TEORIA RUCHU POJAZDÓW
Teoria ruchu samochodu jest działem mechaniki stosowanej. Objaśnia ona pojęcia i określa prawa charakteryzujące istotę i właściwości przemieszczania pojazdów samochodowych o napędzie własnym i ciągnionych.
Znajomość teorii ruchu samochodu, określanej często jako mechanika ruchu samochodu, umożliwia analizowanie współzależnych czynników rządzących ruchem samochodu i formułowanie zasad oraz wniosków wykorzystywanych w budowie i eksploatacji pojazdów samochodowych. Przydatność teorii ruchu samochodu polega przede wszystkim na udostępnianiu metod badania i charakteryzowania najważniejszych cech pojazdów, jak:
- właściwości ruchowe pojazdu,
- stateczność ruchu pojazdu,
- bezpieczeństwo ruchu pojazdu,
- właściwości ekonomiczne pojazdu.
Właściwości ruchowe pojazdu to jego zachowanie się podczas jazdy w rozmaitych warunkach drogowych i atmosferycznych. Własności te ustalone są na podstawie analizy sił występujących podczas ruchu pojazdu. Wyraża się je takimi parametrami jak szybkość ruchu, zdolność pokonywania wzniesień lub uzyskiwania przyspieszeń. Parametry te zależą bezpośrednio od budowy i wyposażenia pojazdu.
Stateczność ruchu pojazdu to zdolność pojazdu do zachowania nadanego mu kierunku ruchu podczas zakręcania i jazdy prostoliniowej. Zawarte są tu m.in. problemy prawidłowego prowadzenia samochodu, zdolność pojazdu do trzymania się drogi oraz sterowności i zwrotności pojazdu. Tego rodzaju własności pojazdu zależą przede wszystkim od jego konstrukcji.
Bezpieczeństwo ruchu pojazdu rozumiane jest jako zasady uczestniczenia w ruchu samochodowym, w różnych warunkach drogowych, ograniczające do minimum zagrożenia bezpieczeństwa jazdy w każdej sytuacji na jezdni. Dotyczy to m.in. ustalania licznych wymagań i przepisów zwiększających bezpieczeństwo ruchu samochodowego.
Właściwości ekonomiczne pojazdu to przede wszystkim zużycie paliwa w określonych warunkach drogowych. Ustalane jest ono na podstawie charakterystyki silnika w powiązaniu z parametrami charakterystycznymi całego pojazdu.
Ruch samochodu zapewniany jest przez układ napędowy i źródło energii - silnik. Do napędu samochodu stosowane były wszystkie rodzaje silników, jakie znane są w historii techniki: parowe, elektryczne, spalinowe i turbiny gazowe. Z biegiem lat silnik spalinowy wyparł całkowicie inne rodzaje silników i w obecnie produkowanych samochodach silnik ten stosowany jest powszechnie. Jednakże tłokowy silnik spalinowy zastosowany do napędu samochodu wykazuje liczne niedoskonałości, co jest m.in. powodem ciągłych badań i prób nad zastosowaniem do napędu samochodu innych rodzajów silników (np. w przedstawionym w 1992 r. prototypowym Volvo ECC zastosowano turbinę gazową).
Przeprowadzimy porównanie przydatności różnych rodzajów silników do napędu samochodu.
Właściwości układów napędowych i silników często wygodnie jest przedstawić przy pomocy charakterystyk, czyli wykresów ilustrujących interesujące nas zależności.
Rys.1. Charakterystyka zapotrzebowania mocy dla pojazdu
maksymalne wzniesienie (przyspieszenie)
ruch po drodze poziomej
maksymalny spadek
Charakterystyka zapotrzebowania mocy dla pojazdu samochodowego jest pewnym polem. Na osi odciętych odkładana jest prędkość jazdy, wybierana dowolnie, aż do vmax . Na osi rzędnych - moc na kołach pojazdu NK, wynikająca z pokonywania oporów ruchu na drodze poziomej przy wyjeżdżaniu na wzniesienie lub zjeżdżaniu ze wzniesienia oraz przy przyspieszaniu (względnie hamowaniu).
Jeśli zatem kierowca jadąc samochodem wybiera punkty leżące w polu charakterystyki zapotrzebowania, to układ napędowy powinien spełniać stawiane mu w ten sposób wymagania, czyli powinien dysponować tzw. charakterystyką podaży mocy.
Rys. 2. Charakterystyka podaży mocy
Pole charakterystyki podaży mocy układu napędowego pojazdu jest ograniczone przez:
Maksymalna prędkość pojazdu lub graniczna prędkość obrotowa silnika.
