3.3. Сопротивления движению автомобиля

Сила тяги, развиваемая двигателем на ведущих колесах автомобиля, расходуется на преодоление сил сопротивления движению. К ним относятся:

• сопротивление качению (Р_f);

• сопротивление уклона (Р_i);

• сопротивление воздуха (Р_w);

• сопротивление инерционных сил (Р_j).

Сопротивление качению вызывается затратой энергии на деформацию шин и дорожной одежды. В процессе движения упругой покрышки колеса автомобиля по упругой поверхности дороги плоскость следа колеса на дороге смещается несколько вперед на величину а (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема к определению величины коэффициента сопротивления качению колеса автомобиля: 1 – след колеса стоящего автомобиля; 2 – след колеса движущегося автомобиля

Вращение ведущего колеса вызывается крутящим моментом (М_к), передаваемым от двигателя автомобиля, который в свою очередь создает в плоскости контакта колеса с покрытием окружную или касательную силу (Р_к), что вызывает реакцию на касательную силу (Р_т) (рис. 3.4).

В соответствии со схемой представим уравнение равновесия действующих сил

М_к = R_к·a + P_т·r_д, (3.4)

где r_д – динамический радиус колеса r_д = (0,950,97)·r_к; r_к – радиус колеса.

Проведем следующие преобразования:

М_к = Р_к·r_д; R_к = G_к; Р_т = Р_р,

Тогда формула (3.4) будет иметь вид

Р_к·r_д = G_к·а + Р_р·r_д. (3.5)

Разделим левую и правую часть уравнения на r_д и сделаем перенос членов уравнения, чтобы определить величину силы тяги (Р_р).

Р_р = Р_к – G_к·^. (3.6)

Отношение называюткоэффициентом сопротивления качения f. Тогда величина сопротивления качению (Р_f), отнесенная к общему весу автомобиля, будет равна

Р_f = G·f. (3.7)

Величина сопротивления качению (коэффициента сопротивления качению) зависит от ровности покрытия, скорости автомобиля и эластичности шин. В зависимости от типа покрытия коэффициент f колеблется от 0,01 (асфальтобетонное, цементобетонное покрытие) до 0,06 (грунтовая ровная, укатанная дорога).

Сопротивление уклона связано с дополнительной силой, способствующей или препятствующей движению, создаваемой составляющей силы веса – Р_i (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема к определению величины сопротивления уклона

Из представленной схемы определим:

Р_i = G·sinα. (3.8)

Для получения возможности применения в расчетах традиционно используемых в проектировании дорог показателей, проведем следующие преобразования

sinα  tg, tg  i,

где i – величина продольного уклона поверхности дороги в тысячных (промилле - ‰). Тогда

Р_i = G·i. (3.9)

Сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление воздушной среды) складывается в основном из: лобового сопротивления, которое обусловлено разностью давления спереди и сзади движущегося автомобиля; трения воздуха о боковую поверхность; сопротивления, создаваемого выступающими частями автомобиля.

Суммарная сила сопротивления воздуха движению автомобиля (Р_w) выражается формулой аэродинамики:

P_w = , (3.10)

где k_b – коэффициент сопротивления воздуха; W – «лобовая площадь автомобиля», м²; V_a – скорость движения автомобиля, км/ч; V_b – скорость ветра, км/ч.

Следует сделать следующие пояснения:

k_b = c·, (3.11)

где c – коэффициент сопротивления среды, зависящий от формы тела, движущегося в воздухе;  – плотность воздуха.

ω = (0,8 ÷ 0,9)·В·Н, (3.12)

где (0,8÷0,9) – коэффициент формы соответственно для легкового и грузового автомобиля; В, Н – габаритные ширина и высота автомобиля, м.

Сопротивление воздуха резко возрастает при увеличении скорости движения. Его можно снизить, улучшая обтекаемость автомобиля. За последние 30 лет коэффициент сопротивления воздуха, благодаря этому, снизился почти в 2 раза.

Сопротивление инерционных сил автомобиля складывается из инерции поступательного движения автомобиля и инерции вращающихся частей автомобиля. Эта сила действует на автомобиль при ускорении или замедлении его движения.

Учитывая, что масса автомобиля , то инерционная сила поступательного движения

, (3.13)

где – ускорение автомобиля; j = – относительное ускорение.

Но так как при изменении скорости автомобиля изменяется и скорость его вращающихся частей (колес, маховика, механизмов трансмиссии), то дополнительно возникает инерция этих частей. Для упрощения расчетов, здесь эта величина учитывается путем введения поправочного коэффициента (_вр ) к силе инерции поступательного движения.

, (3.14)

где Р_{j пост}, Р_{f вращ} – соответственно силы, необходимые для разгона поступательно и вращательно движущихся частей автомобиля.

Тогда инерционная сила автомобиля будет описана выражением

Р_j = G·j·_вр. (3.15)

Величина коэффициента _вр определяется примерно по зависимости

 = 1,04 + n·i_к², (3.16)

где n – коэффициент, равный 0,03-0,05 для легковых и 0,05-0,07 для грузовых автомобилей; i_к – передаточное число коробки передач.