Сили опору рухові автомобіля

Як було сказано вище, на автомобіль при його русі діють три групи сил: рушійні; нормальні до поверхні дороги; сили опору рухові. Рушійною є сила тяги на ведучих колесах. Нормальні сили – вага і нормальні реакції дороги безпосередньо на рух автомобіля начебто не впливають, але пізніше буде показано, що вони чинять значний вплив на показники руху автомобіля.

До сил опору рухові належать:

– сила опору коченню P_f;

– сила опору підйому P_i ( при русі на спуску – сила скочування);

– сила опору повітря P_w;

– сила тяги на гаку (для автомобіля-тягача) Р_гк;

– сила інерції (сила опору розгону) P_j.

Схема прикладання цих сил наведена на рис. 11.

Рис. 11. Схема прикладання сил опору рухові

Розглянемо кожну з цих сил зокрема.

Сила опору коченню.Вище було розглянемо силу опору коченню колеса. Сила опору коченню, що діє на весь автомобіль, дорівнює сумі сил опору коченню всіх коліс

,

де m – кількість коліс;

P_fi– сила опору коченню і-го колеса;

f_i – коефіцієнтопору коченню і-го колеса;

R_zi – нормальна реакція на і-те колесо.

Всі колеса автомобіля працюють в різних умовах: вони сприймають різне навантаження, у них різний тиск повітря в шинах, через них може передаватися різний крутний момент, різний стан дороги в зоні контакту. Оскільки врахувати особливості руху кожного колеса дуже важко, а часто і цілком неможливо, використовується усереднене значення коефіцієнта опору коченню f. Тоді

Сума нормальних реакцій дороги на колеса автомобіля дорівнює сумі нормальних сил, якими автомобіль через колеса діє на дорогу, тобто дорівнює нормальній складовій ваги автомобіля

Тут α – кут поздовжнього нахилу дороги.

Отже, сила опору коченню автомобіля

Сила опору підйому– це складова ваги автомобіля. яка спрямована паралельно до опорної поверхні і прикладена в центрі маси автомобіля. Сила опору підйому визначається з виразу

Якщо кути підйомів вважати додатними, а кути спусків – від'ємними, очевидно, що при русі автомобіля на спуску ця сила не чинитиме опору рухові, а навпаки, стане рушійною силою.

При невеликих кутах нахилу дороги α синус може бути замінений на тангенс, оскільки для малих кутів .

В шляховому будівництві тангенс кута поздовжнього нахилу дороги називають поздовжнім ухилом і, який може позначатися у відсотках. Наприклад

tgα = 0,03

i = 3%

Сила опору дороги.Доволі часто при розрахунках тягово-швидкісних властивостей автомобіля доцільно розглядати сумісний опір коченню і підйому. Сума цих опорів називається опором дороги

Сума називається коефіцієнтом опору дороги.

Сила опору повітря.Опір повітря зумовлюється тертям прилеглих до поверхні автомобіля шарів повітря; стисканням повітря рухомою машиною; розрідженням за машиною; завихреннями в оточуючих машину шарах повітря.

При русі автомобіля повітря, розташоване попереду, стискається і виштовхується туди, де тиск менший, тобто вгору, вниз і в боки. За рухомою машиною виникає відносне розрідження. Ця область із зниженим тиском заповнюється повітрям, що оминає машину. Оскільки переміщення маси повітря при русі автомобіля пов’язане із зміною напряму потоків повітря, відбувається утворення завихрень (рис. 12).

Рис. 12. Обдування автомобіля потоками повітря

Чим більша площа поперечного січення, тобто площа проекції машини на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі, тим більша кількість повітря змушена оминати машину. Найбільша площа поперечного січення автомобіля називається лобовою площею. Складова сили опору повітря, залежна від цієї площі, називається лобовим опором. Це основна складова всієї сили опору повітря, її частка сягає 60% від загальної. Цей опір називають також опором форми, оскільки його величина залежить від форми тіла. Дослідження тіл різної форми на лобовий опір показали таку його залежність від форми, тобто від обтічності (рис. 13).