Maksymalna moc napędu dostarczana przy danej prędkości jazdy. Gdy przebieg mocy jest idealny to NK = const.
Granica przyczepności. Przy małych prędkościach jazdy wymaganie stałej mocy spowodowałoby wzrost siły napędowej do nieskończoności. Wtedy siła przyczepności między kołami a jezdnią nie byłaby w stanie przenieść siły napędowej i staje się ograniczeniem pola podaży. Granice dla obszaru napędu i hamowania mogą być różne.
Porównanie różnych układów napędowych przeprowadzimy na podstawie charakterystyk pełnego obciążenia, dających jednakowe prędkości maksymalne.
Rys. 3. Porównanie układów napędowych
Na wykresie zależności mocy od prędkości jazdy nanosimy granice idealnego pola podaży. Następnie charakterystykę pełnego obciążenia lokomotywy parowej i samochodowego silnika prądu stałego . Jak widać z wykresu charakterystyki te są podobne do idealnej charakterystyki podaży. Zatem nie jest tu potrzebny rozbudowany układ napędowy, najwyżej przekładnia główna. Nanosząc na wykres charakterystykę silnika spalinowego
można zauważyć, że nie spełnia ona wymagań napędu samochodu. Konieczne jest zatem stosowanie tu układu napędowego zawierającego elementy dopasowujące charakterystykę silnika spalinowego do wymagań napędu samochodu (np. sprzęgło, skrzynia przekładniowa, powiedzmy 4-biegowa ). Wtedy można stwierdzić, że charakterystyki wszystkich tych układów napędowych prawie pokrywają się z polem zapotrzebowania. Ponadto napęd elektryczny pozwala uzyskiwać duże krótkotrwałe przyspieszenia.
Dlaczego jednak stosowany jest silnik spalinowy ?
Porównując masy różnych układów napędowych, rozumiane jako suma mas silnika, ewentualnego układu napędowego i zasobnika energii, stwierdzić można, że jednostkowe masy silników spalinowych i elektrycznych są podobne i osiągają wartości 2÷5 kg/kW. Natomiast znacznie korzystniejsze są masy turbin gazowych 0,5÷3 kg/kW.
Analizując masę jednostkową zasobników energii stwierdza się, że dla akumulatorów ołowiowych jest 300÷500 razy większa niż dla paliwa płynnego w zbiorniku. Ponieważ sprawność silników elektrycznych jest średnio około 3 razy większa niż silników spalinowych, to stosunek ten obniża się, ale wciąż wynosi 100÷170 na niekorzyść napędów elektrycznych. Wynika z tego, że samochód zasilany z akumulatorów, ze względu na masę, nie może być pojazdem przeznaczonym do pokonywania długich tras.
Charakterystyki silników spalinowych
Do oceny silnika stosowanego do napędu samochodu szczególnie przydatne są wszystkie charakterystyki podające cechy eksploatacyjne tego silnika w funkcji prędkości kątowej wału napędowego, w przypadku silnika tłokowego - w funkcji prędkości kątowej wału korbowego. Charakterystyki te noszą ogólną nazwę charakterystyk prędkościowych.
Eksploatacyjna charakterystyka prędkościowa przedstawia zależność od prędkości kątowej wału korbowego następujących wielkości: mocy użytecznej N, momentu obrotowego M., średniego ciśnienia użytecznego pc, zużycia paliwa G i jednostkowego zużycia paliwa gc . Charakterystykę tę sporządza się najczęściej drogą pomiarów na hamowni silnikowej w warunkach ustalonych. Urządzenie zasilające i zapłonowe silnika są wyregulowane tak, jak podczas normalnej eksploatacji silnika, zaś przepustnica otwarta całkowicie.
Rys. 4. Charakterystyka eksploatacyjna silnika samochodu
Charakterystyka zewnętrzna lub charakterystyka pełnej mocy wykonywana jest w ten sposób, że dla każdej prędkości kątowej uzyskuje się maksymalną moc przez najkorzystniejszy dobór regulacji zasilania i zapłonu.
Na charakterystyce zewnętrznej silnika osi odciętych można wyodrębnić następujące punkty charakterystyczne:
wo - najmniejsza praktyczna prędkość kątowa silnika w czasie jego pracy z obciążeniem zewnętrznym
wm. - prędkość kątowa silnika przy której moment obrotowy osiąga swoją największą możliwą wartość
wg - prędkość kątowa silnika, przy której występuje najniższe możliwe jednostkowe zużycie paliwa (0,65-0,75) wmax.
wn - prędkość kątowa silnika, przy której moc użyteczna uzyskuje swoją największą możliwą wartość
wmax - największa prędkość kątowa silnika, przy której może pracować bez zakłóceń.
