Какие силы и моменты действуют на автомобиль

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

Основы динамики автомобиля

Скоростная характеристика двигателя

Скоростная характеристика двигателя определяется зависимостями эффективной мощности N_e и крутящего момента M_к от частоты вращения n коленчатого вала.

Ведущие колеса автомобиля приводят его в движение в результате возникновения силы тяги, которая возникает при приложении крутящего момента к полуосям ведущих колес со стороны трансмиссии:

где P_т – сила тяги, Н;
M_т – крутящий (тяговый) момент на ведущем колесе, Нм;
r – радиус колеса, м.

Крутящий момент на ведущих колесах зависит от величины момента, развиваемого двигателем на коленчатом валу, передаточного числа i_тр трансмиссии и ее КПД – η_тр :

Анализ графика показывает, что максимальная эффективная мощность и максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, доступен в узком интервале частот вращения коленчатого вала. При небольшой частоте вращения коленчатого вала величина этих динамических показателей недостаточна для появления на ведущих колесах требуемой для движения автомобиля силы тяги, а при превышении частотой вращения коленвала некоторого максимального порога двигатель начинает терять мощность и тяговые показатели, или, как говорят механики, начинает работать «вразнос».
По этой причине эффективная эксплуатация двигателя внутреннего сгорания возможна лишь в некотором узком диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Тяговая характеристика автомобиля

Тягово-скоростные свойства автомобиля удобно оценивать с помощью тяговой характеристики, т. е. зависимостью силы тяги на ведущих колесах от скорости движения на различных передачах (рис. 2).

Число кривых на тяговой характеристике (рис. 2) соответствует числу ступеней в коробке передач.

Тяговая характеристика позволяет быстро определить максимальное значение силы тяги на ведущих колесах, которая может быть обеспечена при данной скорости движения автомобиля, поскольку она рассчитывается по наибольшей для данной частоты вращения коленчатого вала мощности двигателя. Меньшее значение силы тяги получается при недоиспользовании мощности двигателя, т. е. при неполной подаче топлива. Следовательно, с помощью тяговой характеристики можно оценить предельные тяговые возможности автомобиля в фактическом интервале скоростей его движения.

Силы и моменты, действующие на ведущие колеса

Реактивные силы, действующие на колеса

Тяговый момент М_т на ведущих колесах стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия, в результате чего со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила R_x – горизонтально направленная касательная реакция дороги.

где Р_ш – сила, учитывающая потери энергии в шинах ведущих колес.

Таким образом, касательная реакция дороги создает силу тяги.

Боковая сила Р_y значительно увеличивается при криволинейном движении автомобиля или при движении по косогору. Боковая реакция R_y со стороны дороги удерживает колеса автомобиля от бокового скольжения (заноса) при движении автомобиля поперек косогора или при выполнении маневра.

Сила тяги на ведущих колесах

При этом не учитываются затраты энергии на деформацию дорожного покрытия, трение внутри шины и силы инерции, обусловленные ускорением вращающихся масс колес и деталей трансмиссии в случае неравномерного движения.

Следует учитывать, что радиус колеса вследствие эластичности шины является переменной величиной.
Различают следующие радиусы автомобильных колес:

Радиус качения колеса определяется по формуле:

Если проскальзывание колеса относительно дороги отсутствует, что характерно для ведомого колеса, то радиусы r_д и r_к почти равны между собой. В случае полного буксования колеса его пройденный путь будет равен нулю, и тогда (согласно приведенной выше формуле) его радиус качения тоже будет равен нулю.
В случае движения колеса юзом (скольжение без вращения) число оборотов будет равно нулю, и, соответственно, радиус качения r_к будет стремиться к бесконечности.

Источник

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 прямолинейном движении

Силы, действующие на автомобиль при прямолинейном движении, представлены на рис. 2.5.

Примем следующие условия:

С учетом данных условий на автомобиль будут действовать следующие внешние силы:

Сила тяги была рассмотрена в разделе 2.2.1. При принятых выше условиях не имеет значения, сколько колес являются ведущими и сколько ведомыми.

Сила сопротивления качению

Силой сопротивления качению автомобиля P_f 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 влияет на сопротивление качению непосредственно, поскольку реакции грунта или другого дорожного покрытия можно считать пропорциональными нормальной нагрузке. Гистерезисные потери (потери, связанные с деформацией резины) в шине зависят от ее радиальной деформации. Эти потери возрастают при увеличении нагрузки. Кроме того, рост нормальной нагрузки приводит к увеличению удельного давления, а следовательно, и сопротивления качению.

