8 (495) 988-61-60

Без выходных
Пн-Вск с 9-00 до 21-00

Силы действующие на автомобиль


Силы сопротивления движению автомобиля - Силы, действующие на движущийся автомобиль - Ходовая часть - Автомобиль

5 июля 2011г.

Автомобиль по ровному шоссе надо толкать с меньшей силой, чем в гору. Против ветра автомобилю двигаться труднее, чем по ветру.

Сопротивление качению колес автомобиля. Трение качения объясняется тем, что при перекатывании одного тела по другому оба тела деформируются и на это затрачивается работа. Чем сильнее деформация, тем больше сила трения качения. Благодаря упругости шины значительно уменьшается тряска во время движения, но одновременно увеличивается сопротивление качению. У автомобильного пневматического колеса оно значительно больше, чем у металлических колес железнодорожных вагонов.

Силу сопротивления качению колес определяют динамометром, буксируя автомобиль по дороге.

Установлена следующая зависимость между силой Fк сопротивления качению колес и силой тяжести автомобиля:

где: G — сила тяжести автомобиля; f — коэффициент трения качения колеса автомобиля; по дороге с асфальтобетонным покрытием он равен 0,015; по каменному покрытию — 0,020; по проселочной дороге — 0,03 и по песку — 0,15.

Сопротивление воздуха движению автомобиля тем больше, чем выше скорость движения и значительнее лобовая площадь автомобиля. Сила Fω сопротивления воздуха также зависит от формы кузова автомобиля — его обтекаемости.

Установлено, что:

где: S — лобовая площадь автомобиля, м2; υ — скорость движения автомобиля, м/сек; k — коэффициент обтекаемости автомобиля, н * сек2/м* (кгс Х сек24).

Поскольку при движении на автомобиль всегда действуют сила Fк сопротивления качению колес и сила Fω сопротивления воздуха, то для поддержания равномерного движения на горизонтальной дороге необходимо, чтобы тяговая сила Рс была равна сумме этих двух сил:

Сопротивление движению на подъем. При движении на подъем необходимо затрачивать некоторую дополнительную силу Fh.


Схема движения автомобиля на подъеме


Если обозначить силу тяжести автомобиля через G, а угол между осью дороги и горизонтальной плоскостью через а, то вследствие разложения сил:

Подъемы и спуски на автомобильных дорогах принято характеризовать не углом α, а так называемым уклоном, равным отношению высоты h подъема к его основанию b.

Очевидно, уклон численно равен тангенсу угла α:

Обычно уклоны на автомобильных дорогах не превышают 0,06 — 0,08. В случае равномерного движения автомобиля на подъем сила тяги должна быть равна сумме сил сопротивления качению, сопротивления воздуха и сопротивления движению на подъем:

На спусках сила Fh направлена в сторону движения автомобиля.

В этом случае:

Если к ведущим колесам подвести момент, обеспечивающий превышение силы тяги над суммой сил сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться ускоренно.

Сила Fj, вызывающая ускорение автомобиля, будет равна:

Работа этой силы на пути S разгона, выражающаяся произведением FjS, идет на увеличение кинетической энергии движущегося автомобиля (повышение его скорости).

Когда тяговая сила окажется меньшей, чем сумма сил сопротивления движению, автомобиль будет двигаться замедленно.

Величина силы Fj, вызывающей замедление и направленной в этом случае противоположно движению автомобиля, равна:

Контрольные вопросы

Как возникает тяговая сила на ведущих колесах автомобиля?

Как увеличить коэффициент сцепления колес с дорогой?

Как увеличить тяговую силу автомобиля?

Назовите силы сопротивления движению автомобиля.

От чего зависит сопротивление качению колес автомобиля?

От чего зависит сопротивление воздуха движению автомобиля?

Нарисуйте схему, объясняющую возникновение сопротивления движению автомобиля на подъем.

«Автомобиль», под. ред. И.П.Плеханова

Силы, действующие на автомобиль

Любое транспортное средство, находящееся в движении или в состоянии покоя, испытывает действие физических сил.