Należy jeszcze wspomnieć o prędkości kątowej biegu jałowego silnika wj najmniejszej, przy której może on się obracać bez obciążenia zewnętrznego przy zamkniętej przepustnicy. Prędkość ta jest nieco mniejsza od wo.
Rys.5a. Granica dymienia
Rys.5b. Charakterystyka eksploatacyjna silnika zaopatrzonego w regulator obrotów
Przedstawiona powyżej charakterystyka jest typowa dla silników gaźnikowych. W silnikach o zapłonie samoczynnym krzywe N i M. mają przebieg bardziej płaski, co jest związane z właściwościami pomp wtryskowych. Dlatego krzywa N = f(w) zwykle nie osiąga swego maksimum w zakresie użytecznych prędkości kątowych silnika. Decydująca jest tu tzw. charakterystyka dymienia.
Punkt przecięcia charakterystyki eksploatacyjnej z charakterystyką granicy dymienia wyznacza maksymalną moc eksploatacyjną silnika. Jeżeli silnik wyposażony jest w regulator prędkości obrotowej to wtedy charakterystyka eksploatacyjna ma przebieg następujący.
Metody sporządzania charakterystyk
Wyróżnia się następujące metody sporządzania charakterystyk silnika:
stanowiskowe
obliczeniowe
obliczeniowo-wykreślne.
Metody stanowiskowe polegają na dokonywaniu pomiarów momentu obrotowego i zużycia paliwa silnika pracującego na hamowni silnikowej. Pomiarów dokonuje się dla wielu wartości prędkości kątowej wału korbowego, zachowując właściwe warunki pomiaru. Na podstawie zmierzonych wartości oblicza się pozostałe parametry silnika i wykreśla charakterystyki.
M[Nm.] w [rad/s]
Vs[m3], M[Nm]
Zagadnienie to państwo poznają dokładnie w ramach przedmiotu „Silniki spalinowe”.
Metody obliczeniowe polegają na wyrażeniu zależności funkcyjnej za pomocą przybliżonego wzoru empirycznego.
Dostatecznie dokładnym przybliżeniem jest założenie, że krzywe przebiegu momentu jest wyrażona jako parabola drugiego stopnia. Krzywe przebiegu mocy Ns = f(u) będzie wtedy parabolą trzeciego stopnia.
Dane katalogowe samochodu zawierają najczęściej moc maksymalną przy odpowiadających jej obrotach - Nemax/Mn, moment maksymalny także przy odpowiadających mu obrotach - M.max/NM
Przyjmujemy zatem, że znamy wierzchołki szukanych paraboli zaś ze wzoru
[kW]
obliczamy odpowiednio po jednym punkcie, należącym do paraboli (Mn,Nm).
Moc określamy ze wzoru Ledermana (w punktach n)
gdzie współczynnik dla silników
ZI A1=A2=1
ZS A1=0,5 A2=1,5 -wtrysk bezpośredni
ZS A1=0,6 A2=1,4 -komora wstępna
ZS A1=0,7 A2=1,3 -komora wirowa
a następnie moment ze wzoru M = [Nm] = 9550 N/n
2. Moment obrotowy obliczamy ze wzoru o postaci (wzór Hahna)
Równanie to można przekształcić do postaci wygodniejszej przy obliczeniach tradycyjnych
wyznaczając współczynnik równania kwadratowego. Będą tu miały postać
a następnie moc ze wzoru
Na podstawie obliczonych wartości M.e i Ne wykreśla się charakterystyką.
Metody obliczeniowo-wykreślne polegają na wykorzystaniu geometrycznych właściwości krzywych M.e, Ne charakterystyki. Z danych katalogowych znane są Nmax i Mmax oraz odpowiednie wartości prędkości. Pozostałe punkty charakterystyczne NM i MN oblicz się jak w poprzedniej metodzie. Dodatkowo można przyjąć (za Mitschke) wartości:
|
|
|
|
|
ZI |
S. osob. |
0,74 |
1,09 |
5,7 |
ZS |
S. osob. |
0,74 |
1,07 |
5 |
|
S. ciężar. |
0,91 |
1 |
2,6 |
Charakterystyki Me i Ne wykreśla się następująco (jak na rys.).
Ponieważ pomiędzy momentem obrotowym a mocą istnieje zależność
to wielkość momentu obrotowego silnika byłaby niezależna od jego prędkości obrotowej.
Rys. 7. Charakterystyka idealna silnika spalinowego (przy założonej niezmiennej sprawności).
Rys. 8. Charakterystyka idealna silnika trakcyjnego (używanego do napędu pojazdu).
