Какие силы действуют на автомобиль: Какие силы действуют на автомобиль – Теория движения автомобиля: основные элементы

Какие силы действуют на автомобиль

Вроде бы зачем усложнять себе жизнь законами физики – сел за руль да поехал. Однако, никому не навязывая своего мнения заметим, что понимание водителем того, какие силы действуют на автомобиль, поможет понять не только новичку то, что может произойти на дороге, но и как это влияет на расход топлива. О многих значимых сил влияния на поведение автомобиля, среднестатистический водитель не знает, или забывает об их существовании в момент опасности. Ниже приведем краткую характеристику наиболее важных физических величин воздействия на автомобиль, которые принимаются во внимание всеми инженерами при начальном проектировании автомобиля.

Какие силы действуют на автомобиль

Не углубляясь далеко в теории физики, затронем основные физические величины которые воздействуют на автомобиль.

• Сила сопротивления качению.
• Аэродинамические сопротивление.
• Сила инерции.
• Центробежная сила.

Сила сопротивления качению

Многие из автомобилистов слышали о термине сопротивление качению шин (RRC Rolling Resistance Coefficient), но далеко не все понимают его важность. Вспомните, интересовались ли вы при выборе новых покрышек для своего авто этим показателем. Этот показатель всегда указывается, так как, согласно новым европейским правилам маркировки, на шинах обязательно должен быть указан коэффициент сопротивление качению.

RRC возникает в результате трения шин об основу дорожного покрытия, трения в подшипниках колес и т. д. Эта сила возникает в результате трения шин об основу дорожного покрытия и определяет потерю энергии во время движения исходя из конструкции шины автомобиля, которая в процессе контактного движения с дорогой деформируется.

Сила зависит от массы автомобиля и коэффициента трения качения. Определяется по формуле P_f = Q·f, где (f) – коэффициент трения качения, а (Q) – нормальная нагрузка автомобиля. Чем больше коэффициент, тем тяжелее вращаются шины.

Масса в виде прижимной силы играет большое влияние на величину сопротивления качению, если мы стремимся сэкономить энергию и соответственно расход топлива, то уменьшение массы автомобиля становится приоритетом.

Только 20 процентов энергии, содержащиеся в топливе, используется для передвижения автомобиля, остальная энергия идет на разгон, торможение, преодоление сопротивления воздуха и сопротивления качению.

Что влияет на эту силу

Сопротивление качению зависит от многих факторов:

1) Конструкция шины.
2) Давление воздуха в шине.

Влияют три фактора: сдвиг, сжатие и изгиб шины. Чем меньше деформация поверхности, тем меньше сопротивление качению.  Водители должны помнить, чтобы хотя бы раз в месяц проверить давление в шинах. При низком давлении это приводит к увеличению сопротивления качению и, как следствие, повышение расхода топлива, а также неравномерный износ протектора.

3) Температура.
4) Нагрузка.

5) Скорости движения автомобиля.
6) Состояния дорожного покрытия (асфальтобетон, мелкая брусчатка, щебёночное или грунтовое полотно).

КАК ПРОВЕРИТЬ

Методика оценки сопротивления качению проводится довольно просто.

Методика оценки сопротивления качению на полигоне Nokian

Автомобиль загоняют на эстакаду, закрепляют, после отпускают и смотрят как далеко машина сможет проехать накатом без воздействия на педали сцепления и тормоза. К примеру автомобиль проехал 70 метров, разница в преодоленной дистанции составляет около 28 процентов. По данным Nokian, снижение сопротивления на 5 процентов позволяет снизить расход топлива на 1 процент, то есть на этом примере позволяет сэкономить почти 6 процентов топлива. Вот такая простая арифметика показывающая почему при выборе резины надо смотреть на коэффициент сопротивления качению.

Аэродинамические сопротивление

Возникает в результате движения транспортного средства, который при движении преодолевает сопротивление воздуха. Это сопротивление зависит от плотности воздуха (плотность зависит от температуры и давления), скорости и формы автомобиля. Так при малых скоростях, порядка нескольких км/ч этот показатель не имеет особого значения, при более высоких скоростях, водителю необходимо учитывать, что

сопротивление динамически растет с квадратом скорости. Это означает, что двукратный рост скорости приведет к увеличению аэродинамического сопротивления в четыре раза.

Не нужно пренебрегать этой силой, на скоростях движения свыше 80 км/ч эта сила становится самой большой. На ее преодоление тратится больше всего энергии вырабатываемой двигателем, а значит и топлива.

Сила (F) сопротивления воздуха складывается из трех множителей.

