ale cesta šla do kopce, chůze se stala obtížnější, musíte vydat více energie, než když jste šli po rovině. Při sestupu naopak nějaká přídavná síla náš krok zrychlí a my se musíme snažit pohyb zpomalit, působit proti této síle.

Na vodorovném úseku vozovky gravitace nepodporuje pohyb ani jej nezpomaluje, pokud ovšem neuvážíme, že se zvýšením gravitace samotné se zvyšuje valivý odpor. Při vzestupu se jedna ze složek této síly, směřující podél vozovky, jak je znázorněno na obr. 24, stává odporovou silou, která zpomaluje pohyb vozu. Při klesání složka gravitace nasměrovaná rovnoběžně s vozovkou pomáhá autu v pohybu, stává se hnací silou a může velmi často dosáhnout takové velikosti, že svou velikostí překoná všechny odporové síly a auto se pod vlivem této síly bez jakýchkoliv dalších důvodů začne pohybovat z kopce.

Rýže. 24. Vliv gravitace na výstup a sestup

Výpočet hodnoty této síly se provádí podle vzorce:

kde G_a— celková hmotnost vozidla, kgf;

α je úhel elevace ve stupních.

Stoupání na silnicích se často nepočítá podle úhlu stoupání, ale jako procento, které odpovídá tečně úhlu stoupání. Pro rychlý převod jedné hodnoty na druhou můžete použít nomogram (obr. 25).

Rýže. 25. Nomogram pro převod hodnot elevačního úhlu ze stupňů na procenta a zpět

Každý z nás při cestování dopravou nejednou zažil efekt setrvačnosti. Při náhlých změnách rychlosti (brždění nebo zrychlování) nás síla setrvačnosti tlačí dopředu nebo dozadu. Čím prudčeji se rychlost mění, tím větší je tato síla.

Síla setrvačnosti působí na automobil stejným způsobem: při zvýšení rychlosti působí proti pohybu, působí jako síla odporu vůči zrychlení, a když se pohyb zpomaluje, působí jako hnací síla. Při přesném výpočtu pohybu automobilu se bere v úvahu jak setrvačná síla hmoty celého vozu, tak setrvačná síla rotujících částí vozu, zrychlující nebo zpomalující jejich rotaci. Pokud je známo zrychlení automobilu, lze hodnotu odporu proti zrychlení vypočítat pomocí vzorce, přičemž se vezme součin hmotnosti automobilu a zrychlení,

kde m je hmotnost vozidla,

j — zrychlení, m/s 2 .

Hmotnost automobilu, vzhledem k jeho hmotnosti, lze snadno získat vydělením posledně jmenovaného zrychlením způsobeným gravitací.

Při pohybu tedy musí vůz překonat následující odporové síly: valivý odpor, odpor vzduchu, odpor při zvedání a odpor setrvačnosti.

Když hnací síla vyrovná všechny odporové síly, je pohyb vozu rovnoměrný. Pokud je velikost hnací síly větší než součet všech odporových sil, automobil zrychluje a jeho rychlost se zvyšuje.

Odkud se bere síla, která hýbe autem? Motor nepracuje dostatečně, aby se auto dalo do pohybu. Každý ví, že i při běžícím motoru může auto zůstat na místě. Aby se začal pohybovat, musí na něj působit nějaká vnější síla. Vůz se začne pohybovat pouze tehdy, když na jeho kola působí točivý moment z motoru a mezi nimi a vozovkou vzniká třecí síla, která zajišťuje přilnavost kol k vozovce, což zase přispívá ke vzniku vnější síly, díky níž se vůz pohybuje.

Ukažme si to na příkladu. Vezmeme malé kolo namontované na ose a roztočíme ho ve vzduchu. Při působení točivého momentu se bude otáčet. Jakmile se ale kolovrátek dotkne povrchu a náprava se uvolní, kolo se začne odvalovat.

S autem je to stejné. Pokud jej zvednete ze silnice, zůstane na místě s běžícím motorem a rotujícími hnacími koly. Pouze když je vůz spuštěn na vozovku, jeho hnací kola, rotující, budou mít tendenci tlačit vozovku zpět. V místě kontaktu hnacího kola s povrchem vozovky vznikne horizontální síla – reakce vozovky, což je vnější síla, která pohybuje autem.

Samozřejmě, že hnací síla musí překonat všechny síly odporu. Teprve pak je možný pohyb. A jelikož jsou tyto síly proměnlivé, tak s jejich nárůstem se musí zvýšit i točivý moment dodávaný kolům, s jehož pomocí lze měnit reaktivní sílu. Je zde však limit, způsobený tím, že přilnavost kol k vozovce má určité limity. Když je reakce vozovky nebo její stejná hnací síla P_д dosáhnout určité hodnoty, nad kterou se ztrácí přilnavost kol k vozovce, ta začne prokluzovat. Kroutící moment dodávaný na hnací kola tak nelze využít a jeho další zvyšování povede pouze ke zvýšení prokluzu hnacích kol.

Hodnotu této konečné síly lze vypočítat, pokud známe koeficient adheze,

kde G_a — hmotnost vozidla (přesněji hmotnost hnacích kol);

φ je koeficient adheze.

Hodnota součinitele adheze závisí především na typu a stavu povrchu vozovky. Vliv dalších faktorů na změnu součinitele adheze lze ignorovat. Průměrné hodnoty součinitele adheze, získané na základě četných měření pro různé typy povrchů vozovek, jsou uvedeny v tabulce. 2.

Při znalosti koeficientu adheze a očekávané hmotnosti vozu můžete určit maximální možnou hnací sílu adhezí nebo, jak tomu říkají motoristé, tažnou silou. Porovnáním hodnoty tažné síly na hnacích kolech se silami odporu vůči pohybu automobilu získáme rovnici trakční rovnováhy

Znaménko plus před silou P_п odpovídá pohybu do kopce a znaménko mínus odpovídá pohybu z kopce. Znaménko plus před silou P_п odpovídá zrychlenému pohybu, znaménko mínus zpomalenému pohybu.

Rovnice trakční rovnováhy umožňuje určit tažnou sílu, když jsou známy odporové síly k pohybu. Může být použit k určení dynamických vlastností vozu: maximální rychlost, zrychlení, čas zrychlení na určitou rychlost a zrychlení. Pomocí této rovnice lze vybrat motor pro navrhované vozidlo, určit odpor vozovky, který může vozidlo dané konstrukce překonat, a maximální možné stoupání. Znáte-li sílu, která hýbe vozem a jaké síly musí při pohybu překonávat, můžete si předem vypočítat jeho výkonnostní charakteristiky.

V disciplíně “Konstrukční a provozní vlastnosti TiTTMO”