Rzeczywiste krzywe Ms i Ns są styczne w jednym punkcie do tych linii przejść do charakterystyki idealnej silnika trakcyjnego str. 10.
Elastyczność silnika samochodowego
Elastyczność silnika samochodowego jest to zdolność przystosowania się silnika do zmiany obciążenia. Właściwość ta ma istotny wpływ na konstrukcję układu napędowego i właściwości trakcyjne pojazdu.
Sposób reagowania silnika na zmianę obciążenia zależy od przebiegu krzywych momentu obrotowego M=f(w). 1m stromiej wznosi się krzywa momentu w miarę zmniejszania się prędkości kątowej tym mniejszym zmianom ulega prędkość kątowa przy zwiększeniu obciążenia silnika.
Mniejszy spadek prędkości czyni pracę silnika bardziej stateczną i mówi się, że taki silnik jest bardziej elastyczny.
Przedstawimy pojęcie stateczności pracy silnika.
Rys. 8. Wpływ oporu powietrza na elastyczność samochodu.
Krzywe 1 i 2 to charakterystyki dwóch silników.
Krzywe Mop1 i Mop2 to krzywe momentu oporów.
Zwiększenie oporów od Mop1 i Mop2 np. wskutek pojawienia się wzniesienia drogi i powoduje mniejszy spadek prędkości kątowej silnika o charakterystyce 1, czyli o bardziej stromym przebiegu. Zatem silnik 1 pracuje bardziej statecznie i ma większą elastyczność.
Do oceny elastyczności silnika wykorzystuje się wskaźniki: elastyczności momentu i elastyczności prędkości kątowej oraz wskaźnik elastyczności całkowitej.
Wskaźnik elastyczności momentu obrotowego to stosunek
przy czym dla silnika z regulatorem za MN podstawia się MZN
przeciętnie dla ZI em=1,1÷1,3
ZS em=1,05÷1,15
Wskaźnik elastyczności prędkości kątowej wyraża się stosunkiem
przy czym dla silnika z regulatorem zamiast
jest
przeciętnie
im większa jest wartość
tym większy jest zakres pracy silnika i lepiej nadaje się do celów trakcyjnych.
Wskaźnik elastyczności całkowitej jest to iloczyn
został wprowadzony w celu scharakteryzowania całkowitej elastyczności silnika za pomocą jednej tylko wielkości. Przeciętnie wartości
E=1,5÷2,5
do celów trakcyjnych korzystniejszy jest silnik o dużych wskaźnikach elastyczności.
Podział silników pod względem elastyczności wg Dębickiego
- nie elastyczne <1,6
- mało elastyczne 1,6-2,0
- średnio elastyczne 2,0-2,8 np. Łada ma 2,06
- wysoko elastyczne 2,8-3,8
- o bardzo dużej elastyczności >3,8
Charakterystyka idealna silnika trakcyjnego
Cechą wszystkich silników spalinowych tłokowych jest to, że duże moce można uzyskać tylko przy dużych prędkościach obrotowych. Przy małych prędkościach otrzymać można stosunkowo niewielką moc. W odniesieniu do napędu samochodów jest to cecha niekorzystna i silnie wpłynęła na konstrukcję układu napędowego. Najkorzystniej byłoby, aby silnik dostarczał w razie potrzeb moc maksymalną stale, niezależnie od prędkości kątowej wału. W tym przypadku moc w funkcji prędkości kątowej byłaby wielkością stałą, a krzywa momentu obrotowego w myśl zależności
byłaby hiperbolą.
Jest to idealna charakterystyka silnika napędowego do pojazdu mechanicznego
Rys. 9. Kształt pożądanej idealnej charakterystyki silnika napędowego dla pojazdu mechanicznego
CHARAKTERYSTYKI CZĘŚCIOWE SILNIKA
Krzywe mocy Ns=f(ns) i momentu obrotowego Ms=f(ns) na charakterystykę eksploatacyjną przedstawiają maksymalne możliwości silnika w warunkach doprowadzenia do cylindrów silnika maksymalnej ilości paliwa możliwej do spalenia. W przypadku doprowadzenia do cylindra silnika mniejszych ilości paliwa uzyskuje się charakterystyki obciążeń częściowych. W silnikach gaźnikowych, które mają ilościową regulację czynnika roboczego uzyskuje się to częściowo otwierając przepustnicę, w silnikach wtryskowych, które mają jakościową regulację czynnika roboczego, przez zmianą ilości wtryskiwanego paliwa np. odpowiednio przesuwając zębatkę pompy wtryskowej.
Rys. 10. Charakterystyka obciążeń częściowych.