• Коэффициент обтекаемость кузова (k).
• Площадь лобового сопротивления (S) высчитывается приблизительно путем умножения ширины автомобиля на его высоту.
• Скорость (V) в квадрате.

Обратите внимание, если хотим уменьшить эту силу, нужно поддерживать определенный скоростной режим до 80 км ч. Свыше 80 километров в час, ваш расход топлива будет увеличиваться в геометрической прогрессии.

Водители должны помнить, что без должного знания аэродинамики не нарушать заводские аэродинамические линии автомобиля, так как это вызовет дополнительный расход топлива.

Сила инерции

Мы можем наблюдать действие этой силы во время разгона и торможения автомобиля, то есть с изменением скорости автомобиля. Собственно говоря, это всем известный второй закон Ньютона, который многие из вас помнят из школьной программы. В данном случае он равен массе автомобиля помноженную на ускорение.

В тот момент когда машина ускоряется, сила инерции направлена противоположно направлению движения, а когда начинает тормозить, ее направление становиться противоположным.

К примеру, при резком торможении на скорости в 50 км/ч, 1,5-литровая бутылка воды будет весить 60 кг.

Быстрая остановка транспортного средства, приведет к тому, что люди и предметы начинают кратковременно перемещаться в обратном направлении, набирая большую массу. Поэтому водители должны помнить, что пристегивание ремнями безопасности, это не только обязанность, но, и забота о безопасности других участников движения.

 

Сила инерции достаточно большая, на нее тратится большое количество топлива. Повлиять на эту силу можно более плавным разгоном и торможением.

Центробежная сила

Одной из главных сил, чье действие мы постоянно ощущаем при движении автомобиля, является центробежная сила. Появляется она во время движения при прохождении поворотов. На ее значение влияет масса автомобиля, скорость и радиус поворота. Если скорость возрастает в 2 раза, то сила увеличивается в четыре раза, то есть в геометрической прогрессии.

Наибольшее влияние на работу центробежной силы влияет скорость. Приближаясь к повороту, обращайте внимание насколько он крутой. Чтобы автомобиль не вылетел из поворота, очень важно снижение скорости перед входом машины в поворот. С опытом, конечно придет понимание того, какая должна быть скорость автомобиля.

Помните старое правило – « Не искусство – въехать в поворот. Искусство – безопасно из него выехать».

Как технически преодолевать повороты?

Водитель преодолевая поворот, может уменьшить действие центробежной силы на автомобиль за счет оптимизации траектории движения. Поворотов не следует бояться, но нельзя их недооценивать. Мы должны к ним относиться с уважением и осторожностью. Имея правильное представление прохождения поворотов, будет немного легче в дальнейшем движении.

Въезжая в поворот, снимаем ногу с педали газа, чтобы повысить давление на переднюю ось. Не допускается переключение передач в повороте, потому что отключение привода, снизит нагрузку на передние колеса, что может привести к потере сцепления с дорогой.

Новичкам, часто не хватает навыков, знаний и техники прохождения поворотов.

Безопасное преодоление зависит от нескольких факторов:

• Траектория движения – проезжая поворот, мы должны постараться пройти его, как наиболее плавно.
• Скорость. Регулировка скорости – «ключ» для безопасного преодоления поворота. Лучше въехать в поворот с преувеличенной осторожностью, чем слишком быстро. Педаль акселератора нужно использовать умеренно и плавно.
• Наблюдение
  – благодаря ей, мы в состоянии выбрать траекторию движения и раньше заметить опасности, возникающие на дороге. Преодолевая поворот, стоит смотреть на выход из поворота и как можно дальше.
• Погодные условия – переменные погодные условия будут влиять на снижение тяги. Каждый поворот (даже если нам уже знакомый), проходите с должной осторожностью, делая поправки на состояние дорожного полотна.
• Cистемы активной безопасности. В современных автомобилях, производители начали устанавливать системы ESP (Electronic Stability Program), которые служат для стабилизации траектории движения. Помните, эта система помогает водителю, но не обеспечивает 100 % защиты . Многое зависит от мастерства водителя.

Как видно, даже базовые знания того, какие силы действуют на автомобиль, помогут не только избежать неприятных сюрпризов на дороге, но и эффективно сократить расходы топлива – то к чему стремятся все водители. С учетом полученных знаний, большинство автолюбителей переносят эти знания на практику – eco driving.

3.2. Силы, действующие в машинах.

3.2.1 Классификация сил.

Силы, действующие на звенья механизмов, классифицируют по характеру их приложения и действия.

1. Внешние и внутренние силы.

