Siły działające na
samochód
Siły działające na
samochód
Siły działające na samochód.
Teorie ruchu samochodu to nauka zajmująca się mechaniką ruchu
pojazdu, a więc całokształtem zagadnień związanych z jego
poruszaniem się i działającymi na niego siłami.
Do sił działających na samochód zaliczamy:
Obciążenia statyczne, które działają niezależnie od ruchu
pojazdu.
• Opory ruchu:
• opory toczenia
• opory wzniesienia
• opory powietrza
• opory bezwładności
Siła napędowa, działająca na samochód jest równa sumie sił
napędowych działających na koła napędzane tego samochodu.
Siła napędowa działająca na samochód jest równa ilorazowi sumy
momentów działających na poszczególne koła napędzane i promienia
dynamicznego.
Siły działające na samochód.
M
K
– moment obrotowy na kole
r
d
– promień dynamiczny koła
Obciążenie statyczne działające na samochód na pochyłości.
Obciążenie statyczne to takie siły, których działanie nie zależy od
ruchu pojazdu.
Do sił tych zaliczamy:
1. siła ciężkości G
2. działająca na koła reakcja podłoża
d
K
N
r
M
F
Siły działające na samochód.
Siła ciężkości przyłożona jest do środka ciężkości, a jej kierunek
działania jest zawsze pionowy.
Reakcje podłoża przechodzą przez punkt styku kół z jezdnią i
równoważą siłę ciężkości.
Przyjmując układ sił jak na powyższych rysunkach, można wyznaczyć
poszczególne reakcje sporządzając równania równowagi momentów
względem punktów A i B
Siły statyczne działające na samochód
Siły statyczne działające na samochód
na podstawie zależności
geometrycznych reakcje styczne Xp
i Xt:
Siły działające na samochód
Siły działające na pojazd niezależnie od ruchu pojazdu Jeżeli występuje
kąt nachylenia drogi (alfa) to siła ciężkości pochodząca od ciężaru
pojazdu (G) jest rozkładana na dwie składowe:
Siła ciężkości powoduje, że na koła przednie (P) i tylne (T) pojazdu
działają reakcje podłoża, które przechodząc przez punkty styku kół z
jezdnią równoważą siłę ciężkości.
Siły działające na samochód
1. Pojęcie oporów ruchu
Oporami ruchu nazywają się wszystkie siły na jakie napotyka i
które pokonuje pojazd
podczas jazdy.
2. Klasyfikacja (rodzaje) oporów ruchu
Siły działające na samochód
Siły działające na samochód
Siły działające na samochód
Siły działające na samochód
3. Opory toczenia
Samochodowe koło ogumione tocząc się po nawierzchni drogi
przezwycięża opory
wynikające ze sprężystych odkształceń ogumienia.
Analizując opory toczenia rozpatruje się następujące przypadki:
- gdy koło jest nieruchome, wtedy obciążenie działające na koło (G)
równoważone jest reakcją normalną jezdni (Z), zatem (rys a.)
Z=G
- gdy koło toczy się bez napędu powstaje moment oporu od przesuniętej
reakcji
normalnej Z oraz styczna X . Moment oporu określa się zależnością (rys
b.)
M
oporu
=Z*e
- gdy koło jest napędzane występuje dodatkowo moment napędzający
koło
pochodzący od siły napędowej (F
N
) - M
k
. Dla tego przypadku warunek
równowagi sił
względem osi obrotu koła będzie następujący (rys c.)
SM = M
k
– Z *e – X * r
d
= 0
gdzie: M
k
= F
n
* r
d
Siły działające na samochód
Siły działające na samochód
Wykres zależności między przyczepnością a
oporami toczenia w różnych rodzajach
mieszanek.
Siły działające na samochód
W czasie toczenia się koła mamy jeszcze do czynienia
z innymi oporami, które pojawiają się okresowo lub
których udział jest znikomy w stosunku do głównej
siły oporu toczenia.
Do takich oporów należą:
- opór w łożyskach,
- opór zbieżności kół (związany z nierównoległym
ustawieniem kół w stosunku do osi podłużnej
pojazdu),
- opór skrętu kół (zależyny od prędkości pojazdu i
promienia skrętu),
- opór związany z odkształceniem się opony na
nierównościach, opór na mokrej nawierzchni.