Сила – это физическая величина, характеризующая взаимодействие между телами. Но у силы есть не только её абсолютная величина, но и точка приложения этой силы, кроме того, в физике и механике немаловажным фактором является и направление приложения.

Условно силы, действующие на автомобиль, можно разделить на два вида: силы, помогающие движению, и силы, которые оказывают сопротивление движению. автомобиль двигатель колесо

Рассмотрим силы и моменты сил, действующие на автомобиль при движении по прямолинейной траектории, то есть, по прямому участку дороги (рис. 2.1).

Рис. 2.1 - Силы и моменты сил, действующие на автомобиль при движении по прямолинейной траектории

Вначале выясним, к какой точке автомобиля будут приложены эти силы. Любое физическое тело, пусть даже очень сложное по структуре, состоящее из множества деталей, каждое из которой обладает своей массы, имеет центр масс. Нам привычней оперировать понятием «центр тяжести». Автомобиль также имеет центр тяжести, и его расположение будет зависеть от загрузки автомобиля и ее распределению в автомобиле.

Автомобиль будем рассматривать, как тело, расположенное в трехмерном пространстве. Три измерения в трехмерном пространстве, принято обозначать осями:

Ось z – вертикальная ось, проходящая через центр тяжести автомобиля.

Ось x – продольная ось, проходящая через тот же самый центр тяжести;

Ось y – поперечная ось, проходящая через центр тяжести автомобиля.

Все три оси взаимно перпендикулярны, т.е. направлены, независимо от того, движется автомобиль, или он неподвижен, на него действует сила тяжести Fтяж, направленная вертикально вниз.

Сила тяжести.

Силой тяжести называется сила, с которой Земля притягивает к себе тело. Сила тяжести прижимает колеса к дороге. Равная ей по модулю и направленная вверх действует сила нормальной реакции опоры N.

Силу, действующую на тело со стороны опоры (или подвеса), называют силой нормальной реакции опоры.

При соприкосновении тел сила реакции опоры направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения. В нашем случае сила нормальной реакции опоры направлена вверх, перпендикулярно поверхности дороги. Так как у показанного на рисунке автомобиля четыре колеса, нормальная сила N раскладывается на четыре составляющие, именуемые реакциями опоры. Конечно же, эти составляющие направлены вверх. На рисунке их обозначили, как Rz1 и Rz2, их конечно же четыре, но для простоты восприятия мы будем рассматривать только две: Rz1 – действующая на левое колесо передней оси, и Rz2 – действующая на левое колесо задней оси.

Если сложить две вертикальные силы, действующие на оба колеса передней оси, то мы получим нагрузку на переднюю ось автомобиля. Аналогично, сумма двух вертикальных сил, действующих на колеса задней оси, составляют вертикальную нагрузку на заднюю ось автомобиля. Эти параметры: вертикальная нагрузка на переднюю и заднюю ось, указываются в паспортных данных автомобиля. Ими оперируют при определении коэффициента торможения, критерия, по которому определяется исправность или неисправность тормозной системы автомобиля.

Основной движущей силой автомобиля является сила тяги Fтяг, которая образуется в пятне контакта колеса с дорогой, и приложенная к ведущим колесам. Сила тяги возникает в результате преобразования крутящего момента, создаваемого силовым агрегатом (двигателя) коробкой передач, (трансмиссией) и передачи крутящего момента к ведущим колесам. Крутящий момент Mкр создает силу тяги Fтяг, которая приложена к пятну контакта колеса с дорогой (рис.2.2).

Рис.2.2 – Силы и моменты сил, действующие на ведущее колесо автомобиля.

