Практическая работа 15. Силы, действующие на автомобиль
Цель – научиться определять движущие силы и силы сопротивления движению автомобиля
Сопротивление подъему
Взаимодействие автомобиля и дороги сопровождается затратами энергии, которые можно разделить на три группы. Энергия затрачивается на подъем автомобиля при движении в гору, на деформацию шин и дороги и на колебания частей автомобиля [2].Автомобильная дорога состоит из чередующихся подъемов и спусков и редко имеет горизонтальные участки большой длины. Крутизну подъема характеризуют величиной угла a в градусах или величиной уклона дороги i.
Сила сопротивления подъему определяется по формуле
,(1.1)
где Ga – вес автомобиля, Н;
a – угол подъема.
При движении автомобиля вверх сила сопротивления подъему положительна, а при движении под уклон – отрицательна. Наличие знака минус означает, что сила Рa является движущей силой автомобиля, а не силой сопротивления.
Мощность, затрачиваемая на преодоление автомобилем подъема с уклоном i определяется по формуле
,л.с.(1.2)
где Va – скорость движения автомобиля, км/ч.
Задачи
1. Определить силу и мощность сопротивления подъему легкового автомобиля ГАЗ-3110 при движении его со скоростью 60 км/ч на подъем, угол которого равен 5°. Вес автомобиля ma = 1885 кг.
2. Определить силу и мощность сопротивления подъему легкового автомобиля ГАЗ-3110 при движении его со скоростью 90 км/ч с горы, угол которого равен 5°. Вес автомобиля ma = 1650 кг.
Сопротивление качению
Сопротивление качению шины по дороге является следствием затрат энергии на гистерезисные (внутренние) потери в шине, а также на образование колеи и поверхностное трение (внешние потери). В действительности энергия затрачивается на восполнение как внутренних, так и внешних потерь, но вследствие сложности учета всех факторов сопротивление качению оценивают по суммарным затратам энергии, условно считая силу сопротивления качению внешней по отношению к автомобилю [3].
|
При малой скорости (до 50-60 км/ч) коэффициент сопротивления качению можно считать величиной постоянной (табл. 1.1).
Таблица 1.1Коэффициент сопротивления качению
Тип дороги | f при Va<50 км/ч | f (среднее значение) |
Асфальтобетонное покрытие в отличном состоянии в удовлетворительном | 0,012 0,018 | 0,012-0,018 0,018-0,020 |
Булыжная мостовая | 0,03 | 0,03-0,04 |
Гравийное покрытие | 0,04 | 0,04-0,07 |
Грунтовая дорога сухая укатанная после дождя | - - | 0,03-0,05 0,05-0,15 |
Снег укатанный | - | 0,07-0,1 |
В случае движения с большой скоростью коэффициент заметно увеличивается, так как шина не успевает полностью распрямиться в области контакта, вследствие чего возвращается не вся энергия, затраченная на деформацию шины. При увеличении скорости деформации возрастает внутреннее трение в покрышке, также вызывающее увеличение коэффициента f. На твердых покрытиях коэффициент сопротивления качению f увеличивается с уменьшением внутреннего давления воздуха в шине.
Для определения его величины в зависимости от скорости используется формула
,(1.3)
где fo – коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля с малой скоростью;
Va – скорость движения автомобиля, км/ч.
Сила сопротивления качению определяется по формуле
|
,(1.4)
Мощность, л.с., необходимая для преодоления сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью Va определяется по формуле
,л.с.(1.5)
Задачи
1. Определить силу сопротивления качению при движении автомобиля ВАЗ-2105 по дороге с асфальтобетонным покрытием со скоростью Va =60 км/ч (ma =1440 кг).
2. Определить силу и мощность сопротивления качению автомобиля ГАЗ-3110 (ma =1870 кг) при различных скоростях движения по дороге с асфальтобетонным покрытием (fo =0,015). Установить зависимость силы и мощности сопротивления качению от скорости движения автомобиля (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Показатель | Скорость движения автомобиля, км/ч | ||||
Pf, Н | |||||
Nf, л.с. |
3. Определить какой из автомобилей с полной загрузкой затрачивает меньше всего мощности для преодоления сопротивления качению при движении со скоростью 90 км/ч (табл. 1.3). Масса автомобиля определяется по справочной литературе.
Таблица 1.3
Показатель | ВАЗ 2105 | ВАЗ 2106 | ВАЗ 2108 | ВАЗ 2121 | ГАЗ 3102 | УАЗ 469 |
Ga, кг | ||||||
Nf, л.с |
4. Сравнить затраты мощности на преодоление сопротивления качению для автобуса, легкового и грузового автомобиля при движении со скоростью Va =60 км/ч (табл. 1.4). Масса автомобиля определяется по справочной литературе.
Таблица 1.4
Показатель | ВАЗ-2106 | ЛАЗ 695 Н | ЗиЛ-431410 | Урал 4302 |
Ga, кг | ||||
Nмах, л.с. | ||||
Nf, л.с. |
Сопротивление дороги
Силы сопротивления качению Pf и подъему Pa возникают при взаимодействии колес с дорогой и в решающей степени зависят от ее типа, состояния и продольного профиля, поэтому их удобно представлять в виде одной суммарной силы Рy, называемой силой сопротивления дороги
|
,(1.6)
где y – коэффициент сопротивления дороги.
Задача
Определить силу сопротивления дороги при движении автомобиля ВАЗ-2105 по дороге I-ой категории с асфальтобетонным покрытием в гору (a=5°) со скоростью Va =90 км/ч (масса автомобиля ma =1440 кг).
