Lekcja 17

Temat: Bilans mocy

Ruch samochodu jest wynikiem przekazywania momentu obrotowego silnika do kół pojazdu. W wyniku jego przekazania możliwe jest ruszenie pojazdu z miejsca, pokonanie oporów ruchu i nadanie mu żądanej prędkości. Do tego, aby moment obrotowy przekazać do kół pojazdu niezbędny jest układ napędowy, który niezależnie od potrzeb i przeznaczenia pojazdu składa się z takich zespołów jak: sprzęgło, skrzynia biegów, przekładnia główna mechanizm różnicowy, półosie. W strukturze tego układu występować mogą zespoły i podzespoły uzupełniające takie jak wały napędowe, dodatkowe sprzęgła i przekładnie.

Niezależnie od struktury układu przeniesienia napędu, źródłem napędu jest tłokowy silnik spalinowy (TSS) - zespoły wchodzące w skład struktury układu napędowego pełnią funkcję pośredniczącą, umożliwiającą właściwe wykorzystanie mocy (momentu obrotowego) przez niego wytwarzanej.

Możliwości zastosowania silnika do układu napędowego samochodu są wyrażone za pomocą takich wielkości jak: moc, moment obrotowy, jednostkowe zużycie paliwa. Wymienione wielkości przedstawione mogą być graficznie na charakterystyce zewnętrznej silnika, która przedstawia zależność mocy, momentu obrotowego i jednostkowego zużycia paliwa od prędkości obrotowej silnika rys.17.1.

Analizując przebieg mocy i momentu obrotowego na charakterystyce zewnętrznej silnika można stwierdzić, że użyteczna ich wartość zaczyna się dopiero po uzyskaniu przez silnik ustalonej minimalnej wartości prędkości obrotowej. Poniżej tej wartości uzyskana moc zdolna jest tylko do pokonania oporów własnych silnika.

Cechą charakterystyczną w czasie ruchu samochodu podczas zwiększania prędkości jazdy jest ciągłe wzrastające zapotrzebowanie mocy silnika na pokonanie oporów ruchu.

Jeżeli porównamy przebieg krzywej mocy dostarczonej przez silnik z obszarem charakterystyki idealnej mocy, jaki wynika z potrzeb określonych przez maksymalną siłę napędową
rys.17.2 wówczas możemy sobie uświadomić jak duże są rozbieżności między oczekiwaniami (popytem)
i możliwościami (podażą mocy).

Rys.17.2 Charakterystyka mocy idealnej

Rozbieżności te uzasadniają stosowanie w układzie napędowym mechanicznej stopniowej skrzyni biegów, zespołu składającego się ze sprzęgła lub przekładni hydrokinetycznej połączonej z przekładnią mechaniczną jak i również mechanicznej przekładni bezstopniowej CVT.

Wysoko obrotowe silniki stosowane do napędu samochodów wymuszają stosowanie w układach napędowych przekładni redukujących prędkość obrotową silnika do wartości, która umożliwia poruszanie się samochodu w określonym szerokim przedziale prędkości liniowej w tym celu
w mechanicznych stopniowych skrzyniach biegów stosuje się większą liczbę obieralnych przełożeń.

Na wykresie rys.17.2 linią grubą zaznaczono obszar optymalnej podaży mocy i momentu, poszczególne odcinki ograniczające wartość mocy wynikają z:

• ograniczonej przyczepności kół do nawierzchni drogi

,

• maksymalnej mocy silnika

(
- prędkość kątowa wału korbowego silnika),

• maksymalnej prędkości obrotowej silnika
  .

Między poszczególnymi wielkościami charakteryzującymi silnik zachodzą następujące zależności:

• moc → moment obrotowy silnika

- prędkość kątowa wału korbowego silnika

stąd

• prędkość kątowa → obroty silnika

[rad/s]

Podstawiając do wzoru
moc
w kW prędkość kątową
w rad/s otrzymuje się

[Nm]

Stad

[kW]

Moment obrotowy przenoszony z koła zamachowego silnika przez układ napędowy na koła napędzane pojazdu wynosi

,

natomiast prędkość obrotowa kół jest równa

Moc przenoszona z koła zamachowego silnika przez układ napędowy na koło napędzane pojazdu wynosi

i nie zależy od przełożenia.