Siły działające na samochód
W tym wyrażeniu drugi składnik po znaku równości nazywany jest siłą
oporu toczenia Ft ,
a zatem
gdzie: f - współczynnik oporów toczenia
Ta zależność jest prawdziwa, gdy pojazd toczy się po poziomej
nawierzchni. Natomiast podczas pokonywania wzniesienia należy
uwzględnić składową normalną pochodząca od siły ciężkości (ciężaru
pojazdu)
Parametry techniczne pojazdów
1. Opory toczenia
.
Opór toczenia oznaczany poprzez Ft
gdzie: G - ciężar samochodu
ft - współczynnik oporu toczenia czyli: e/rrd
(wielkości te były omówione i zaznaczone na rysunkach w rozdziale o
dynamice koła samochodowego)
Rzeczywisty współczynnik oporu toczenia ft zależy od wielu czynników, a
najważniejsze z nich to:
stan i rodzaj nawierzchni (opór jest mniejszy na asfalcie niż na drodze
gruntowej)
konstrukcja ogumienia (większe opory toczenia występują dla opon o
konstrukcji diagonalnej niż dla opon radialnych)
ciśnienie (wraz ze wzrostem ciśnienia w ogumieniu opór toczenia maleje)
W czasie toczenia się koła mamy jeszcze do czynienia z innymi oporami,
które pojawiają się okresowo lub których udział jest znikomy w stosunku
do głównej siły oporu toczenia.
Parametry techniczne pojazdów
Do takich oporów należą:
- opór w łożyskach,
- opór zbieżności kół (związany z nierównoległym ustawieniem kół w
stosunku do osi podłużnej pojazdu),
- opór skrętu kół (zależyny od prędkości pojazdu i promienia skrętu),
- opór związany z odkształceniem się opony na nierównościach, opór na
mokrej nawierzchni.
Najistotniejszym z tych oporów, któremu należałoby się bliżej przyjrzeć
jest, moim zdaniem, opór na mokrej nawierzchni. Z takim oporem
spotykamy się bowiem bardzo często szczególnie w naszych polskich
koleinach wypełnionych wodą. Opór ten jest to siła potrzebna do
usunięcia wody spod koła. Zależy ona od objętości cieczy usuwanej spod
koła w jednostce czasu.
gdzie: b - szerokośc opony
V - prędkość
Potęga prędkości "n" zależy od grubości wody na jezdni. Przykładowo dla
grubości warstwy wody poniżej 0,5 [mm] n=1,6 Przy większych
prędkościach i większych grubościach wody nie da się określić związku
między wspomnianymi parametrami bo pojawia się aquaplaning.
Siły działające na samochód
Siły działające na samochód
Opory wzniesienia
Opory te występują i działają na samochód podczas jazdy pojazdu pod górę
( oraz na spadku – zmienia się tylko kierunek ich działania)
Siły działające na samochód.
Opór wzniesienia.
Rozkład sił działających na pojazd w czasie pokonywania wzniesienia o
kącie alfa pokazuje rysunek obok. Opór wzniesienia przyjęto rozpatrywać
na wzniesieniu o wysokości hw i o długości 100 m. Siła oporu wzniesienia
to składowa ciężaru samochodu G równoległa do drogi. Zatem siła oporu
wzniesienia:
W sytuacji jazdy pod górę siła oporu toczenia przyjmuje postać:
Dwie siły oporu o których mowa powyżej można zsumować. Sumę tych sił
nazywa się potocznie oporem drogi. Dokonajmy zatem sumowania.
Siły działające na samochód.
Pominięcie funkcji cos przed nawiasem jest możliwe tylko dla kątów
nachylenia drogi do 30
o,
gdyż cos dla tych kątów jest bliski 1
φ jest współczynnikiem oporów wzniesienia
Siły działające na samochód.
Opór aerodynamiczny.
Jest to nic innego jak opór jaki stawia
ośrodek poruszającej się w nim bryle.
W przypadku pojazdu ośrodkiem tym
jest powietrze atmosferyczne. Opór
ten jest wprost proporcjonalny do
gęstości ośrodka, ale zależy również
od prędkości oraz rozmiarów i kształtu
poruszającego się ciała. Oznaczamy go
poprzez Fa i wyznaczamy następująco:
gdzie:
A - powierzchnia czołowa pojazdu czyli 0,8 - 0,9 iloczynu szerokości i
wysokości pojazdu
Cx - współczynnik oporu aerodynamicznego
q - gęstość powietrza (1,293 kg/m3 w T= 273 K i P=0,1 MPa)
Siły działające na samochód.