Najczęściej wykonuje się charakterystyki 75%, 50%, 25% przekroju odsłoniętego przez przepustnicę lub dawki wtryskiwanego paliwa. Jak widać, przebieg charakterystyk częściowych Ne, Mo i ge jest różny dla silników gaźnikowych i wysokoprężnych, co wynika z właściwości działania tych silników.
CHARAKTERYSTYKA UNIWERSALNA SILNIKA
Znajomość jednostkowego zużycia paliwa przy różnych obciążeniach i prędkościach obrotowych silnika jest bardzo istotna. Najwygodniejszą formą przedstawienia tego zagadnienia jest tzw. charakterystyka uniwersalna silnika. Charakterystyka ta, zwana także charakterystyką ogólną, przedstawia w układzie współrzędnych pe-n krzywe stałych wartości ge i Ne oraz krzywą pe odpowiadającą pełnemu otwarciu przepustnicy lub pełnej dawce paliwa.
Krzywe stałego jednostkowego zużycia ge oraz krzywą maksymalnych ciśnień pe uzyskuje się na podstawie badań silnika.
Zależności między mocą, momentem i średnim ciśnieniem efektywnym są następujące:
z pomiarów
[kW] M0[Nm] - z pomiarów
n[obr/min]
z definicji
[kW] pe[Mpa]
Vss[dm3]
Oraz pe=
[Mpa] τ=1 , 2 dwusuw , czterosuw
zatem moment obrotowy jest proporcjonalny do ciśnienia efektywnego, natomiast
Krzywe stałych mocy stanowią rodzinę hiperbol równobocznych, które nanosi się na wykres.
Rys. 11. Charakterystyka uniwersalna silnika.
----- krzywe stałej mocy Ns = const (KM)
krzywe jednostkowego zużycia paliwa ge = const (G/KMh)
Charakterystyka uniwersalna ułatwia analizę właściwości silnika i porównywania silników czy większe są powierzchnie małych ge tym silnik może być bardziej ekonomiczny.
Charakterystyka uniwersalna umożliwia wstępny dobór silnika jako zespołu napędowego samochodu o ustalonych uprzednio oporach ruchu wynikających z przewidywanych prędkości jazdy, zdolności do pokonywania wzniesień i przyśpieszeń.
a)
Dla samochodów ciężarowych, autobusów lub samochodów osobowych o małym stosunku
warstwica minimalnego ge mieści się pomiędzy parabolami drugiego stopnia przechodzącymi przez Mmax (opory przyspieszenia i wzniesienia) i przez MN (opory jazdy poziomej), n(MN) - wyznacza max prędkość jazdy na biegu bezpośrednim.
Pojazd wtedy będzie ekonomiczny gdyż silnik najczęściej jest wykorzystywany w obszarze małych ge.
b)
Dla samochodów osobowych średniej klasy o dużym stosunku
. Warstwa minimalnego ge przecinana jest linią oporów ruchu na drodze poziomej.
Prędkość dopuszczalna ndop wynika z dopuszczalnej prędkości jazdy ograniczonej przepisami ruchu drogowego.
Charakterystyka uniwersalna jest również podstawą doboru przełożeń skrzyni przekładniowej i przekładni głównej.
MOCE SILNIKA
Rys. 12. Charakterystyka eksploatacyjna silnika i pole podaży mocy
Nmax - moc maksymalna silnika, osiągalna bądź to przy największej prędkości obrotowej silnika nmax, bądź też przy nieco niższej prędkości nN.
Nn - największa moc możliwa do uzyskania przy maksymalnej prędkości obrotowej silnika Nmax.
Ntrw - moc trwała; największa moc, jaką silnik może rozwijać przez dłuższy czas, bez obawy zakłócenia równowagi cieplnej silnika. Silnik może przekraczać swoją moc trwałą jedynie na krótkie okresy czasu. Niejednokrotnie moc trwała może być równa mocy maksymalnej silnika i wtedy wielkość oddzielnie nie występuje.
Ng - moc ekonomiczna; moc odpowiadająca najmniejszemu jednostkowemu zużyciu paliwa możliwemu do uzyskania przy pracy silnika z pełnym otwarciem przepustnicy lub pełnym dawkowaniem pompy wtryskowej.
Nm - moc odpowiadająca największemu możliwemu do uzyskania momentowi obrotowemu silnika.
Moc znamionowa NZN - moc danego silnika przy określonej przez wytwórnię znamionowej prędkości obrotowej MZN. Ze względu na stosowane znormalizowane warunki, w jakich odbywa się pomiar mocy silnika, wyróżnia się moc „brutto” i moc „netto”.
