Какие силы действуют на равномерно движущийся автомобиль

Силы, действующие на автомобиль

Для правильного и безопасного управления любым автомобилем необходимо знать физические законы его поведения на дороге. Эти знания помогают при правильной оценке конкретной дорожной ситуации выбрать оптимальное решение и, воздействуя на органы управления автомобиля, совершать безопасные маневрирования.

Водителю необходимо учитывать все эти факторы, так как когда сила тяги на колеса автомобиля превышает силу сцепления с дорожным полотном, может произойти пробуксовка колес, а на скользкой дороге возможны заносы и выход из-под контроля управления автомобиля.

6. Сила сопротивления воздуха направлена в сторону, противоположную движению транспортного средства. Она возникает в процессе движения за счет давления на воздух поверхностями автомобиля, поэтому многое зависит от аэродинамической конструкции формы кузова автомобиля. Эта сила возрастает с увеличением скорости движения.

Сила сопротивления качению возникает в процессе движения при трении шин автомобиля о поверхность дороги, вследствие чего возникают трения в передаточном механизме (в подшипниках колес). Эта сила прямо пропорциональна массе транспортного средства и коэффициенту сопротивления качению. Коэффициент сопротивления качению зависит от состояния дороги и определяется опытным путем. Сила сопротивления качению направлена в сторону, противоположную движению.

Автомобильные дороги состоят из чередующихся между собой подъемов и спусков и крайне редко имеют горизонтальные участки большой длины. Крутизну подъема характеризуют величиной угла а (в градусах) или величиной уклона дороги t, представляющей собой отношение превышения Н к заложению В (см. рис. 2):

Вес автомобиля G, движущегося на подъеме, можно разложить на две-составляющие силы: G·sinб, направленную параллельно дороге, и G·cosб, перпендикулярную к дороге. Силу G sinб называют силой сопротивления подъему и обозначают Рб.

При движении на спуске сила Ра имеет противоположное направление и действует как движущая сила. Угол а и уклон i считают положительными на подъеме и отрицательными при движении на спуске.

У современных автомобильных дорог нет четко выраженных участков с постоянным уклоном; их продольный профиль имеет плавные очертания. На таких дорогах уклон и сила Р непрерывно меняются в процессе движения автомобиля.

Сопротивление неровностей. Ни одно дорожное покрытие не является абсолютно ровным. Даже новые цементобетонные и асфальтобетонные покрытия имеют неровности высотой до 1 см. Под действием динамических нагрузок неровности быстро увеличиваются, уменьшая скорость автомобиля, сокращая срок его службы и увеличивая расход топлива. Неровности создают дополнительное сопротивление движению.

При попадании колеса в длинную впадину оно ударяется о ее дно и подбрасывается вверх. После сильного удара колесо может отделиться от покрытия и снова удариться (уже с меньшей высоты), совершая затухающие колебания. Переезд через короткие впадины и выступы сопряжен с дополнительной деформацией шины под действием силы, возникающей при ударе о выступ неровности. Таким образом, движение автомобиля по неровностям дороги сопровождается непрерывными ударами колес и колебаниями осей и кузова. В результате происходит дополнительное рассеивание энергии в шине и деталях подвески, достигающее иногда значительных величин. [5]

Дополнительное сопротивление, вызываемое неровностями дороги, учитывают, условно увеличивая коэффициент сопротивления качению.

Величины коэффициента сопротивления качению f и уклона i в совокупности характеризуют качество дороги. Поэтому часто говорят о силе сопротивления дороги Р, равной сумме сил Рf и Ра:

Выражение, стоящее в скобках, называют коэффициентом сопротивления дороги и обозначают буквой Ф. Тогда сила сопротивления дороги: Р = G (f cosб-f sinб) = G ф.

При движении автомобиля на него оказывает сопротивление и воздушная среда. Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следующих величин:

При увеличении скорости движения увеличивается и сопротивление воздуха.

Прицепы вызывают увеличение силы сопротивления воздуха вследствие значительного завихрения воздушных потоков между тягачом и прицепом, а также из-за увеличения наружной поверхности трения. В среднем можно принять, что применение каждого прицепа увеличивает это сопротивление на 25% по сравнению с одиночным автомобилем.

Кроме сил сопротивления дороги и воздуха влияние на движение автомобиля оказывают силы инерции Р. Всякое изменение скорости движения сопровождается преодолением силы инерции, и ее величина тем больше, чем больше вес автомобиля:

Сила инерции изменяется в процессе движения автомобиля в соответствии с изменением ускорения. Для преодоления силы инерции расходуется часть тяговой силы. Однако в тех случаях, когда автомобиль движется накатом после предварительного разгона или при торможении, сила инерции действует по направлению движения автомобиля, выполняя роль движущей силы. Принимая это во внимание, некоторые труднопроходимые участки пути можно преодолевать с предварительным разгоном автомобиля.