Крутящий момент Mкр, приложенный к колесу, равен произведению силы тяги Fтяг на плечо этой силы – радиус качения колеса (rкол). Взаимодействия ведущих колес с поверхностью дороги создает силу тяги в пятне контакта колеса с дорогой. По сути – сила тяги численно равна силе трения между колесом и дорогой. Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному перемещению, называется силой трения. Направление силы трения противоположно направлению движения. Если ведущее колесо не буксует, то есть сила тяги не превышает значения силы трения, автомобиль будет двигаться с той скоростью, которую выбрал водитель. Скорость движения автомобиля равна скорости перемещения оси вращения колеса, так как ось закреплена на корпусе автомобиля. При отсутствии пробуксовки ведущего колеса в пятне контакта колеса с дорогой не происходит какого-либо перемещения, так как протектор плотно прилегает к поверхности дороги.

Тяговая сила на ведущих колесах достигает наибольшей величины при движении автомобиля на низшей передаче, поэтому низшую передачу используют при трогании с места автомобиля с грузом, при движении автомобиля по бездорожью. Величина тяговой силы на ведущих колесах автомобиля ограничивается сцеплением шин с поверхностью дороги.

4.3. Силы, действующие на автомобиль при торможении (общая схема)

Тормозной баланс автомобиля:

.

Найдем тормозные моменты:

Продольные реакции на колесах при отсоединенной трансмиссии:

Тормозной момент двигателя:

, Н · м,

где Θ, А, В – эмпирические коэффициенты; Vд – объем двигателя, л; nд – скорость двигателя, об/мин.

Двигатель

Θ

А

В

Бензиновый

12,5

0,4…0,5

0,0035

Дизельный

15

0,5…0,7

0,005

При 1000 об/мин ТТ = 80 (V=1,6 л). При 5000 об/мин ТТ = 360.

5–7 кВт/л (Справочник Бош, с. 649)

Подведенный к полуоси тормозной момент двигателя:

,

где Jд – момент инерции двигателя; εд – ускорение двигателя; iтр – передаточное число трансмиссии.

.

Перегруппируем тормозной баланс автомобиля, перенеся в правую часть силы, останавливающие автомобиль, а в левую – вызывающие его движение:

Введем замену в правой части: .

.

По аналоги с коэффициентом учета вращающихся масс при разгоне запишем:

.

Примечание:

Отличие (от δ разгона) –произведение радиусов (замена кинематического радиуса статическим приводит к существенной ошибке в расчете).

Введем дорожное сопротивление:

.

Найдем замедление автомобиля

.

4.4. Торможение юзом

При торможении автомобиля с блокировкой колес (юзом) отсутствует вращение колес, следовательно, тормозной баланс определим следующим образом:

ma · a = Rx1 + Rx2 +/– Ga · sin α +0,5 · Cx · ρв · А · V2

Rx1 + Rx2=Ga · φx · cos α

.

Если тормозим на горизонтальной площадке, то:

.

Пример: Ga=14560 Н; φx = 0,8; Сх = 0,48; А = 2,4 м2; V = 30 м/с Найдем начальное замедление, с которым движется автомобиль в момент попадания колес в юз:

если провести расчет для влажного асфальта ( коэффициент сцепления при юзе около φx = 0,4), то

Замечания:

  1. Аэродинамическая составляющая замедления является функцией квадрата скорости и поэтому быстро уменьшается по мере снижения скорости.

  2. Доля аэродинамической составляющей замедления уменьшается по мере увеличения массы автомобиля.

  3. Коэффициент сцепления сильно зависит от относительного скольжения sс в контакте шина – дорога.

  4. При юзе всех колес развесовка автомобиля не имеет значения!

4.5. Основные показатели процесса торможения

4.5.1. Время торможения:

Аэродинамическим сопротивлением часто пренебрегают.

4.5.2. Тормозной путь:

.

Если Vк= 0, то .

4.5.3. Тормозная диаграмма

t1 – время реакции водителя (в среднем – 0,8 с, но иногда до 1,2 с),

t2 – время срабатывания тормозов (подвод колодок 0,1…0,4 с)

t3 =0,2…0,4 (гидр…пневм)– время нарастания давления в тормозной системе (на этом этапе можно в первом приближении принять линейным закон нарастания давления в тормозном приводе. Это означает, что и замедление автомобиля также нарастает по линейному закону. С точки зрения выходных параметров принимаем a = φ·g/2)

t4 – время торможения t4 = V/(φ·g).