Dla konstruktorów szczególnie ważne jest określenie co i w jakim
stopniu wpływa na wartość Cx. Do czynników takich zaliczamy:
1. opory profilowe (związane z kształtem w przekroju wzdłużnym)
ok. 60% całkowitego oporu
2. opory indukcyjne (związane z kształtem powierzchni bocznej) ok.
8% całkowitego oporu
3. opory tarcia ok. 10% całkowitego oporu
4. opory zakłóceń (czyli wszelkie nierówności karoserii) ok. 12 %
całkowitego oporu
5. opory układu chłodzenia i wentylacji ok. 10 % całkowitego oporu
Udział procentowy każdego z rodzajów oporu w całkowitym oporze
aerodynamicznym są oczywiście różne dla różnych samochodów, a
podane wyżej wartości są wartościami średnimi. W wyniku opływu
powietrza tworzą się wokół niego strefy nadciśnienia i podciśnienia.
Pokazują to poniższe rysunki. Lewy pokazuje rozkład stref pod i
nadciśnienia (nadciśnienie oznaczono kolorem żółtym (+), a
podciśnienie kolorem niebieskim (-)). Rysunek z prawej pokazuje
przebieg strug opływającego powietrza.
Siły działające na samochód.
Rodzaj nadwozia Średnia wartość
Cx
Jako ciekawostkę można
wspomnieć o współczynnikach
oporu powietrza dwóch bardzo
charakterystycznych kształtów,
mianowicie kropli wody i kształtu
skrzydła samolotu. Kropla wody ma
Cx rzędu 0,15 - 0,2 natomiast
skrzydło samolotu rzędu 0,05.
Cabrio
0,5 - 0,7
Combi
0,5 - 0,6
Sedan
0,4 - 0,55
Coupe
0,3 - 0,4
Ciężarowe
0,8 - 1,5
Autobusy
0,6 - 0,7
Motocykle
0,6 - 0,7
Siły działające na samochód.
Współczynnik oporu powietrza Cx jest jednak obarczony pewnym błędem.
Wyznacza się go przy napływie powietrza z przodu samochodu. Dlatego
czasami zwany jest czołowym współczynnikiem oporu powietrza. Jak
jednak łatwo się domyśleć wyłącznie czołowy napływ powietrza w
normalnych warunkach eksploatacji występuje bardzo bardzo rzadko.
Przeważnie napływ powietrza jest skośny tzn. jednocześnie z przodu i z
lewej lub prawej strony. Współczynnik oporu określony dla takich
warunków nazywany jest wypadkowym współczynnikiem oporu
powietrza (Cw). Określa się go w tunelach aerodynamicznych po
umieszczeniu pojazdu na obrotowej platformie co daje możliwość
uzyskania różnych powierzchni oporu bryły auta.
Siły działające na samochód
Suma oporów
Uwzględniając powyższe siły oporów to sum
a oporów oddziałujących na poruszający poj
azd wynosi:
F
o
= F
t
+ F
w
+ F
p
+ F
b
Siły działające na samochód.
Pozostałe opory.
W tym miejscu chciałbym wspomnieć jeszcze o dwóch rodzajach
oporu ruchu:
1.Siła oporu bezwładności - jest to opór ruchu związany z siłą
bezwładności, która występuje podczas przyspieszania. Pozwólcie, że
w tym przypadku podaruję sobie wyprowadzenie końcowej zależności
na siłę Fb (pochodne, rózniczki ) i ograniczę się tylko do jej podania.
Zatem
gdzie:
m - masa pojazdu
a - przyspieszenie
d = 1 + 0,07 * i
s
2
(i
s
2
- przełożenie skrzyni biegów)
2.Opór ciągnienia - ten opór ruchu występuje w przypadku zestawów
drogowych. Jest on składową poziomą siły mierzonej na haku
holowniczym. Siła na haku holowniczym jest siłą równoważącą
sumaryczny opór ruchu przyczepy.
Siły działające na samochód
. Siły działające na koło pojazdu: FP – siła
pionowa docisku koła do nawierzchni; FB –
siła boczna; FN – siła napędowa; FH – siła
hamowania
Siły działające na samochód.
Siły działające na samochód.
Jak samochód skręca?
Parametry techniczne pojazdów
Siły działające na samochód.
Siły działające na samochód.