Рис. 13. Залежність лобового опору від обтічності тіла

Інші складові сили опору повітря:

– внутрішній опір, створюється потоками повітря, що проходять всередині автомобіля для вентиляції та обігрівання кузова, для охолодження двигуна. Частка цієї складової становить приблизно 10%;

– опір поверхневого тертя (10%);

– індукований опір (5%) – викликається взаємодією сил, що діють в напрямку поздовжньої осі автомобіля (підйомної) і перпендикулярно до неї (бокової);

– додатковий опір (15%), створюється різними виступаючими частинами (фарами, показниками повороту, дверними ручками, номерними знаками).

Сила лобового опору автомобіля визначається за формулою

,

де с_х– коефіцієнт лобового опору (коефіцієнт обтічності), який визначається експериментально при продуванні автомобіля або його моделі в аеродинамічній трубі;

ρ – густина повітря;

F – лобова площа.

З врахуванням впливу решти складових опору повітря ця сила визначається за формулою

В цій формулі коефіцієнт опору повітря k враховує як обтічність автомобіля, що залежить від його форми, так і інші чинники, безпосередньо не залежні від форми автомобіля.

Приблизні значення коефіцієнтів опору повітря для різних автомобілів такі ():

спортивні – 0,13…0,15

легкові – 0,20…0,30

автобуси – 0,25…0,40

вантажівки – 0,50…0,70

автопоїзди –0,55…0,95

Виникає запитання, чому такий великий коефіцієнт опору повітря автопоїздів.

Рис. 14. Обдування автопоїзда потоками повітря

Габаритна висота сідлових автопоїздів визначається висотою причіпних ланок. Основний опір в них створюється повітрям, яке обтікає кабіну і набігає на передню стінку напівпричепа (рис. 14). Крім того, в проміжках між ланками автопоїзда утворюються потужні завихрення, які ніби збільшують лобову площу. Тому в автопоїздах для зменшення аеродинамічного опору застосовують різноманітні пристрої (рис. 15), які дозволяють зменшити опір повітря.

Рис. 15. Способи покращення обтічності сідлового автопоїзда

Однак слід повернутися до формули

Тут F – лобова площа автомобіля. Для її визначення використовуються емпіричні формули:

для легкових автомобілів

,

де Н_г– габаритна висота;

В_г– габаритна ширина;

для вантажних автомобілів і автобусів

,

де В₁– колія передніх коліс.

Сила опору розгону автомобіля – це його сила інерції. Автомобіль є складною механічною системою, частина деталей якої водночас перебуває в поступальному і обертовому рухах, тому необхідно враховувати інерцію і поступального, і обертового рухів. Сумарну силу інерції автомобіля можна визначити з виразу

,

де – сила опору розгону поступального руху всієї маси автомобіля;

– сила опору розгону обертового руху коліс;

– сила опору розгону обертового руху маховика і зв'язаних з ним деталей трансмісії і двигуна.

Враховуючи, що , маємо, тому. Оскільки, маємо, отже.

З врахуванням виконаних перетворень можна записати

Вираз називається коефіцієнтом врахування інертності обертових мас, або коротше, коефіцієнтом інерції обертових мас. Присутність в формулі цього коефіцієнта означає, що для надання певного прискорення механічній системі, частина маси якої здійснює обертовий рух, необхідна сила вδ разів більша, ніж для тіла такої ж маси, що здійснює лише поступальний рух. З іншого боку, при однаковій прикладеній силі система з частиною обертових мас матиме вδразів менше прискорення.

Можна також сказати, що коефіцієнт інерції обертових мас характеризує розподіл потужності двигуна, яка витрачається на приріст кінетичної енергії, між масами, що здійснюють поступальний рух і обертовими масами. Наприклад, при δ=3 дві третини потужності двигуна будуть використані для розгону обертових мас і лише одна третина для здійснення поступального розгону автомобіля.

Аналіз формули для визначення δсвідчить, що величина цього коефіцієнта пропорційна квадрату передатного числа. Тому найбільше значення δ набуває при русі на найнижчій передачі трансмісії. З цієї причини для вантажних автомобілів, у яких передатне число першого ступеню коробки передач доволі велике, розгінною є друга передача.