Силы, действующие на автомобиль — Устойчивость автомобиля и безопасность движения в условиях гололеда

Силы, действующие на автомобиль при прямолинейном движении

Силы, действующие на автомобиль при прямолинейном движении, представлены на рис. 2.5.

Примем следующие условия:

• 1. Два одноименных колеса (правые и левые) рассматриваются как одно.
• 2. Участок дороги на всем протяжении однородный с постоянным углом наклона (а) к горизонту и не имеет неровностей.

• 3. Нормальные реакции дороги прикладываются к осям колес.
• 4. Деформация шин и грунта (погружение колес) учитывается при определении силы сопротивления качению, но на схеме не показывается.

С учетом данных условий на автомобиль будут действовать следующие внешние силы:

• 1) сила тяжести автомобиля G, приложенная к центру тяжести, находящемся на расстоянии А_ц от поверхности дороги;
• 2) сила сопротивления воздуха Р_ш, приложенная к центру парусности, расположенному на расстоянии от поверхности дороги;
• 3) суммарная касательная реакция R_x2 или сила тяги Р_Т;
• 4) нормальные реакции дороги на колеса R_zl и
• 5) сила инерции Pj поступательно движущихся масс, которая приложена к центру тяжести и направлена противоположно ускорению;
• 6) сила Р_пр на крюке в случае буксирования прицепа;
• 7) сила сопротивления качению колес P_f, направленная в сторону противоположную движению автомобиля (совпадает с касательной реакцией /?_х1);
• сила сопротивления подъему Р_а приложена к центру тяжести и направлена в сторону противоположную движению.

Сила тяги была рассмотрена в разделе 2.2.1. При принятых выше условиях не имеет значения, сколько колес являются ведущими и сколько ведомыми.

Сила сопротивления качению

Силой сопротивления качению автомобиля P_f называется сумма сил сопротивления качению всех его колес.

В реальных условиях сопротивление качению отдельных колес автомобиля не бывает одинаковым даже при движении автомобиля по дороге с твердым покрытием.

На деформируемых грунтах любое сопротивление качению задних колес, движущихся по уже уплотненному грунту, значительно меньше, чем для передних. Для решения теоретических задач сопротивление качению определяется для автомобиля в целом.

На сопротивление качению влияют:

• • нормальная нагрузка на колеса;
• • характер и состояние дорожного покрытия;
• • удельное давление на грунт;
• • скорость движения автомобиля;
• • конструкция и состояние пневматических шин.

Нормальная нагрузка влияет на сопротивление качению непосредственно, поскольку реакции грунта или другого дорожного покрытия можно считать пропорциональными нормальной нагрузке. Гистерезисные потери (потери, связанные с деформацией резины) в шине зависят от ее радиальной деформации. Эти потери возрастают при увеличении нагрузки. Кроме того, рост нормальной нагрузки приводит к увеличению удельного давления, а следовательно, и сопротивления качению.

Дорожное покрытие оказывает существенное влияние на ^ в случае, если оно не является твердым. Его величина определяется работой прессования и выдавливанием в стороны грунта при погружении в него колес.

Удельное давление на грунт — это нормальная нагрузка на единицу площади опорного участка шины. Удельное давление определяется по формуле

где c_q — коэффициент, определяемый жесткостью каркаса шины, c_q = 1 + р₀ р₀ — давление воздуха в шинах.

Понижение удельного давления влияет на P_f неоднозначно. При понижении давления возрастает деформация шин, вследствие чего растут гистерезисные потери. В то же время понижение давления значительно уменьшает погружение шин в грунт (при отсутствии твердого покрытия) и тем самым снижает P_f.

Увеличение скорости движения приводит к увеличению потерь в шинах, в частности из-за того, что их упругие свойства не могут быть полностью использованы (часть шины не успевает полностью распрямиться). Кроме того, при повышении скорости деформации возрастает внутреннее трение в покрышке, что также ведет к увеличению P_f.

Большое значение имеют конструкция и состояние шин, их число и диаметр, а также рисунок протектора, форма и расположение грунтозацепов.