Moc „brutto” (moc pełna) NBR jest to moc silnika zmierzona przy zdjętym wentylatorze przewodu wlotowego, odłączonym przewodzie wydechowym, odłączonym napędzie prądnicy, przy indywidualnie regulowanym dla każdej prędkości obrotowej gaźnika i zapłonie oraz przy zredukowaniu wyników na temp. otoczenia 15,6oC i ciśnienie barometryczne 746,5 minut/g.
Te warunki pomiarów są ustalone amerykańską normą SAE i często moc silnika zmierzona w ten sposób określana jest jako „moc SAE”.
Moc „netto” NNET jest to moc silnika zmierzone przy obracającym się wentylatorze, włączonym napędzie prądnicy, złożonym filtrze powietrza, czynnym podgrzewaniu przewodu wlotowego i założonym przewodzie wydechowym lecz bez tłumika. Jeżeli pomiar mocy „netto” wykonany został zgodnie z normą niemiecką DIN, to tak zmierzona moc „netto” określona bywa jako „moc DIN”. Warunki pomiaru według normy DIN to ciśnienie barometryczne 760mmHg i temp. powietrza 20oC . Podobny sposób pomiaru mocy „netto” przewidują Polskie Normy, przy czym jako warunki normalne PN określa ciśnienie 100kPa i temp. powietrza 25oC.
Moc silnika „netto” (moc DIN) jest przeciętnie niższa od mocy „brutto” (moc SAE) o 10-20%.
NNET = 0,8÷0,9 NBR
Moc „pod maską” Nm - rzeczywista moc silnika zamontowanego w samochodzie.
Jest niższa niż moc „netto” z powodu wyższej temp. powietrza pod maską zmiennego ciśnienia, zamontowanego długiego przewodu wydechowego z tłumikiem.
Nm = 0,93÷0,95 NNET
OGÓLNA TEORIA KOŁA OGUMIONEGO
Elementem samochodu, współpracującym bezpośrednio z jezdnią jest koło ogumione. Na koło działają siły:
ciężkości
oporów toczenia
bezwładności
reakcje jezdni, występują reakcje pionowe,
reakcje styczne
Reakcje styczne są:
obwodowe (X)
boczne (Y)
Zależności między prędkością jazdy i prędkością obrotową silnika, ruchem kół są następujące:
[m/s] v[m/s] - prędkość samochodu.
Środka obrotu koła vt[m] - promień toczny koła
[m/s] nk[obr/min] - prędkość obrotowa koła
3,6
[rad/s] - prędkość kątowa koła
[km/h]
ic -położenie
is - położenie skrzyni biegów
ir - położenie reduktora
PROMIENIE KÓŁ
Rys. 13. Promienie kół.
Ogumienie oznaczamy
Rys. 14. Koło ogumione.
rsw, rst, rd, rt
Promienie kół
Promień swobodny koła rSM - jest to połowa największej średnicy koła (na środku bieżnika) przy kole nie obciążonym żadnymi siłami zewnętrznymi, przy oponie napompowanej powietrzem do ciśnienia katalogowego przewidzianego dla największego dopuszczalnego obciążenia opony.
Promień statyczny koła rst - jest to odległość środka koła od nawierzchni, przy kole ustawionym w płaszczyźnie pionowej, przy największym dopuszczalnym dla danej opony obciążeniem pionowym i przy przewidzianym dla tego obciążenia ciśnienia powietrza w oponie.
Promień dynamiczny koła rd - jest to odległość środka koła od linii działania stycznej reakcji nawierzchni, w dowolnych określonych warunkach ruchu, przy kole obciążonym określonymi siłami i określonymi momentami.
Jak widać z tego promień dynamiczny koła jest wielkością zmienną, zależną od Promień dynamiczny jest ranieniem momentu wzdłużnej stycznej reakcji nawierzchni względem każdorazowych warunków ruchu. Promień dynamiczny jest ramieniem momentu wzdłużnej stycznej reakcji nawierzchni względem osi koła.
Promień toczny koła rt - jest promień fikcyjnego koła sztywnego, które tocząc się bez poślizgu z tą samą prędkością kątową co dane koło elastyczne toczące się w danych warunkach ruchu, będzie miało tą samą prędkość postępową v w środku koła. Ponieważ
promień toczny możemy określić jako stosunek prędkości liniowej środka koła do jego prędkości obrotowej. Promień ten możemy określić ze wzoru
, gdzie: 1- droga przebyta przez środek toczącego się koła elastycznego, po wykonaniu nk obrotów koła. W różnych warunkach ruchu promień toczny może się zmieniać w granicach od zera do
Ogumienie oznaczamy
Rys. 14. Koło ogumione.
