Сила сопротивления двигателя

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 G_a – 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 Р_a 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 V_a – 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 m_a = 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 m_a = 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 f_o – коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля с малой скоростью;

V_{a –} 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 V_a 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 V_a =60 км/ч (m_a =1440 кг).

2. Определить силу и мощность сопротивления качению автомобиля ГАЗ-3110 (m_a =1870 кг) при различных скоростях движения по дороге с асфальтобетонным покрытием (f_o =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 V_a =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 P_f и подъему P_a 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 Р_y, 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 V_a =90 км/ч (масса автомобиля m_a =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 V_a – скорость автомобиля, м/с;

k_w – коэффициент сопротивления воздуха (обтекаемости), зависящий от формы и качества отделки поверхности автомобиля, Н×с²/м ⁴;

F_а – лобовая площадь автомобиля, м².

Коэффициент обтекаемости k_w 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 F_а называют площадь его проекции на плоскость, перпендикулярную к продольной плоскости оси автомобиля.

Лобовая площадь легкового автомобиля определяется по формуле

 

,(1.8)

 

где В_Г, Н_Г – 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 с_х – коэффициент обтекаемости автомобиля;

r_в – плотность атмосферного воздуха, кг/м³.

Плотность воздуха для фактических (реальных) условий эксплуатации определяется по формуле

 

,(1.11)

 

где r_о – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;

Т_{о –} 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; r_в= 1,22 кг/м ³; F= 1,8 м²; k_w= 0,34.

2. Определитьна сколько изменится сила аэродинамического сопротивления D Р_w при понижении температуры воздуха до –30 °С. V_a =60 км/ч; r_о= 1,22 кг/м³; Т_о= 293 К; Р_о =101325 Па; k_w= 0,34.

3. Определитьсилу аэродинамического сопротивления Р_w и мощность N_w, 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 (r_в= 1,22 кг/м³; k_w= 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 N_w для преодоления сопротивления воздуха (V_a =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 N_w 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 (V_a =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 Р_Д, приведенная к ведущим колесам автомобиля определяется по формуле

,(1.13)

 

где V_{h –} рабочий объем цилиндров двигателя (литраж), л;

S_n – ход поршня, м;

ф_Д – число ходов поршня за один цикл (тактность ДВС);

р_{ДО –} среднее давление механических потерь при вращении коленчатого вала с предельно низкой частотой (n_e ~0), Мпа;

в_{ДО –} коэффициент, учитывающий увеличение давления механических потерь при повышении скорости движения поршней в цилиндрах.