Увеличение числа колес приводит к возрастанию суммарных потерь. Чем больше диаметр колеса, тем колесо меньше погружается в грунт, а значит, меньше сопротивление качению.

Чем больше грунтозацепы и протекторы шины, тем сильнее колесо деформирует грунт, что приводит также к увеличению P_f. На дорогах с твердым покрытием увеличенные грунтозацепы и рельефный рисунок протектора также приводят к увеличению P_f, так как растут гистерезисные потери в шине.

При изношенном протекторе уменьшается сопротивление качению, но при этом резко ухудшаются сцепные качества шины.

Для эксплуатационных расчетов принимаются два допущения:

• • сопротивление качению прямо пропорционально нормальной нагрузке на колеса автомобиля;
• • для автомобилей с шинами низкого давления (0,15—0,45 МПа) на одном и том же грунте и при одинаковой нагрузке сопротивление качению одинаково независимо от их конструктивных особенностей.

Тогда сила сопротивления качению может быть выражена через нормальную нагрузку (или равную ей реакцию грунта R.) и коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом сопротивления качению /:

В табл. 2.2 приведены значения /в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия.

Таблица 2.2. Значения коэффициента сопротивления качению в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия

Тип и состояние дорожного покрытия

Тип и состояние дорожного покрытия

Бетон, асфальтобетон и асфальт

Укатанная сухая грунтовая дорога

Разбитая мокрая грунтовая дорога

Влияние скорости движения на коэффициент / сопротивления качению учитывает эмпирическая формула

где f₀ — коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью менее 15 м/с; v — скорость автомобиля.

Сила тяжести, действующая на автомобиль и сопротивление его движению

Масса автомобиля указывается в технической характеристике автомобиля.

Масса снаряженного автомобиля — масса автомобиля без груза, полностью заправленного топливом, смазочными материалами и охлаждающей жидкостью с запасным колесом, инструментом и оборудованием.

Полная масса автомобиля включает в себя еще массу водителя и груза по номинальной грузоподъемности грузового автомобиля или массу пассажиров, число которых соответствует номинальной пас- сажировместимости легковых автомобилей и автобусов.

В расчетах обычно учитывается полная масса.

Сила тяжести, действующая на автомобиль, стоящий на горизонтальной плоскости:

где G — сила тяжести; т — масса автомобиля; g — ускорение свободного падения.

Положение центра масс определяется у двухосного автомобиля расстояниями /, и /₂ до геометрических осей вращения колес соответственно переднего и заднего мостов. У трехосного автомобиля /₂ — расстояние от центра масс до оси балансира задней тележки. Расстояние L = /, + /₂ называется базой автомобиля.

При движении автомобиля по наклонному участку дороги с углом подъема а сила тяжести раскладывается на следующие составляющие:

• • G cos а — нормальная нагрузка автомобиля на дорогу, перпендикулярна дороге;
• • G sin а — сила сопротивления подъему, обозначается Р_а, параллельна дороге (на спуске она направлена в сторону движения и называется скатывающей силой):

На крутых подъемах сопротивление подъему значительно превышает сопротивление качению. Так при а = 20° /*„ = 0,36(7, а при а = 30° Р_а = 0,5(7, тогда как P_f редко превышает 0,05—0,08(7.

При небольших значениях угла а синус может быть заменен тангенсом. В дорожном строительстве тангенс угла наклона дороги к горизонту называют продольным уклоном /, который выражается в процентах. В этом случае сила сопротивления подъему

Сила сопротивления качению и сила сопротивления подъему зависят от дорожных условий, так как коэффициент сопротивления качению / и угол подъема дороги а в совокупности определяют качество дороги, поэтому можно ввести такое понятие, как сила сопротивления дороги:

При движении автомобиля по наклонной дороге сила сопротивления качению определится как

Тогда сила сопротивления дороги

Выражение в скобках называется коэффициентом сопротивления дороги и обозначается vj/:

Тогда сила сопротивления дороги

Сила инерции или сила сопротивления разгону

Сила инерции поступательного движения автомобиля выражается через величину его ускорения:

где j — ускорение автомобиля; m — масса автомобиля.