Величина силы сопротивления разгону зависит от ускорения движения. Чем быстрее разгоняется автомобиль, тем большей становится эта сила. Ее величина меняется даже при трогании с места. Если автомобиль трогается плавно, то сила эта почти отсутствует, а при резком трогании она может даже превысить тяговую силу. Это приведет или к остановке автомобиля, или к буксованию колес (в случае недостаточной величины коэффициента сцепления).

В сложных дорожных условиях может случиться так, что сумма всех сил сопротивления превысит тяговую силу, тогда движение автомобиля будет замедленным и он может остановиться, если водитель не примет необходимых мер.

Источник

Силы действующие на автомобиль при движении

Схема сил действующих на ведущее колесо

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Сила сцепления колес с дорогой

У легковых автомобилей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Сила сопротивления воздуха

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

Сила сопротивления подъему

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъему направлена в сторону движения и является движущей силой.

Источник

Устройство автомобилей

Силовой баланс автомобиля

Силы, действующие на автомобиль при прямолинейном движении

Прямолинейным движением автомобиля будем считать его равномерное или ускоренное движение по горизонтальной или наклонной прямой дороге (без виражей и поворотов). В этом случае на автомобиль действуют следующие силы:

На рисунке 1 представлены все эти силы с учетом их направления по отношению к направлению движения автомобиля.

Для дальнейших теоретических выкладок примем следующие условия (допущения):

Сила тяги Р_т подробно рассмотрена в предыдущей статье. При принятых выше условиях не имеет значения, сколько колес автомобиля являются ведущими и сколько ведомыми.

Сила сопротивления качению

Силой сопротивления качению автомобиля P_j называется сумма сил сопротивления качению всех его колес. В реальных условиях сопротивление качению отдельных колес автомобиля не бывает одинаковым даже при движении автомобиля по дороге с твердым покрытием.
На деформируемых грунтах любое сопротивление качению задних колес, движущихся по уже уплотненному грунту, значительно меньше, чем для передних. Для решения теоретических задач сопротивление качению определяется для автомобиля в целом.
На сопротивление качению влияют:

Нормальная нагрузка обусловлена полным весом автомобиля и влияет на сопротивление качению непосредственно, поскольку реакции дорожного покрытия или грунта можно считать пропорциональными нормальной нагрузке.
Потери, связанные с деформацией резины в шине (гистерезисные потери) зависят от радиальной деформации шины. Эти потери возрастают при увеличении нагрузки.
Кроме того, рост нормальной нагрузки приводит к увеличению удельного давления, а следовательно, и сопротивлению качения.

Дорожное покрытие оказывает существенное влияние на силу сопротивления качению колес P_f в случае, если оно не является твердым. Величина этой силы определяется работой прессования и выдавливанием в стороны грунта при погружении в него колес.

Удельное давление на грунт – это нормальная нагрузка на единицу площади опорного участка шины и может быть определено по формуле:

где c_q – коэффициент, определяемый жесткостью каркаса шины, c_q = 1 + p ;
p – давление воздуха в шинах.

Большое значение имеют конструкция и состояние шин, их число и диаметр, а также рисунок протектора, форма и расположение грунтозацепов.

При изношенном протекторе уменьшается сопротивление качению, но при этом резко ухудшаются сцепные качества шины с дорогой.

Для эксплуатационных расчетов принимаются два допущения:

Тогда сила сопротивления качению может быть выражена через нормальную нагрузку (или равную ей реакцию грунта R_z ) и коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом сопротивления качению f :

Коэффициент сопротивления качению f зависит от характера и состояния дорожного покрытия. Так, для асфальта, бетона или асфальтобетона он равен 0,1…0,3, для укатанной сухой грунтовой дороги – 0,02…0,03, для разбитой мокрой грунтовой дороги – 0,1…0,25, для обледенелой дороги – 0,01…0,03 и т. д.

Влияние скорости движения на коэффициент f сопротивления качению учитывает эмпирическая формула:

где f – коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью менее 15 м/с;
v – скорость автомобиля.

Сила тяжести и сопротивление движению

Масса снаряженного автомобиля – масса автомобиля без груза, полностью заправленного топливом, смазочными материалами и охлаждающей жидкостью, с запасным колесом, инструментом и оборудованием.
Полная масса автомобиля включает в себя еще массу водителя и груза по номинальной грузоподъемности (для грузового автомобиля) или по номинальной пассажировместимости (для автобусов и легковых автомобилей).
В расчетах обычно принимается полная масса.