Dobr - ∅ obręczy w calach
h - wysokość profilu opony w calach , mm
b - szerokość profilu opony w mm
h=(0,8÷1)b
Normalny promień koła rn(vsw)
Statyczny promień koła vst
λ -współczynnik promieniowego odkształcenia opony odniesiony do ∅ przy pełnym obciążeniu.
λ=0,10÷0,16
λ=0,20÷0,30
dla opon rolniczych i walcowych (o dużej szerokości).
Rodzaje opon:
1. diagonalna - włókna osnowy krzyżują się pod kątem
opasana (diagonalna z opasaniem) - oznaczona literą B -oprócz osnowy na dodatkowe warstwy wzmacniające
2. radialna - oznaczona literą R- włókna osnowy ułożone są promieniami, dodatkowo jest pas usztywniający, w którym włókna krzyżują się pod kątem
.
Oznaczanie opon - podają się szerokość opony (b) i średnicę obręczy Dobr.
Promień dynamiczny podawany w katalogach odpowiada prędkości 60km/h.
W praktycznych obliczeniach vt = vd = const
przyjmujemy także, że vd = vk r-kinematyczny.
Przyjmuje się, że:
rd = δ rsw δ = 0,940 s. osobowe
δ = 0,955 s. Ciężarowe
Sztywność ogumienia podaje się w N/mm.
Sztywność |
Samochody |
|
|
Osobowe |
Ciężarowe i autobusy |
Promieniowa |
100÷250 |
250÷500 |
Obwodowa |
700÷1000 |
1500÷3000 |
boczna |
80÷150 |
200÷300 |
Sztywność w kierunku bocznym jest najmniejsza - jest to bardzo źle. Podobnie jak w kierunku obwodowym ważne jest by sztywność była jak największa.
Sprawność koła ogumionego
Sprawność koła ogumionego określamy za pomocą współczynnika poślizgu.
Przy kole napędzanym
v - rzeczywista prędkość jazd v = vt ⋅ ωk
vk - prędkość obwodowa na promieniu dynamicznym vk = vd ⋅ ωk
ωk - prędkość kołowa koła.
Pełny poślizg występuje gdy Ψ = 1
vt → 0 ze zwiększeniem się poślizgu vt maleje i odwrotnie, przy kole hamulcowym współczynnik poślizgu
gdy koło jest zablokowane to
Koło ogumione współpracując z jezdnią odkształca się. Powstaje ślad.
Poślizg koła jezdnego
Wyróżnia się dwa rodzaje poślizgu:
poślizg
ślizganie się
Omówimy pojęcie poślizgu na przykładzie koła sztywnego współpracującego ze sztywną nawierzchnią. Ruch koła jest sumą ruchu postępowego z prędkością v i obrotowego z prędkością ω.
Toczenie się koła bez poślizgu
Rys. 15. Toczenie się koła sztywnego bez poślizgu.
Punkt A jest chwilowo środkiem obrotu
Koło jest napędzane
Rys. 16. Toczenie się koła sztywnego z poślizgiem.
jest chwilowym środkiem obrotu, ma promień oraz .
Poślizg względny
Rys. 17. Toczenie się koła sztywnego ze ślizganiem.
Koło jest hamowane
jest chwilowym środkiem obrotu, ma promień oraz .
Model koła ogumionego
Rys. 18. Modele koła ogumionego.
Felga
Opona
Można uzupełnić o sprężynki na obwodzie
(sztywność obwodowa)
Same sprężyny - koło doskonale sprężyste
(sztywność promieniowa)
Sprężyny z tłumikami - koło
o charakterystyce częściowo sprężystej-
posiadające nawierzchnię doskonale sztywną
Koło ogumione ma charakterystykę częściowo sprężystą słabo nieliniową czyli przyjmuje się praktycznie charakterystykę liniową więc
Tabela sztywności. Sztywność ogumienia N/m.
Sztywność |
Samochody |
|
|
Osobowe |
Ciężarowe i autobusy |
Promieniowa |
100-250 |
250-500 |
Obwodowa |
700-1000 |
1500-3000 |
Boczna |
80-150 |
200-300 |
Sztywność w kierunku bocznym jest najmniejsza - jest to bardzo źle. Podobnie jak w kierunku obwodowym ważne jest aby ta sztywność była jak największa.
Koło ogumione współpracujące z jezdnią odkształca się. Wprowadzając sprężynki obwodowe do modelu uwidocznić można, że część stykająca się z podłożem jest bardziej ściśnięta niż pozostałe.
Rys. 19. Wyjaśnienie zjawiska poślizgu odkształceniowego.
