8. К.П.Д. Автомобильного колеса при работе в ведущем режиме.

У ведущего колеса кроме силовых потерь, есть еще и скоростные потери, связанные с изменением кинематического радиуса колеса: с увеличением Т_к уменьшается r_к, следовательно, при той же частоте вращения колеса его скорость уменьшается. Оценим это:

Мощностной баланс колеса: P_ак=P_а+P_f+P_ΔV ,

где Р_а, Р_f, P_ΔV – мощность, затрачиваемая колесом соответственно на перемещение автомобиля, сопротивление качению и скоростные потери (частичная пробуксовка колеса в контакте с дорогой).

Найдем мощность скоростных потерь по разности радиуса в ведомом режиме (≈статическому радиусу) и кинематического радиусов:

=ω_к (r_к0 – r_к)

ΔP = R_x =R_х ·ω_к (r_к0 – r_к).

Поскольку r_к = r_кс+ λ_х · R_x, то , подставив значение r_к, , приняв в первом приближении r_кс = r_к0, получим

ΔP = R_x =R_х² ·ω_к λ_х

Примечание: Мощность скоростных потерь пропорциональна квадрату реализуемой горизонтальной реакции. Разделение R_x по нескольким мостам позволяет уменьшить скоростные потери.

Мощность, подведенная к колесу – P_ак = T_к ·ω_к;

Мощность, которую колесо отдает автомобилю P_а = R_x ·V = R_x ·ω_к · r_к;

Мощность сопротивления качению P_f = Т_f · ω_к

T_к ·ω_к = R_x ·ω_к · r_к + Т_f · ω_к + R_х · ω_к · (r_к0 – r_к);

T_к ·ω_к = R_x ·ω_к · r_к + Т_f · ω_к + R_х · ω_к · r_к0 – R_х · ω_к · r_к;

Сократив ω_к, получим .

КПД автомобильного колеса:

Коэффициент полезного действия – отношение мощности, снятой с колеса к мощности, подведенной к колесу.

Мощность снятая с колеса – произведение касательной реакции в контакте колеса с дорогой, толкающей через подвеску автомобиль ( R_x), на скорость поступательную скорость движения оси колеса (V_k = ώ _k r_k, Таким образом, к.п.д. автомобильного колеса при работе в ведущем режиме определится следующим образом:

,

подставив R_х получим

.

r_к/r_к0 – коэффициент скоростных потерь;

(Т_к–Т_f)/T_к – коэффициент силовых потерь.

1.2. Внешние силы, действующие на автомобиль

1. Аэродинамическое сопротивление

Дорожная эксплуатационная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений, весьма велика (см рис.). Для поддержания равномерного движения (190 км/ч) четырех дверного седана, массой 1670 кг, площадью миделя 2,05 м², С_х = 0,45 требуется около 120 кВт мощности, причем 75 % мощности затрачивается на аэродинамическое сопротивление. Мощности, затрачиваемые на преодоление аэродинамического и дорожного (качения) сопротивления приблизительно равны на скорости 90 км/ч, и в сумме составляют 20 – 25 кВт.

Считается, что дизайнер автомобиля имеет полную власть над аэродинамическими характеристиками автомобиля. Но это не совсем так.

Аэродинамическое сопротивление автомобиля имеет пять составляющих:

1. Сопротивление формы 52 %

2. Интерференционное сопротивление 16 %

3. Индуктивное сопротивление 15 %

4. Поверхностное сопротивление 5 %

5. Сопротивление внутренних течений 12 %

Пункты 1 и 2 находятся во власти дизайнера (67 %), но за 33 % сопротивлений (пп 3 – 5) ответственен конструктор (технолог).

1. Сопротивление формы.

Необходимо обеспечить низкое давление, как перед автомобилем, так и позади него. Этому условию удовлетворяет форма капли, но она не удовлетворяет множеству других требований (размещение пассажиров, грузов, агрегатов).

Основная тенденция – снижение высоты авто.

Скругление и плавный подъем линии капота – нет срыва, Без скругления и плоский капот – срыв потока.

Угол задней двери универсала (пример):

До 20⁰ – С_х=0,34

20…30⁰ – С_х круто растет до 0,44

30…35⁰ – С_х круто падает до 0,40

более 35⁰ – С_х =0,40

2. Индуктивное сопротивление.

Обтекание кузова воздухом сопровождается ускорением потоков и соответствующим снижением давления ниже атмосферного:

- передняя кромка капота;

- передняя кромка крыши;

- углы ветрового стекла.

Под днищем, наоборот, повышенное давление.

Это приводит к появлению подъемной силы, которая требует затрат энергии и не приводит к преодолению сил сопротивления движению, действующих в плоскости дороги. Эта сила не опасна до скоростей 100 – 120 км/ч. Но при высоких скоростях такая сила ведет к возможности потери управляемости и устойчивости.

3. Поверхностное сопротивление

Вследствие вязкости воздуха образуется пограничный медленно (относительно) текущий слой.

Для пограничного слоя характерно наличие некоторой критической скорости, ниже которой улучшение шероховатости не играет роли.

У автомобиля шероховатость покрытия обычно 0,5–1 мкм. Полирование такого покрытия не эффективно даже для F–1.

Существенен разброс сопротивлений крепежных элементов:

• Заклепка «в потай» – 1

• Низкая головка клепки – 20

• Сферическая головка клепки – 160

• Цилиндрическая головка болта –210

• Шестигранная головка болта – 400

Сопротивление ребер (поперек потока):

• плоскость – 1;

• валик – 80;

• брусок – 130.

Сопротивление зазоров при поперечном обтекании:

00… -50	1
-10…-70	1,17
	1,39
-100…+50	6,66

При продольном обтекании сопротивление зазоров еще меньше.

4. Интерференционное сопротивление

Выступающие части кузова существенно увеличивают аэродинамическое сопротивление автомобиля за счет появления завихрений потоков воздуха, ведущих к появлению дополнительного сопротивления. Сопротивление кузова +сопротивление выступа меньше сопротивления кузова с выступом.

Пример.

Зеркало заднего вида отдельно – сопротивление 100 %.

Т.к. скорость потока вблизи угла ветрового стекла на 20–30 % больше скорости автомобиля, то сопротивление зеркала будет 165 %. Если само зеркало имеет не обтекаемую форму, то за ним образуется турбулентность, что еще увеличивает сопротивление зеркала на 40–60 %. Таким образом, сопротивление зеркала достигнет 250–300 % от первоначального уровня.

Если снять некоторые элементы с кузова, то обнаружится снижение сопротивления:

Дверные ручки – 1…3 %

Зеркала –3…5 %

Отражатель насекомых 5…9 %

Внешние солнцезащитные козырьки 10…18 %.

Снижение сопротивления формы приводит к усилению влияния интерференционного сопротивления: появление в ламинарном потоке препятствия приводит к срыву потока…

5. Сопротивление внутренних потоков

• Охлаждение двигателя

- без обвески – 100 %

- с бампером – -30 %

- с решеткой – -10 %

- со щитком – +20 %

- с вентилятором с кожухом – +30 %

• Охлаждение тормозов

• Вентиляция салона