Так как в автомобиле имеются вращающиеся детали значительной массы, то они также влияют на сопротивление разгону автомобиля. К этим деталям относятся маховик двигателя и колеса. Чтобы учесть влияние вращающихся масс вводят коэффициент учета вращающихся масс 8_вр, который показывает, во сколько раз сила, необходимая для разгона с заданным ускорением поступательно движущихся и вращающихся масс автомобиля, больше силы, необходимой для разгона только его поступательно движущихся масс.

С учетом коэффициента 8_вр уравнение (2.12) будет иметь вид

Значение коэффициента 5_вр определяется по формуле

где /_м — момент инерции маховика; — КПД трансмиссии; /_тр — передаточное число трансмиссии; /_к — суммарный момент инерции всех колес; m — масса автомобиля; г — радиус колеса.

Энергия, затрачиваемая на разгон деталей двигателя на прямой передаче, в два-три раза, а на низших передачах в восемь-десять раз больше энергии, расходуемой на разгон колес.

Если точное значение моментов инерции /_м и J_K не известно, то коэффициент 8_вр определяется по эмпирической формуле

где 5, * 6₂ от 0,03 до 0,05; т_а — масса автомобиля с полной нагрузкой; т — фактическая масса автомобиля.

Силы, действующие на автомобиль

Для правильного и безопасного управления любым автомобилем необходимо знать физические законы его поведения на дороге. Эти знания помогают при правильной оценке конкретной дорожной ситуации выбрать оптимальное решение и, воздействуя на органы управления автомобиля, совершать безопасные маневрирования.

Рисунок 1. — Силы, действующие на автомобиль

Различные силы, воздействующие на автомобиль, заставляют его двигаться и останавливаться. Силы, действующие на автомобиль, делятся на две группы. Первая группа оказывает сопротивление движению вторая — заставляет его двигаться.

• 1. Сила тяжести — возникает под воздействием силы притяжения Земли и направлена вертикально вниз, распределяясь по всем осям и колесам автомобиля. Фактический вес транспортного средства оказывает давление на дорожное покрытие, и чем он больше, тем больше становится величина силы сцепления колес с дорогой. Эта сила оказывает существенное влияние в начале движения и в дальнейшем его процессе на ведущие колеса автомобиля.
• 2. Силы реакции дорожного полотна — возникает из-за сил, действующих со стороны транспортного средства в местах соприкосновения колес с дорогой. Чем больше сила тяжести, действующая со стороны колеса автомобиля на дорожное полотно, тем больше сила ответной реакции со стороны дороги.
• 3. Сила тяги всегда направлена в сторону движения автомобиля. Она возникает при передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колесам, где они в свою очередь стараются переместить слои дорожного полотна назад. Чем больше крутящий момент двигателя и выше передаточное число коробки передач и главной передачи, чем меньше радиус колеса с учетом деформации шины, тем больше становится тяговая сила. Если величина тяговой силы превышает силы сцепления колес с дорогой, возникает пробуксовка ведущих колес. Поэтому начинать движение на скользкой дороге или по бездорожью, а также с перевозимым грузом необходимо с включением низшей передачи, когда сила тяги достигает наибольшей величины.
• 4. Центробежная сила возникает в момент прохождения поворотов или смещения транспортного средства влево или вправо относительно проезжей части. В эти моменты автомобиль стремится сохранить первоначально заданное направление движения. Величина этой силы прямо пропорциональна массе транспортного средства и квадрату скорости и обратно пропорциональна радиусу вхождения в поворот. Направление ее действия — от центра тяжести в противоположную сторону поворота. Так, при вхождении в правый поворот центробежная сила старается отклонить автомобиль влево на встречную полосу, а при прохождении левого поворота — вправо в сторону обочины. Уменьшить ее значение можно только снижением скорости движения и увеличением радиуса траектории входа в поворот. При неправильно выбранной скорости и радиусе поворота центробежная сила может развернуть автомобиль вокруг его оси, что приведет к заносу, отбросить в сторону и, наконец, опрокинуть.
• 5. Сила сцепления шины с дорожным полотном возникает в процессе движения и зависит от многих факторов:
  • а) От качества покрытия дорожного полотна
  • б) От состояния дорожного полотна (сухое, влажное, заснеженное, обледенелое) Так при сухом покрытии сила сцепления намного больше, чем при обледенелом.
  • в) От технического состояния колес (конструкции шины, давления, рисунка протектора и его износа). При изношенном рисунке протектора и увеличенном давлении в колесе сила сцепления с дорогой уменьшается.
  • г) От массы автомобиля — с увеличением массы транспортного средства сила сцепления с дорогой увеличивается.
  • д) От скорости движения — с ее увеличением уменьшается сила сцепления с дорожным полотном.