Найдем остановочный путь:

  1. S1=Vн · t1

  2. S2=Vн · t2

  3. , где

В итоге получим:

.

На практике последним членом пренебрегают:

.

Пример: V=20 м/c

.

4.5.4. Тормозные силы, моменты, давление в контуре при торможении юзом.

Сила инерции автомобиля, которой должна противодействовать тормозная сила: .

Реакции на колесах:

Rx1= Rx1max= Rz1 · φх;

Rx2= Rx2max= Rz2 · φх.

Fи = Rx1 + Rx2 .

Определим суммарные нормальные и касательные реакции на осях автомобиля (сопротивлением воздуха и его влиянием на перераспределение нормальных и касательных реакций из-за малости пренебрегаем):

Сумма моментов относительно контакта второго колеса = 0

откуда.

Сумма моментов относительно контакта первого колеса = 0

откуда.

Откуда:

Изменение реакций Rx1 Rx2 Rz1 R­z2 в зависимости от φх

Условия (рис. 1):

Ga=

15600н

L=

1,5 м

L1=

0,65м

L2=

0,85м

hg=

0,5м

Условия (рис. 2)

Ga=

15600н

L=

1,5м

L1=

0,65м

L2=

0,85м

hg=

Определим необходимый суммарный тормозной момент, который необходимо развить в тормозных механизмах передних колес для доведения их до юза:

,

где р1 – давление в переднем контуре; А1 – передаточная функция, определяемая конструкцией тормозов (зависимость тормозного момента от давления в контуре). В первом приближении считаем зависимость тормозного момента, развиваемого в исполнительных механизмах от давления в приводе линейной).

Отсюда определим давление, которое необходимо развить в исполнительных механизмах передних тормозов для доведения передних колес до юза:

–давление, необходимое для доведения передних тормозов до юза.

.

Аналогично найдем давление в заднем контуре:

.

Соотношение давлений в контурах:

.

Ga=

15600н

L=

1,5м

L1=

0,825м

L2=

0,675м

hg=

0,5м

А2/А1=

0,5

Полученная характеристика является идеальной и показывает необходимое соотношение давлений в исполнительных механизмах передних и задних колес для одновременного доведения колес обоих осей до юза. Если в тормозном приводе не предусмотрено никаких регулирующих давление механизмов и главный тормозной непосредственно связан с рабочими цилиндрами, то давление в исполнительных механизмах передних и задних тормозов всегда будет одинаковым, т.е. будет характеризоваться прямой линией. Таким образом, идеальная и реальная при отсутствии регулирующих механизмов) характеристики совпадают только в одной точке, т.е. для данного автомобиля при заданной развесовке одновременно до юза будут доведены колеса обеих осей только на одной дороге с характерным значением коэффициента сцепления. Н дорогах с меньшим сцеплением раньше в юз попадут колеса передней оси, а на дорогах с большим сцеплением – колеса задней оси.

Колеса, доведенные до юза, не способны воспринимать боковые нагрузки: Любое внешнее воздействие приводит к заносу.

При опережающем юзе передних колес автомобиль движется не управляемо, но устойчиво прямолинейно.

При опережающем юзе задних колес автомобиль попадает в прогрессирующий занос, что означает потерю устойчивости.

Несовпадение идеальной и реальной характеристик распределения давлений в зоне малых коэффициентов сцепления можно считать допустимым, так как в процессе экстренного торможения (а именно в этом случае колеса автомобиля доводятся до полного юза) главная задача – остановить автомобиль на полосе движения, а опережающий юз колес передней оси ведет к устойчивому прямолинейному движению.

Несовпадение идеальной и реальной характеристик распределения давлений в зоне больших коэффициентов сцепления абсолютно недопустимо, так как прогрессирующий занос, возникающий в этом случае, является причиной потери полосы движения в процессе экстренного торможения и приводит к большинству аварий с тяжелыми последствиями при экстренном торможении.