Дорожное покрытие оказывает существенное влияние на ^ в случае, если оно не является твердым. Его величина 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. Удельное давление определяется по формуле

где c_q — коэффициент, определяемый жесткостью каркаса шины, c_q = 1 + р р — давление воздуха в шинах.

Понижение удельного давления влияет на P_f неоднозначно. При понижении давления возрастает деформация шин, вследствие чего растут гистерезисные потери. В то же время понижение давления значительно уменьшает погружение шин в грунт (при отсутствии твердого покрытия) и тем самым снижает P_f.

Увеличение скорости движения приводит к увеличению потерь в шинах, в частности из-за того, что их упругие свойства не могут быть полностью использованы (часть шины не успевает полностью распрямиться). Кроме того, при повышении скорости деформации возрастает внутреннее трение в покрышке, что также ведет к увеличению P_f.

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

Увеличение числа колес приводит к возрастанию суммарных потерь. Чем больше диаметр колеса, тем колесо меньше погружается в грунт, а значит, меньше сопротивление качению.

Чем больше грунтозацепы и протекторы шины, тем сильнее колесо деформирует грунт, что приводит также к увеличению P_f. На дорогах с твердым покрытием увеличенные грунтозацепы и рельефный рисунок протектора также приводят к увеличению P_f, так как растут гистерезисные потери в шине.

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

Для эксплуатационных расчетов принимаются два допущения:

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

В табл. 2.2 приведены значения /в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия.

Таблица 2.2. Значения коэффициента сопротивления качению в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия

Тип и состояние дорожного покрытия

Тип и состояние дорожного покрытия

Бетон, асфальтобетон и асфальт

Укатанная сухая грунтовая дорога

Разбитая мокрая грунтовая дорога

Влияние скорости движения на коэффициент / сопротивления качению учитывает эмпирическая формула

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

Сила тяжести, действующая на автомобиль и сопротивление его движению

Масса автомобиля указывается в технической характеристике автомобиля.

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 грузового автомобиля или массу пассажиров, число которых соответствует номинальной пас- сажировместимости легковых автомобилей и автобусов.

В расчетах обычно учитывается полная масса.

Сила тяжести, действующая на автомобиль, стоящий на горизонтальной плоскости:

где G — сила тяжести; т — масса автомобиля; g — ускорение свободного падения.

Положение центра масс определяется у двухосного автомобиля расстояниями /, и /₂ до геометрических осей вращения колес соответственно переднего и заднего мостов. У трехосного автомобиля /₂ — расстояние от центра масс до оси балансира задней тележки. Расстояние L = /, + /₂ называется базой автомобиля.

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

На крутых подъемах сопротивление подъему значительно превышает сопротивление качению. Так при а = 20° /*„ = 0,36(7, а при а = 30° Р_а = 0,5(7, тогда как P_f редко превышает 0,05—0,08(7.

При небольших значениях угла а синус может быть заменен тангенсом. В дорожном строительстве тангенс угла наклона дороги к горизонту называют продольным уклоном /, который выражается в процентах. В этом случае сила сопротивления подъему

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

При движении автомобиля по наклонной дороге сила сопротивления качению определится как

Тогда сила сопротивления дороги

Выражение в скобках называется коэффициентом сопротивления дороги и обозначается vj/:

Тогда сила сопротивления дороги

Сила инерции или сила сопротивления разгону

Сила инерции поступательного движения автомобиля выражается через величину его ускорения:

где j — ускорение автомобиля; m — масса автомобиля.

Так как в автомобиле имеются вращающиеся детали значительной массы, то они также влияют на сопротивление разгону автомобиля. К этим деталям относятся маховик двигателя и колеса. Чтобы учесть влияние вращающихся масс вводят коэффициент учета вращающихся масс 8_вр, который показывает, во сколько раз сила, необходимая для разгона с заданным ускорением поступательно движущихся и вращающихся масс автомобиля, больше силы, необходимой для разгона только его поступательно движущихся масс.

С учетом коэффициента 8_вр уравнение (2.12) будет иметь вид

Значение коэффициента 5_вр определяется по формуле

где /_м — момент инерции маховика; — КПД трансмиссии; /_тр — передаточное число трансмиссии; /_к — суммарный момент инерции всех колес; m — масса автомобиля; г — 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.

Если точное значение моментов инерции /_м и J_K не известно, то коэффициент 8_вр определяется по эмпирической формуле

где 5, * 6₂ от 0,03 до 0,05; т_а — масса автомобиля с полной нагрузкой; т — фактическая масса автомобиля.

При движении автомобиля с отключенной от двигателя трансмиссией

Источник