  Водителю необходимо учитывать все эти факторы, так как когда сила тяги на колеса автомобиля превышает силу сцепления с дорожным полотном, может произойти пробуксовка колес, а на скользкой дороге возможны заносы и выход из-под контроля управления автомобиля.

  6. Сила сопротивления воздуха направлена в сторону, противоположную движению транспортного средства. Она возникает в процессе движения за счет давления на воздух поверхностями автомобиля, поэтому многое зависит от аэродинамической конструкции формы кузова автомобиля. Эта сила возрастает с увеличением скорости движения.

  Сила сопротивления качению возникает в процессе движения при трении шин автомобиля о поверхность дороги, вследствие чего возникают трения в передаточном механизме (в подшипниках колес). Эта сила прямо пропорциональна массе транспортного средства и коэффициенту сопротивления качению. Коэффициент сопротивления качению зависит от состояния дороги и определяется опытным путем. Сила сопротивления качению направлена в сторону, противоположную движению.

  

  Рисунок 2. — Силы, действующие на автомобиль при подъеме

  Автомобильные дороги состоят из чередующихся между собой подъемов и спусков и крайне редко имеют горизонтальные участки большой длины. Крутизну подъема характеризуют величиной угла а (в градусах) или величиной уклона дороги t, представляющей собой отношение превышения Н к заложению В (см. рис. 2):

  Вес автомобиля G, движущегося на подъеме, можно разложить на две-составляющие силы: G·sinб, направленную параллельно дороге, и G·cosб, перпендикулярную к дороге. Силу G sinб называют силой сопротивления подъему и обозначают Рб.

  На автомобильных дорогах с твердым покрытием углы подъема невелики и не превышают 4 — 5°. Для таких малых углов можно считать

  i = tgб~ sinб, тогда Ра — G sinб = Gi.

  При движении на спуске сила Ра имеет противоположное направление и действует как движущая сила. Угол а и уклон i считают положительными на подъеме и отрицательными при движении на спуске.

  У современных автомобильных дорог нет четко выраженных участков с постоянным уклоном; их продольный профиль имеет плавные очертания. На таких дорогах уклон и сила Р непрерывно меняются в процессе движения автомобиля.

  Сопротивление неровностей. Ни одно дорожное покрытие не является абсолютно ровным. Даже новые цементобетонные и асфальтобетонные покрытия имеют неровности высотой до 1 см. Под действием динамических нагрузок неровности быстро увеличиваются, уменьшая скорость автомобиля, сокращая срок его службы и увеличивая расход топлива. Неровности создают дополнительное сопротивление движению.

  При попадании колеса в длинную впадину оно ударяется о ее дно и подбрасывается вверх. После сильного удара колесо может отделиться от покрытия и снова удариться (уже с меньшей высоты), совершая затухающие колебания. Переезд через короткие впадины и выступы сопряжен с дополнительной деформацией шины под действием силы, возникающей при ударе о выступ неровности. Таким образом, движение автомобиля по неровностям дороги сопровождается непрерывными ударами колес и колебаниями осей и кузова. В результате происходит дополнительное рассеивание энергии в шине и деталях подвески, достигающее иногда значительных величин. [5]

  Дополнительное сопротивление, вызываемое неровностями дороги, учитывают, условно увеличивая коэффициент сопротивления качению.

  Величины коэффициента сопротивления качению f и уклона i в совокупности характеризуют качество дороги. Поэтому часто говорят о силе сопротивления дороги Р, равной сумме сил Рf и Ра:

  Р = Pf -f Ра = G (f cosб-f sinб) ~G (f + i)(2)

  Выражение, стоящее в скобках, называют коэффициентом сопротивления дороги и обозначают буквой Ф. Тогда сила сопротивления дороги: Р = G (f cosб-f sinб) = G ф.