Силы, действующие на автомобиль во время его движения

 

Во время движения, на автомобиль действуют разные силы. Внешними силами, на преодоление которых расходуется тяговое усилие, полученное от двигателя на ведущих колесах автомобиля при его движении по горизонтальной плоскости с равномерной скоростью, являются силы сопротивления качению и сила сопротивления воздуха. При движении на подъем дополнительно надо преодолевать силу сопротивления вертикальному перемещению центра тяжести автомобиля, при ускоренном движении – силу сопротивления инерции автомобиля.

На автомобиль, как при движении, так и в неподвижном состоянии действует сила тяжести. Силой тяжести автомобиля является его масса, измеряется она в килограммах и действует параллельно по вертикали вниз, прижимая колеса к дороге (рис.1).

Рис.1. Силы, действующие на автомобиль при движении на подъем.

Сила тяжести автомобиля, стоящего неподвижно на горизонтальной плоскости, направлена вертикально вниз и распределяется по осям и колесам. Эти составляющие силы по своей величине обратно пропорциональны расстояниям между точками их приложения и точкой приложения силы тяжести автомобиля (центра тяжести). Определим центр тяжести автомобиля ЗИЛ-130. Собственная масса автомобиля ЗИЛ-130 составляет 4300 кг и распределяется по его осям: на переднюю – 2120 кг, заднюю – 2180 кг, при расстоянии между осями 3,8 м. Расстояние от центра тяжести до передней оси будет равно 2120×3,8/430 = 1,8 м, до задней оси: 2180×3,8/4300 = 2 м.

Для того чтобы узнать, как распределяется масса автомобиля на колеса, надо силу тяжести, приходящуюся на каждую ось, разделить на количество колес. Следовательно, на каждое переднее колесо будет действовать сила тяжести, равная 2120/2 = 1010 кг, на каждое заднее колесо: 2180/4 = 540,5 кг.

Как видно, колеса автомобиля могут быть прижаты к дороге с различной силой, что зависит от массы груза и его распределения в кузове. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее автомобиль против опрокидывания. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может сместиться вперед, назад или в сторону, при этом нарушается устойчивость и управляемость автомобиля. Положение центра тяжести некоторых автомобилей приведено в таблице:

Марка автомобиля

Высота расположения центра тяжести, мм

Расстояние от центра тяжести до передней оси, мм

без нагрузки

с полной
нагрузкой

«Москвич-412»
ГАЗ-24 «Волга»
ГАЗ-51А
ГАЗ-53А
ЗИС-130
МАЗ-500
Урал-375
ЗИЛ-157
ЗИЛ-131
КрАЗ-219
КрАЗ-222

475
615
954
820
855
1050
865
720
830
951
980

445
714
1252
1000
1200
1450
1126
1040
1165
1380
1342

1287
1380
1655
2100
1830
1860
2305



Сила сцепления колес с дорогой возникает между ведущими колесами автомобиля и дорогой. Она равна произведению коэффициента сцепления на сцепную массу, то есть на массу автомобиля, приходящуюся на его ведущие колеса. В автомобиле со всеми ведущими осями сцепной массой является полная масса автомобиля.

Коэффициент сцепления – это отношение силы сцепления колеса с дорогой к массе, приходящейся на данное колесо, и он будет равен:

φ = Рсц / Gк,

где φ – коэффициент сцепления;
Рсц – сила сцепления колеса с дорогой;
Gк – масса, которая прижимает колесо к дороге.

Коэффициент сцепления имеет решающее значение при торможении автомобиля. Чем выше коэффициент сцепления, тем больше может быть интенсивность торможения автомобиля.