Siły działające na samochód
Siła hamowania F
H
powstaje podczas hamowania
pojazdu - hamulcami lub "silnikiem". Wartość siły F
H
obliczamy ze wzoru, w którym: F
P
- siła pionowa; μ
W
-
współczynnik przyczepności wzdłużnej opony. Ze
wzoru obliczamy również wartość siły napędowej F
N
.
Siła boczna F
B
powstaje jako reakcja na siłę działającą
prostopadle do płaszczyzny symetrii koła, np.
odśrodkową przy jeździe po łuku lub pochodzącą od
naporu wiatru na bok samochodu. Siła boczna F
B
powoduje odkształcenie opony - Wartość siły F
B
obliczamy ze wzoru, w którym: F
P
- siła pionowa; μ
B
-
współczynnik przyczepności bocznej opony.
O tym problemie będziemy mówić przy
rozpatrywaniu i temacie Hamowanie.
Siły działające na samochód
F
HP
- siła hamowania osi przedniej,
F
HT
- siła hamowania osi tylnej,
M
H
- moment hamowania,
r
d
- promień dynamiczny koła.
Siły działające na samochód
Podczas hamowania pojawia się siła bezwładności Fb, przeciwdziałająca
hamowaniu pojazdu. Wtedy pojazd porusza się ruchem opóźnionym,
a charakteryzujące ten ruch ujemnie przyspieszenie działające na ten pojazd
nazywa się opóźnieniem hamowania. Zatem można zapisać, że
Siły działające na samochód
Warunek przyczepności kół
Jeżeli wartość siły hamowania przekroczy wartość siły przyczepności, to
nastąpi zjawisko
ślizgania się zablokowanych kół po nawierzchni. Tak więc warunek okreś
lający
maksymalną wartość siły hamowania ma postać
T - siła przyczepności,
μ - współczynnik przyczepności opon do jezdni
Z powyższej zależności można określić wartości maksymalne momen
tów
hamowania działających na osie przednią i tylnią
gdzie: GP i GT - naciski na osie przednią i tylnią samochodu.
Siły działające na samochód
Siła bezwładności podczas ruszania pojazdu - gdy samochód rusza do przodu
siła bezwładności wciska pasażerów w fotel
Siła bezwładności podczas hamowania pojazdu - gdy samochód (lub inny
pojazd) nagle hamuje, wtedy siła bezwładności rzuca pasażerem do przodu
Siła odśrodkowa - gdy siedzimy na wirującej karuzeli siła bezwładności (nazywana
w tym przypadku "siłą odśrodkową") wypycha nas i przedmioty przez nas trzymane
na zewnątrz okręgu.
Siła Coriolisa - siła ta jest nieco podobna do siły odśrodkowej i pojawia się, gdy
opisujemy ruch ciała z poziomu obracającego się układu odniesienia
Siły działające na samochód
- siła odśrodkowa jest siłą bezwładności
czyli, że jest ona siłą pozorną, nie wynikającą z nowych, realnych
oddziaływań.
Siłą rzeczywiście działającą na ciało jest siła dośrodkowa, która
zakrzywia tor ciała zmuszając je do krążenia po okręgu, a nie
poruszania się prostoliniowo. Siła dośrodkowa wynika z istnienia
jakiegoś oddziaływania -np. zaczepienia na lince, tarcia, siły
grawitacji.
Siły w układach inercjalnych i nieinercjalnych - analiza przykładowych sytuacji
Siły działające na samochód
Siłę ciężkości
Siłę reakcji podłoża
równoważącą siłę
ciężkości
Siłę hamującą
W układzie inercjalnym
mamy siłę wypadkową
równą sile hamującej.
Nadaje ona samochodowi
i kierowcy opóźnienie
(przyspieszenie
skierowane przeciwnie do
prędkości).
Siły działające na samochód
w układzie nieinercjalnym, związanym z samochodem
Siła ciężkości
Siła reakcji podłoża równoważąca siłę ciężkości
Siłę hamująca
Dodatkowo występuje siła bezwładności równoważąca siłę
hamującą
Siły działające na samochód
Bilans mocy samochodu przedstawia
• krzywą mocy na kołach (żółta)
• krzywą mocy oporów ruchu
(różowa).
Przecięcie obu wykresów wyznacza
prędkość maksymalną pojazdu
(zrównanie mocy na kołach z
mocą oporów ruchu).
Jak widać poniżej tego punktu
samochód wykazuje spory zapas
mocy na kołach (duża odległość
krzywej od krzywej mocy oporów
ruchu), co pozwala na pokonywanie
dodatkowych oporów ruchu