  При движении автомобиля на него оказывает сопротивление и воздушная среда. Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следующих величин:

  • — лобового сопротивления, появляющегося в результате разности давлений спереди и сзади движущегося автомобиля (около 55 — 60% всего сопротивления воздуха);
  • — сопротивления, создаваемого выступающими частями: подножками, крыльями, номерным знаком (12 — 18%);
  • — сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10-15%);
  • — трения наружных поверхностей о близлежащие слои воздуха (8 — 10%);
  • — сопротивления, вызванного разностью давлений сверху и снизу автомобиля (5 — 8%).

  При увеличении скорости движения увеличивается и сопротивление воздуха.

  Прицепы вызывают увеличение силы сопротивления воздуха вследствие значительного завихрения воздушных потоков между тягачом и прицепом, а также из-за увеличения наружной поверхности трения. В среднем можно принять, что применение каждого прицепа увеличивает это сопротивление на 25% по сравнению с одиночным автомобилем.

  Сила инерции [15]

  Кроме сил сопротивления дороги и воздуха влияние на движение автомобиля оказывают силы инерции Р. Всякое изменение скорости движения сопровождается преодолением силы инерции, и ее величина тем больше, чем больше вес автомобиля:

  Время равномерного движения автомобиля обычно мало по сравнению с общим временем его работы. Так, например, при работе в городах автомобили движутся равномерно 15 — 25% времени. От 30% до 45% времени занимает ускоренное движение автомобиля и 30 — 40% — движение накатом и торможение. При трогании с места и увеличении скорости автомобиль движется с ускорением — его скорость при этом неравномерна. Чем быстрее автомобиль увеличивает скорость, тем больше ускорение автомобиля. Ускорение показывает, как за каждую секунду возрастает скорость автомобиля. Практически ускорение автомобиля достигает 1 — 2 м/с2. Это значит, что за каждую секунду скорость будет возрастать на 1 — 2 м/с.

  Сила инерции изменяется в процессе движения автомобиля в соответствии с изменением ускорения. Для преодоления силы инерции расходуется часть тяговой силы. Однако в тех случаях, когда автомобиль движется накатом после предварительного разгона или при торможении, сила инерции действует по направлению движения автомобиля, выполняя роль движущей силы. Принимая это во внимание, некоторые труднопроходимые участки пути можно преодолевать с предварительным разгоном автомобиля.

  Величина силы сопротивления разгону зависит от ускорения движения. Чем быстрее разгоняется автомобиль, тем большей становится эта сила. Ее величина меняется даже при трогании с места. Если автомобиль трогается плавно, то сила эта почти отсутствует, а при резком трогании она может даже превысить тяговую силу. Это приведет или к остановке автомобиля, или к буксованию колес (в случае недостаточной величины коэффициента сцепления).

  В процессе работы автомобиля непрерывно меняются условия движения: тип и состояние покрытия, величина и направление уклонов, сила и направление ветра. Это приводит к изменению скорости автомобиля. Даже в наиболее благоприятных условиях (движение по усовершенствованным автомагистралям вне городов и населенных пунктов) скорость автомобиля и тяговая сила редко остаются неизменными в, течение продолжительного времени. На средней .скорости движения (определяемой как отношение пройденного пути ко времени, затраченному на прохождение этого пути с учетом времени остановок в пути) сказывается помимо сил сопротивления влияние весьма большого количества факторов. К ним относятся: ширина проезжей части, интенсивность движения, освещенность дороги, метеорологические условия (туман, дождь), наличие опасных зон (железнодорожные переезды, скопление пешеходов), состояние автомобиля и т. д.

  В сложных дорожных условиях может случиться так, что сумма всех сил сопротивления превысит тяговую силу, тогда движение автомобиля будет замедленным и он может остановиться, если водитель не примет необходимых мер.

