5 Тягово-швидкісні властивості автомобіля

5.1 Сили, що діють на автомобіль під час прямолінійного руху на підйомі

Усі сили, що діють на автомобіль під час прямолінійного руху на підйомі, розділяються на три групи:

1. Сили опору руху:

а) Р_f – сила опору коченню;

б) Р_п – сила опору повітря;

в) Р_і – сила опору підйому;

г) Р_j – сила опору розгону.

2. Рушійні сили Р_к – колова сила на ведучих колесах.

3. Нормальні до опорної поверхні сили:

а) нормальні реакції опорної поверхні;

б) складова ваги, нормальна до опорної поверхні.

Візьмемо допущення:

- дорожні умови під колесами однойменних мостів однакові;

- равнодіючі нормальних реакцій опорної поверхні прикладені в центрі контактного відбитка, а їх зсув ураховано моментами опору коченню коліс переднього і заднього мостів.

На підставі викладеного розрахункову схему автомобіля колісної формули 4х2 наведено на рис. 5.1.

Точка О – центр мас автомобіля, у якій прикладено вагу автомобіля G_а;

h_g – відстань від центру мас до опорної поверхні;

h_п – відстань від центру парусності (точка прикладання рівнодіючої сил опору повітря) до опорної поверхні;

а,b – відстані відповідно від передньої та задньої вісей до центру мас автомобіля;

L – база автомобіля;

P_f1, P_f2 – сили опору коченню коліс відповідно передньої та задньої вісей автомобіля;

R_z1; R_z2 – рівнодіючі нормальних реакцій опорної поверхні відповідно передньої та задньої вісей;

M_f1, M_f2 – моменти опору коченню коліс відповідно передньої та задньої вісей автомобіля;

Р_к – колова сила на ведучих колесах

5.2 Сили опору руху

Сила опору коченню P_f

Ця сила викликана гістерезисними втратами в шині (тертям у гумовокордній оболонці, гумі протектора і в контакті колеса з дорогою) при її радіальній, тангенціальній і бічній деформаціях і ковзаннях у зоні контакту.

Опір коченню залежить від наступних основних чинників: типу і стану опорної поверхні, типу шини та її конструкції, швидкості руху, тиску повітря в шині, крутного моменту, що діє на шину, температури шини, ступеня зносу протектора тощо.

Оскільки неможливо врахувати умови роботи кожного колеса окремо, то використовується усереднене значення коефіцієнтів опору каченню кожного колеса автомобіля, а сумарний опір коченню автомобіля визначається за формулою:

, (5.1)

де G_а– вага автомобіля в Н;

– кут нахилу в град.;

f –коефіцієнт опору коченню.

Коефіцієнт опору коченню f залежить від типу і стану опорної поверхні. Як приклад, у табл. 5.1 наведено його значення на деяких дорогах.

Таблиця 5.1

Коефіцієнти опору коченню

Дорожні умови	Коефіцієнт f 0
Асфальтова дорога	0,01…0,02
Гравійна дорога	0,02…0,025
Булижник	0,025…0,05
Грунтова суха	0,025…0,035
Грунтова після дощу	0,05…0,15
Піщана суха  волога	0,1…0,3 0,06…0,15

З аналізу таблиці випливає, що коефіцієнт опору коченню мінімальний на асфальтовій дорозі. Коефіцієнт f залежить від конструктивних параметрів шин: числа шарів корду, розташування ниток корду, товщини протектора.

Підвищення температури і тиску, збільшення зносу протектора зменшують величину коефіцієнта f.

На дорогах з твердим покриттям коефіцієнт f залежить від розмірів і характеру нерівностей.

На дорогах, що деформуються, на відміну від доріг з твердим покриттям, затрачується додаткова робота на деформацію грунту, видавлювання бруду і вологи з контакту колеса з дорогою, а тому його значення вище.

Щодо впливу швидкості руху на величину коефіцієнта опору коченню, то він враховується наведеною раніше емпіричною залежністю (3.1).