Положение центра масс определяется у двухосного автомобиля расстояниями l₁ и l₂ до геометрических осей вращения колес соответственно переднего и заднего мостов. У трехосного автомобиля l₂ – расстояние от центра масс до оси балансира задней тележки.
Расстояние L = l₁ + l₂ называют базой автомобиля.

При движении автомобиля по наклонному участку дороги с углом подъема α сила тяжести раскладывается на две составляющие:

Сила сопротивления качению и сила сопротивления подъему зависят от дорожных условий, так как коэффициент сопротивления качению f и угол подъема дороги α в совокупности определяют качество дороги, поэтому можно ввести такое понятие, как сила сопротивления дороги:

При движении автомобиля по наклонной дороге сила сопротивления качению определится из соотношения:

Получим следующую формулу для вычисления силы сопротивления дороги:

Выражение в скобках называется коэффициентом сопротивления дороги и обозначается ψ :

Тогда сила сопротивления дороги:

Сила инерции

Сила инерции (или сила сопротивления разгону) при поступательном движении автомобиля может быть определена из соотношения:

где j – ускорение автомобиля, m – масса автомобиля.

С учетом коэффициента δ_вр уравнение (1) будет иметь вид:

Значение коэффициента δ_вр определяется по формуле:

где j_м – момент инерции маховика; η_тр – КПД трансмиссии; i_тр – передаточное число трансмиссии; j_к – суммарный момент инерции всех колес автомобиля; m – масса автомобиля; r – радиус колеса.

Энергия, затрачиваемая на разгон деталей двигателя на прямой передаче, в два-три раза, а на низших передачах в восемь-десять раз больше энергии, расходуемой на разгон колес.

В случае, если точное значение моментов инерции маховика и колес неизвестно, то коэффициент учета вращающихся масс δ_вр определяют по эмпирической формуле:

где δ₁ ≈ δ₂ от 0,03 до 0,05; m_а – масса автомобиля с полной нагрузкой; m – фактическая масса автомобиля.

При движении автомобиля с отключенной от двигателя трансмиссией коэффициент учета вращающихся масс может быть приближенно определен по формуле:

Сила сопротивления воздуха

Как и всякое тело, перемещающееся в воздушной среде, автомобиль со стороны атмосферного воздуха испытывает сопротивление движению, которое обуславливается двумя факторами: трением, возникающим в пограничных с поверхностью автомобиля слоях воздуха, и вихреобразованием в окружающих его потоках.

Движущийся автомобиль увлекает за собой непосредственно прилегающий к нему слой воздуха, который взаимодействует на соседний с ним слой и т. д., увлекая его за собой. Скорость каждого последующего слоя воздуха меньше, чем предыдущего, что и вызывает силы трения между слоями. Чем выше скорость движения автомобиля, тем большие массы воздуха будут увлекаться в движение, и тем больше суммарная сила трения, возникающая между слоями и поверхностью автомобиля.
Однако при скоростях, с которыми передвигаются автомобили, сопротивление, вызываемое трением в пограничных с автомобилем слоях очень мало, и им можно пренебречь в большинстве расчетов.

Образование вихревых потоков можно представить, предположив, что на неподвижный автомобиль направлен с достаточной скоростью поток воздуха. Ударяясь о лобовую поверхность кабины и кузова автомобиля, струи воздуха изменяют направление своего движения (рис. 1). При этом чем менее обтекаемую форму имеет автомобиль, тем интенсивнее и объемнее будут вызываемые им завихрения воздушных струй.
В результате вихреобразования возникает разрежение воздуха сзади автомобиля, тогда как перед ним воздух уплотняется, вследствие чего создается разность давлений воздуха впереди и сзади автомобиля.

Сопротивление воздуха при вихреобразовании зависит от площади поперечного сечения автомобиля (лобовой проекции), и особенно от его формы.
Усилению вихреобразования способствует наличие выступающих частей, прямых углов и резких переходов в профильной проекции автомобиля. Обтекаемые формы современных легковых, и особенно – гоночных автомобилей, существенно снижают сопротивление воздуха, вызываемое вихреобразованием.

Сопротивление воздуха при проектировании кузовов автомобилей определяют чаще всего опытным путем с помощью аэродинамической трубы, которая позволяет получить равномерный прямолинейный установившийся воздушный поток заданной скорости и даже температуры. В аэродинамической трубе можно не только исследовать обтекаемость автомобиля, но и определить эффективность очистки ветрового стекла и ряд других параметров, связанных с воздействием воздушного потока на автомобиль.