Jeżeli koło zostanie poddane działaniu momentu napędowego M to nastąpi pewne przemieszczenie kątowe piasty względem opony i dodatkowe ściśnięcie opony przed miejscem styku z jezdnią.
Przebycie odcinka drogi x przez koło toczące się swobodnie wymaga na jednostkę drogi koła o kąt
, natomiast koło napędowe musi obrócić się o większy kąt
ze względu na większe ściśnięcie opony. Występuje tu zatem poślizg względny zwany odkształceniem, gdyż powstaje wyłącznie wskutek odkształceń sprężystych opony. Cząstki opony stykające się z nawierzchnią nie zmieniają względem niej swego położenia.
Zatem poślizg
Podczas hamowania następuje zmiana kierunku odkształceń obwodowych i odpowiednio
Czyli poślizg względny
Bardziej precyzyjnie należy wyrazić poślizg za pomocą różniczek np.:
Biorąc pod uwagę, że
można prędkości kątowe wyrazić jako
oraz
A stąd poślizgi względne
Zatem przy kole ogumionym poślizg wyraża się podobnie jak przy kole sztywnym, jedynie zamiast promienia koła sztywnego r występuje promień dynamiczny rd.
Poślizg koła ogumionego jest rzeczywisty taki jak przy kole statycznie odkształconym.
Przyczepność koła jezdnego
Współczynnik przyczepności
Siły styczne powodujące ruch pojazdu nie mogą przekroczyć wartości siły przyczepności
,
określanej analogicznie do siły tarcia. Stosunek siły przyczepności do nacisku koła na powierzchnię jest to współczynnik przyczepności
Gdy Y=0 to
Przy dużych siłach styczności następuje poślizg koła. Zmiana wartości współczynnika przyczepności w zależności od poślizgu jest następująca:
przebieg zmian
jest w przybliżeniu taki sam dla napędu i hamowania. Największa wartość
zwana współczynnikiem przyczepności przylgowej
występuje przy poślizgu
. Przy poślizgu stuprocentowym współczynnik przyczepności jest mniejszy
- zwany współczynnikiem przyczepności poślizgowej.
Rys. 20. Współczynnik przyczepności w funkcji poślizgu.
Jeżeli nawierzchnia pokryta jest wodą, pyłem, piachem, śniegiem to
. Rozpatrzmy wpływ sił bocznych Yk (w przypadku znoszenia koła) na siłę przyczepności koła
. Gdy występuje znoszenie to powstaje wypadkowa
Wprowadzając
to
!!!
!!!!!!!
przyjmując E=0,4 co uznano za wystarczające
- czyli wpływ bocznego znoszenia jest niewielki.
Wpływ na współczynnik przyczepności mają:
Rodzaj i jakość stanu nawierzchni drogi
Ogumienie: budowa, jakość, zużycie, rodzaj bieżnika
Nacisk jednostkowy
Występowanie poślizgu (wielkość przenoszonego momentu)
Szybkość jazdy i elastyczność zawieszenia
Tabela xx. Wartości współczynników przyczepności
|
|
Przylgowy |
Poślizgowy |
Beton |
Suchy |
1,08-0,80 |
0,90-0,70 |
|
Mokry |
0,75-0,25 |
0,65-0,45 |
Asfalt |
Suchy |
1,08-0,70 |
0,90-0,60 |
|
Mokry |
0,50-0,40 |
0,40-0,30 |
Kostka granitowa sucha |
0,70-0,60 |
0,60-0,50 |
|
Żwirowa |
0,45 |
0,50 |
|
Betonowa oblodzona |
0,13-0,10 |
0,20-0,05 |
Rys. 21. Koło ogumione w spoczynku.
W stanie spoczynku naciski występują w środkowej części opony wg wykresów lecz gdy przyłożymy moment napędzający lub hamujący to tam gdzie naciski są małe to następują poślizgi (u nas po brzegach śladu). Dopóki koło nie będzie buksować nazywamy to poślizgami odkształceniowymi. Przy kole napędzanym to zjawisko nazywamy poślizgiem, ale przy kole hamowanym to samo zjawisko nazywamy ślizganiem się.
Koło toczone
Oddziałują:
Siły boczne - Y (pomijamy w tej chwili)
Siły styczne - X
Siły pionowe - Z
Mbk - moment bezwładności przy przyspieszaniu
Fbk - siła bezwładności
Naciski z przodu śladu są większe ze względu na histerezę gumy.
Rys. 22. Koło w ruchu jednostajnym pod działaniem siły przyłożonej do osi.
Wskutek tego reakcje pionowe Zk jest przesunięta o wielkości e.
1
1
1
2
3
4
h
Promienie kół
rsw, rst, rd, rt