  Силы действующие на автомобиль двигатель

  Главными силами являются силы давления газов и силы инерции в двигателе, а также силы полезного сопротивления потребителя энергии; остальными силами вследствие их относительной малости обычно пренебрегают.

  Все силы, действующие в двигателе, переменные во времени.

  На кривошипно-шатунный механизм действуют следующие силы.

  

  Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, что вызывает износ поверхностей. Она изменяет направление и величину, поочередно прижимая поршень то к одной, то к другой стороне цилиндра. Кроме того, сила N на плече L создает момент, который стремится опрокинуть двигатель. Опрокидывающий момент воспринимается опорами двигателя.

  Площадь, ограниченная диаграммой изменения касательных сил по углу поворота коленчатого вала, осью абсцисс и ординатами, проведенными через начало и конец рабочего цикла, представляет собой в масштабе работу двигателя за цикл и соответствует индикаторной работе. Работа сил инерции за цикл равна нулю.

  Работа касательных сил затрачивается на преодоление сил сопротивления и изменение частоты вращения коленчатого вала. В период рабочего хода энергия подводится к системе, совершается полезная работа и увеличивается частота вращения коленчатого вала. Избыточная энергия аккумулируется всеми вращающимися массами, главным образом маховиком и потребителем энергии, и возвращается в систему, когда ее не хватает при совершении других тактов двигателя. Чем больше момент инерции маховика и число цилиндров, тем равномернее вращение вала двигателя.

  На рис. 2, в показано изменение крутящего момента Мк двигателей с различным числом цилиндров (от одного до двенадцати). Неравномерность крутящего момента уменьшается с увеличением числа цилиндров, и для восьми- и двенадцатицилиндровых двигателей крутящий момент Мк мало отличается от среднего крутящего момента Мк.ср. Вследствие неравномерности крутящего момента и упругости коленчатого вала в нем возбуждаются крутильные колебания, которые могут нарушить нормальную работу двигателя и привести к поломкам коленчатого вала и других деталей.

  

  Рис. 2. Силы и моменты, действующие в двигателе: а — индикаторная диаграмма; б — изменение относительных сил и касательной силы Т по углу а поворота коленчатого вала; в — изменение крутящего момента Мк в двигателях с различным числом цилиндров

  Крутящий момент вызывает равный по величине, но противоположный по направлению реактивный момент, который передается на опоры и вызывает колебания двигателя.

  Вращающиеся массы кривошипа коленчатого вала, смещенные относительно оси вращения, а также массы части шатуна, отнесенной к оси шатунной шейки коленчатого вала, создают центробежную силу. Эта сила, направленная от оси вращения по оси кривошипа, вместе с радиальной силой нагружает подшипники коленчатого вала. Центробежная сила С обычно уравновешивается центробежной силой противовесов, устанавливаемых на коленчатом валу.

  В многоцилиндровом двигателе все силы, действующие на детали кривошипно-шатунного механизма одного цилиндра, создают соответствующие моменты относительно центра масс всего двигателя. Переменные силы и моменты в двигателе вызывают его колебание на опорах, вибрацию отдельных деталей и могут привести к нарушению работы и поломкам. Поэтому двигатель стремятся уравновесить, что достигается соответствующим выбором углов между кривошипами коленчатого вала, соответствующим расположением цилиндров и установкой специальных противовесов.

  Источник https://studref.com/596310/tehnika/sily_deystvuyuschie_avtomobil_pryamolineynom_dvizhenii

  Источник https://studwood.net/549842/tehnika/sily_deystvuyuschie_avtomobil

  Источник https://stroy-technics.ru/article/sily-deistvuyushchie-na-detali-dvigatelya-pri-ego-rabote

  Похожие записи:

  1. Прогрев двигателя: теория, практика, мифы и реальность. — DRIVE2
  2. Мойка двигателя ВАЗ 21124 — LADA 2112, 1.6 л, 2007 года на DRIVE2
  3. Плюсы, минусы и проблемы ZAZ Chance
  4. Опоры двигателя (Предназначение, виды, эксплуатация) — DRIVE2
  Читать статью  Мойка двигателя, как правильно самому мыть двигатель. — Mazda 3, 2.0 л, 2007 года на DRIVE2