Для расчета силы сопротивления воздуха P_ω аналитическими методами можно использовать формулу, полученную опытным путем (эмпирическая зависимость), которая справедлива для всех скоростей автомобиля, кроме самых малых:

где ρ – плотность воздуха;
c – коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы автомобиля;
F – площадь лобового сопротивления, т. е. площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную направлению движения;
v – скорость автомобиля.

Считая, что плотность ρ воздуха в реальных условиях движения автомобиля величина относительно постоянная, вводят понятие коэффициента k_ω обтекаемости автомобиля, который тоже можно считать постоянной величиной:

Тогда формула (3) примет вид:

Значения коэффициента обтекаемости зависят от формы кузова. Так, например, для автобусов капотной компоновки он равен 0,45…0,55, для автобусов вагонной компоновки – 0,35…0,45, для легковых автомобилей – 0,2…0,35, для гоночных автомобилей – 0,15…0,2 и т. д.

Площадь лобового сопротивления с достаточной степенью точности (погрешность не более 10%) можно определить по следующим зависимостям:

При расчетах силы сопротивления воздуха P_ω важно определить место приложения данной силы, так называемый центр парусности.

Точное положение центра парусности автомобиля определяется опытным путем в аэродинамической трубе. Для приблизительных расчетов принимают высоту положения центра парусности равной половине высоты автомобиля, а его расположение по горизонтали – на оси симметрии лобовой проекции автомобиля.

При скоростях выше 100…120 км/ч со стороны воздушных потоков на автомобиль начинает действовать так называемая подъемная сила, имеющая аэродинамическую природу, направленная вертикально вверх и стремящаяся оторвать автомобиль от поверхности дороги.
Это негативное явление приводит к потере устойчивости и управляемости автомобиля, и связано с тем, что под днищем автомобиля, благодаря его плоской форме, скорость потока воздуха ниже, а давление в воздушном потоке выше, чем над автомобилем, где, благодаря ускорению воздушных масс из-за криволинейной формы кузова автомобиля, давление снижается. В результате на автомобиль начинает действовать подъемная сила, аналогичная подъемной силе, действующей на крыло самолета.
У спортивных автомобилей благодаря специальной форме кузова и использованию аэроэлементов (антикрыло) эту силу направляют вниз, увеличивая сцепление колес с дорогой.

Силы, возникающие при буксировке прицепов

Сила сопротивления воздуха для прицепа в приближенных расчетах не учитывается, так как она прилагается к центру парусности тягача. Кроме того, автопоезда не передвигаются на больших скоростях, когда сила сопротивления воздуха достигает существенных значений.

Нормальная реакция дороги

Нормальная реакция дороги R_z не совершает ни полезной работы, ни работы сопротивления движению, поскольку направлена перпендикулярно направлению движения автомобиля. Однако при изучении тягово-скоростных свойств автомобиля их необходимо учитывать, поскольку R_z определяет силы сопротивления качению и сцепление колес с опорной поверхностью (дорогой).
Нормальные реакции необходимы при оценке таких эксплуатационных свойств автомобиля, как торможение, управляемость, устойчивость и проходимость, а также при расчетах мостов.

Сила тяжести G автомобиля распределяется по всем его колесам, и со стороны дороги действуют соответствующие нормальные реакции на каждое колесо. При этом равномерное распределение массы автомобиля на его колеса хотя и могут иметь место, но в порядке исключения. Поэтому на разные колеса автомобиля действуют разные по величине нормальные реакции, в соответствии с распределением нагрузки на оси и мости, а также на каждое колесо.

где L – расстояние между осями автомобиля.

Во время движения нормальные реакции дороги изменяются под действием различных сил и моментов. На рис. 2,б показана схема сил, действующих на автомобиль при его разгоне и на подъеме. Расчетным путем можно доказать, что нормальнее реакции дороги на передние колеса уменьшаются, а на задние увеличиваются с ростом крутизны подъема, интенсивности разгона, а также с увеличением силы сопротивления воздуха движению автомобиля.

Во время разгона автомобиля предельные значения коэффициентов составляют:
m_p1 от 0,55 до 0,7; m_p2 от 1,2 до 1,35, т. е. во время разгона нагрузка на передний мост уменьшается, а на задний увеличивается по сравнению с нагрузками в статическом положении.
При торможении автомобиля наблюдается обратное явление. Это объясняется тем, что при разгоне автомобиль как бы «приседает» на задние колеса, а при торможении испытывает «кивок» вперед.

Источник