Сопротивление воздуха
Движение автомобиля связано с перемещением частиц воздуха, на что расходуется часть мощности двигателя. Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следующих составляющих [3]:
- лобовое сопротивление, которое вызвано разностью давлений спереди и сзади движущегося автомобиля (55-60 %);
- сопротивление, создаваемое выступающими частями (подножками, номерным знаком, антенна 12-18 %);
- сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10-15 %);
- трение наружных поверхностей автомобиля о близлежащие слои воздуха (8-10 %);
- сопротивление, вызванное разностью давлений сверху и снизу автомобиля (5-8 %).
Сила аэродинамического сопротивления воздуха движению автомобиля определяется по формуле
,(1.7)
где Va – скорость автомобиля, м/с;
kw – коэффициент сопротивления воздуха (обтекаемости), зависящий от формы и качества отделки поверхности автомобиля, Н×с2/м 4;
Fа – лобовая площадь автомобиля, м2.
Коэффициент обтекаемости kw численно равен силе сопротивления воздуха в Н, создаваемой одним квадратным метром лобовой площади автомобиля, при его движении со скоростью 1 м/с.
Лобовой площадью автомобиля Fа называют площадь его проекции на плоскость, перпендикулярную к продольной плоскости оси автомобиля.
Лобовая площадь легкового автомобиля определяется по формуле
,(1.8)
где ВГ, НГ – соответственно габаритная высота и ширина автомобиля, м.
Лобовая площадь грузового автомобиля определяется по формуле
,(1.9)
где В – колея автомобиля, м.
Коэффициент сопротивления воздуха определяется по формуле
,(1.10)
где сх – коэффициент обтекаемости автомобиля;
rв – плотность атмосферного воздуха, кг/м3.
Плотность воздуха для фактических (реальных) условий эксплуатации определяется по формуле
,(1.11)
где rо – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3;
То – температура воздуха при нормальных условиях, К;
Р – атмосферное давление, Па.
Мощность, л.с., необходимая для преодоления сопротивления воздуха определяется по формуле
.(1.12)
Задачи
1. Определить силу сопротивления воздуха при движении автомобиля ВАЗ-2105 со скоростью 90 км/ч; rв= 1,22 кг/м 3; F= 1,8 м2; kw= 0,34.
2. Определитьна сколько изменится сила аэродинамического сопротивления D Рw при понижении температуры воздуха до –30 °С. Va =60 км/ч; rо= 1,22 кг/м3; То= 293 К; Ро =101325 Па; kw= 0,34.
3. Определитьсилу аэродинамического сопротивления Рw и мощность Nw, затрачиваемую на преодоление сопротивления воздуха при разных скоростях движения автомобиля ВАЗ-2105. Установить зависимость затрат мощности и силы аэродинамического сопротивления (табл. 1.5) от скорости движения автомобиля (rв= 1,22 кг/м3; kw= 0,34).
Таблица 1.5
Показатель | Скорость движения автомобиля, км/ч | ||||
Рw, Н | |||||
Nw, л.с |
4. Определить какой из легковых автомобилей (табл. 1.6) затрачивает меньше всего мощности Nw для преодоления сопротивления воздуха (Va =60 км/ч; r =1,22 кг/м3).
Таблица 1.6
Показатель | MitsubishiLancer 1.3 GLX | FordEscort 1.3 CL | Peugeot 306 SL | ToyotaCorolla 1.3 XL |
Cx | 0,30 | 0,32 | 0,31 | 0,33 |
Ширина, мм | ||||
Высота, мм | ||||
F, м 2 | ||||
Nw, л.с. |
5. Определить какой из автомобилей (табл. 1.7) затрачивает меньше всего мощности Nw для преодоления сопротивления воздуха при движении со скоростью 60 км/ч.
Таблица 1.7
показатель | ВАЗ 2105 | ВАЗ 2106 | ВАЗ 2108 | ВАЗ 2121 | ГАЗ 3102 | УАЗ 469 |
Кw | 0,34 | 0,33 | 0,25 | 0,24 | 0,23 | 0,38 |
F, м 2 | 1,8 | 1,8 | 1,9 | 2,2 | 2,3 | 3,4 |
Nw, л.с. |
6. Сравнить затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха для автобуса, легкового и грузового автомобилей (Va =60 км/ч).
Таблица 1.8
Показатель | ВАЗ-2106 | ЛАЗ 695 Н | ЗиЛ 130 | Урал 375 Д |
Кw, Н×с2/м2 | 0,34 | 0,38 | 0,54 | 0,71 |
F, м2 | 1,8 | 6,3 | 5,1 | 6,2 |
Nмах, л.с. | ||||
Nw, л.с. |
Сила сопротивления двигателя
Работа ДВС сопровождается силами трения в цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) и подшипниках коленчатого вала, которые создают момент трения двигателя (65-75 % всех механических потерь в двигателе).
Значительная часть сил сопротивления ДВС обуславливается работой газораспределительного механизма, а также насосов системы охлаждения, смазки и топливоподачи, которые создают момент сопротивления механизмов двигателя (15-20 % суммарного сопротивления).
Часть мощности ДВС затрачивается на засасывание, сжатие воздуха (или топливо-воздушной смеси) и выталкивание отработавших газов из цилиндров. Сопротивление газов составляет 15-20 % всех механических потерь [3].
Сила сопротивления двигателя РД, приведенная к ведущим колесам автомобиля определяется по формуле
,(1.13)
где Vh – рабочий объем цилиндров двигателя (литраж), л;
Sn – ход поршня, м;
фД – число ходов поршня за один цикл (тактность ДВС);
рДО – среднее давление механических потерь при вращении коленчатого вала с предельно низкой частотой (ne ~0), Мпа;
вДО – коэффициент, учитывающий увеличение давления механических потерь при повышении скорости движения поршней в цилиндрах.