Сила опору повітря Р_п

Аеродинамічний опір автомобіля розділяють на п'ять складових:

• опір форми або лобовий близько – 60 …75 % ;

• опір виступів і западин близько – 5..17 %;

• опір внутрішніх потоків близько – 57 %;

- індуктивний опір, який зумовлений підйомом кузова автомобіля при великих швидкостях;

• поверхневий опір.

Основною складовою аеродинамічного опору є лобовий опір. Він викликаний зоною підвищеного тиску повітря спереду автомобіля при його русі та зоною розрідження позаду. За рахунок різниці тиску і створюється сила лобового опору. При цьому він буде тим більший, чим більше вихоро- утворення як попереду, так і позаду автомобіля. Щодо величини вихороутворення, то вона залежить перш за все від форми тіл, що рухаються.

Вплив форми на величину коефіцієнта лобового опору проілюстрований на рис.5.2

З аналізу наведеного випливає, що найістотніший вплив на опір руху чинить передня частина. Так, якщо створити закруглювання в передній і задній частині фігури, що має плоскі стінки, то опір можна зменшити на 72 %.

Сила лобового опору Р_пл визначається за формулою:

Р_пл=С_х , (5.2)

де С_х – коефіцієнт лобового опору (обтічності);

 – густина повітря;

F_п – площа лобового опору (миделевого перерізу) визначається за формулою:

F_п= , (5.3)

де =0,70,9 – коефіцієнт заповнення площі;

, - габаритні висота і ширина автомобіля.

У теорії автомобіля користуються не окремими складовими опору повітря, а сумарною силою опору повітря, що враховує всі п'ять складових аеродинамічного опору.

Ця сила визначається за формулою:

Р_п=к_п F_п V² , (5.4)

де к_п – коефіцієнт опору повітря. Береться в розрахунках згідно з даними, наведеними нижче в табл. 5. 2.

Таблиця 5.2

Коефіцієнти опору повітря

Тип автомобіля	Коефіцієнт кп,
Гоночні	0,130,15
Легкові	0,150,3
Автобуси	0,250,4
Вантажні	0,40,7
Автопотяги	0,850,95

Сила опору повітря напрямлена протилежно до вектора швидкості руху автомобіля. Її розглядають у вигляді зосередженої сили, прикладеної у точці, яку назвали центром парусності автомобіля. Вона, як правило, не співпадає з центром мас автомобіля.

Сила опору підйому Р_і

Під силою опору підйому розуміють складову ваги автомобіля, паралельну до опорної поверхні та прикладену в його центрі мас. Визначається ця сила за формулою:

Р_і = G_a sin , (5.5)

де  – кут підйому.

Проте в практиці будівництва доріг крутизну підйому характеризують нахилом – тангенсом кута нахилу площини дороги до горизонтальної поверхні.

У дорожній документації нахил позначають буквою i та задають в тисячних (проміле), сотих (відсотках) або величиною тангенса кута нахилу

(i = tg ).

Наприклад: i = 0,07; i = 7 %; i = 70%₀. Ураховуючи, що i = tg , маємо  = arctg i=arctg0,07 =4⁰. Якщо врахувати, що нахили невеликі, то можна прийняти з достатньою для практичних розрахунків точністю sin   tg  = i.

Тоді: Р_i = iG_a._.

При розрахунках розглядають сумарний опір коченню і підйому. Такий опір називають опором дороги

Р = Р_f + P_i .

Після підставлення значень сил опору коченню і повітря рівняння набуде вигляду:

Р = f G_acos + G_asin  = G_a (f cos + sin ).

Величину в дужках називають коефіцієнтом дорожнього опору . Тоді коефіцієнт дорожнього опору дорівнює:

 = fcos + sin  . (5.6)

З урахуванням вищеприведеного силу опору дороги Р запишемо:

Р = G_a .

Сила опору розгону поступальної маси автомобіля, що рухається

У загальному випадку опір розгону автомобіля складається з опору розгону поступально рухаючої маси та опору розгону обертових мас. Такими обертовими масами на автомобілі є маховик двигуна і пов'язані з ним деталі трансмісії та колеса автомобіля. Сила опору розгону поступальної маси автомобіля, що рухається, згідно з другим законом І. Ньютона, визначається за формулою:

Р_j = m_{а ,}

де m_а– маса автомобіля; – прискорення центру мас.