Stąd sprawność mechaniczna układu przeniesienia napędu jest równa

Podczas analizy ruchu pojazdu ważną rolę odgrywa znajomość mocy na kołach napędowych, którą wykorzystać można do pokonania oporów ruchu. Moc ta jest mniejsza od mocy silnika rys.17.3 na skutek nieuniknionych strat mechanicznych w poszczególnych zespołach układu napędowego i wynosi

lub inaczej

Rys.17.3 Wartość strat mechanicznych w układzie przeniesienia napędu

Podczas ruchu pojazdu moc na kołach napędowych
dostarczana przez silnik równoważy moc oporów ruchu
w czasie jazdy. Ponieważ siły oporów ruchu są siłami równoległymi do kierunku ruchu samochodu to moc oporów ruchu można określić jako iloczyn siły oporów ruchu
i prędkości pojazdu
.

gdzie:

- moc oporów ruchu

- moc oporów toczenia,

- moc oporów wzniesienia,

- moc oporów powietrza,

- moc oporów bezwładności.

Prędkość pojazdu
wynosi

gdzie:

- promień koła w m,

- prędkość kątowa kół w rad/s

- prędkość obrotowa kół w obr/min

- obroty silnika w obr/min,

- przełożenie całkowite w układzie napędowym

to

[m/s]

Jeżeli prawą stronę powyższego równania pomnożymy przez 3,6 (1 m/s = 3,6 km/h) to wzór na prędkość pojazdu w czasie ruchu ma postać

[km/h]

Na rysunku 17.4 przedstawiono wykres sumy oporów ruchu
w funkcji prędkości pojazdu

.

Wykresy mocy oporów toczenia, wzniesienia i bezwładności są prostymi przechodzącymi przez początek układu współrzędnych - wynika to z poniższych równań

.

Rys.17.4 Wykres sumy mocy oporów ruchu

Natomiast moc oporów powietrza na wykresie jest parabolą trzeciego stopnia przechodzącą przez początek układu współrzędnych i posiadającą równanie

Wykresy mocy oporów toczenia, wzniesienia i bezwładności mogą być różnie nachylone, ich nachylenie zależy od chwilowych warunków drogowych to jest od współczynnika oporów toczenia
na danej nawierzchni drogi, współczynnika oporów wzniesienia
(dla małych kątów
) i działających przyspieszeń.

Równanie
można przedstawić na wykresie jako funkcję mocy na kołach od prędkości pojazdu (
, na poszczególnych biegach) rys.17.5. Należy zwrócić uwagę, że dla różnych przełożeń w skrzyni biegów
(
) tym samym wartością prędkości obrotowej silnika
odpowiadają różne prędkości jazdy zgodnie z równaniem

,

a więc na wykresie
liczba krzywych przedstawiających zmianę mocy na kołach odpowiada liczbie biegów w skrzyni biegów.

Na wykresie rys.17.5 linią ciągłą zaznaczono moc na kołach odpowiadającą charakterystyce zewnętrznej silnika, natomiast linią przerywaną moc na kołach odpowiadającą charakterystyce mocy dławionej silnika.

Rys.17.5 Wykres mocy na kołach na I, II i III biegu;

Po wyjaśnieniu, jakie zależności zachodzą między mocą, momentem obrotowym silnika w czasie ich przenoszenia przez układ napędowy, a siłą napędową i mocą na kołach napędzanych samochodu oraz prędkością obrotową silnika a prędkością jazdy możemy napisać równanie bilansu mocy. Równanie to ma postać

jeżeli wiadomo że

• 
  ,

• 
  

• 
  

• 
  

• 
  

wyłączając iloczyn
przed nawias ze wzorów
,
,
równanie bilansu mocy w postaci jawnej możemy zapisać w następujący sposób

Bilas mocy możemy również przedstawić graficznie na wykresie nanosząc w układzie współrzędnych
-
(moc - prędkość liniowa) krzywe mocy oporów ruchu i mocy na kołach w funkcji prędkości jazdy (
,
) rys.17.6. W punkcie
przecięcia się tych krzywych równanie bilansu mocy jest spełnione, ponieważ moc na kołach napędowych samochodu równa jest mocy oporów ruchu (
.

Zapas mocy na kołach napędowych samochodu
może być wykorzystany do pokonania oporów bezwładności podczas zwiększania prędkości pojazdu, pokonywania wzniesień podczas jazdy w terenie górzystym, zwiększonych oporów toczenia oraz oporów skrętu.

Rys. 17.6 Graficzne przedstawienie bilansu mocy za pomocą wykresu

4

POD.NAD-TS-3

Lekcja17

Rys.17.1 Charakterystyka zewnętrzna silnika

---