Величина коэффициента сцепления колес автомобиля с дорогой имеет существенное значение для эксплуатации транспортных средств и безопасности дорожного движения. При низком коэффициенте сцепления – в этом случае трогание автомобиля с места очень затруднено, так как оно будет сопровождаться пробуксовкой, а в свою очередь торможение – скольжением колес. В результате автомобиль не всегда удается тронуть с места, а при необходимости торможения происходят резкое значительное увеличение тормозного пути и не исключено возникновение заноса. Среднее значение коэффициента сцепления шин, имеющих неизношенный дорожный рисунок протектора, с дорогой приведено в таблице:

Покрытие дороги

Коэффициент сцепления

на сухой поверхности

на мокрой поверхности

Цементобетон и асфальтобетон
Щебеночное шоссе
Каменные торцы
Грунтовая дорога
Утрамбованный шлак
Глина
Песок
Уплотненный снег
Обледеневая дорога
Гололедица

0,7-0,8
0,6-0,7
0,5-0,6
0,5-0,6
0,5-0,6
0,4-0,5
0,2-0,3
0,2-0,3
0,12-0,15
0,08-0,10

0,3-0,4
0,3-0,4
0,3-0,35
0,2-0,4

0,2-0,4
0,4-0,5


Особенно сильно снижается коэффициент сцепления на дороге после первого дождя, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснеженная или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность проезжей части подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы рисунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги. Здесь важно исправное состояние рисунка протектора шины.

Повышенное давление воздуха в шинах уменьшает их опорную поверхность, вследствие чего давление возрастает настолько, что при трогании с места и при торможении сцепление колес с дорогой уменьшается.

В связи с тем, что много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, водители при управлении автомобилем должны уметь оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с дорожными и погодными условиями.

Тяговая сила на ведущие колеса (Рт) расходуется на отдельные виды сопротивления движению и может быть выражена следующей формулой:

Рт = Рк + Рв ± Рп + Ри,

где Рк – сила сопротивления качения автомобиля, кг;
Рв – сила сопротивления воздуха, кг;
Рп – сила сопротивления подъему, кг;
Ри – сила инерции автомобиля, кг.

Сила сопротивления качению колес автомобиля складывается из деформации шин и грунта, трения шин о дорогу, трения в подшипниках передних колес, в рессорах и рессорных серьгах или в амортизаторах подвески автомобиля. Определение всех этих сил в различных условиях движения автомобиля очень сложно. Поэтому все эти сопротивления учитываются общим коэффициентом, установленным экспериментальным путем. Этот коэффициент называется коэффициентом сопротивления качению автомобиля.

Коэффициент сопротивления качению шин на асфальтированном покрытии равен 0,019-0,020; на гравийном покрытии – 0,02-0,025; на песке – 0,1-0,3.

Сила сопротивления воздуха слагается из любого движения встречного воздуха, разрежения за движущимся автомобилем, трения частиц воздуха о поверхность кузова автомобиля. Силу сопротивления воздуха можно определить приближенно перемножением площади проекции автомобиля на коэффициент сопротивления воздуха и скорость движения автомобиля. Коэффициент сопротивления воздуха определяется в килограммах на 1 м2 площади проекции автомобиля при скорости движения 1 м/сек. Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой поверхности автомобиля, его формы, а также скорости движения. С увеличением скорости автомобиля сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения, то есть если скорость возрастает в два раза, то сопротивление воздуха увеличивается в четыре раза.

Мощность, затрачиваемая на сопротивление воздуха, с увеличением скорости движения автомобиля возрастает пропорционально кубу скорости. Из этого следует, что груз на грузовых автомобилях надо распределять равномерно по поверхности платформы, а также не развивать высоких скоростей.

Сила, затрачиваемая автомобилем на преодоление подъема, равна массе автомобиля, умноженной на величину угла подъема.

Чем круче подъем, тем больше сила, затрачиваемая на его преодоление. При движении автомобиля под уклон, наоборот, возникает сила, способствующая ускорению движения автомобиля. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможность преодоления подъема. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее в начале подъема. При движении автомобиля под уклон, наоборот, возникает сила, способствующая ускорению движения автомобиля. Вследствие этого на крутых спусках рекомендуется включить ту передачу, на которой можно осуществить подъем.

автомобиль, движение, дорога, колесо, коэффициент, сила, сопротивление, сцепление

Смотрите также:


Смотрите также