Под внешними силами подразумеваются силы, прилоленные к звену машины извне. Они могут быть силами движущими удавление газа на поршень двигателя, момент на валу электродвигателя и др.) и силами технологического сопротивления (сила резания и т.п.) и силами тяжусти звеньев.

Внутренние силы — силы взаимодействия звеньев друг с другом реакции в кинематических парах (рис. 3.1а)

, ; и т.д.

Элементарная работа внутренних сил равна нулю, т.к. эти силы действуют попарно. Силы трения, возникающие в ре­зультате относительного движения элементов кинематических пар, также относятся к внутренним силам, но представляют их особую категорию, т.к. работа их не равна нулю.

2. Силы движущие и силы сопротивления.

Движущие силы — те силы, которые стремятся ускорить движе­ние ведущего звена машины (F,M), т.е. совершают положи­тельную работу. Силы сопротивления — те силы, которые стремятся замедлить движение ведущего звена ),т.е. со­вершают отрицательную работу..

Мощность силы (рис.3.1.б)

При — силы движущие при — силы сопротивления

Различают силы полезного и вредного сопротивления: — сила и момент полезного сопротивления, для прео­доления которых предназначена машина или механизм; — сила и момент вредного сопротивления.

Например, силы трения, момент сил трения, которые всегда будут направлены против движения, препятствуют движению и вызывают износ трущихся поверхностей.

Силы тяжести в процессе движения могут ускорять и за­медлять движёние звена, т.е. проявляют себя как силы дви­жущие и силы сопротивления. Работа их за один цикл равна нулю.

3. Силы инерции, возникающие в результате неравномерного двиъения звеньев, относятся к особой категории сил, суще­ствование которых обусловлено двумя обстоятельствами: фак­том наличия у звеньев массы и фактом неравномерного движе­ния звеньев.

3.2.2 Определение сил инерции.

В динамических расчетах силы инерции звеньев могут учи­тываться двумя способами:

1. Представлением их главным вектором сил инерции и глав­ным моментом сил инерции.

2. Разнесением масс звеньев по заданным точкам.

1) Главный вектор сил инерции и главный момент в случае плоскопараллельного движения звена определяются формулами

_(3.1)

(3.2)

где — масса i-го звена;

— вектор ускорения центра масс i-го звена;

— момент инерции i-го звена относительно оси, проходя­щей через центр масс перпендикулярно плоскости движения;

— угловое ускорение i-го звена

Для определения сил инерции по (3.1) и (3.2) надо опре­делить ускорения , которые определяются или из плана ускорений, или аналитически.

В частных случаях движения звеньев (поступательное или вращательное) остается или только главный вектор, или толь­ко главный момент.

Силы инерции в пространственных механизмах учитываются также главным вектором по (3.1) и главным моментом сил инерции, который выражается через проекции на главные цен­тральные оси инерции звена:

где — главные центральные моменты инерции звена;

— проекции угловой скорости и углового ускорения на главные центральные оси инерции звена (алгебраические величины).

Переход к проекциям на неподвижные оси выполняется в соответствии с формулами преобразования координат точек звеньев для данного механизма.

2) Разнесение масс звеньев по заданным точкам. имеете приведения всех сил инерции к главному век­тору и главному моменту, в некоторых случаях удобно заме­нить эти силы силами инерции масс, сосредоточенных в вы­бранных точках, которые носят название замещающих точек. В этом случае определение сил инерции сводится к определе­нию сил инерции масс, сосредоточенных в замещающих точ­ках и отпадает необходимость в определении главного момен­та сил инерции.

Размещение массы по замещающим точкам должно удов­летворять трем условиям:

1) сумма масс, сосредоточенных в замещающих точ­ках, должна равняться массе всего звена;

2) общий центр масс, сосредоточенных в замещающих точках, должен совпадать с центром масс звена;

3) сумма моментов инерции масс, сосредоточенных в замещающих точках, относительно оси, проходящей через общий центр масс, равнялась моменту инерции звена отно­сительно этой же оси. Указанные условия могут быть выражены уравнениями:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

(3.7)

где — масса всего звена,

— масса, сосредоточен­ная в замещающей точке с индексом i ,

— коорди­наты i-точки относительно осей, проходящих через центр масс;

— момент инерции звена относительно оси, проходящей через центр масс S и перпендикулярной к плоскости движения.

Первые два условия и соответствующие им уравнения (3.4), (3.6) соответствуют статическому размещению массы звена, а все уравнения (3,4) — (3,7) — динамичес­кому размещению масс, При решении ряда практических за­дач бывает достаточно ограничиться только статическим размещением масс и удовлетворить уравнениям (3.4), (3.6). В механизмах в качестве точек замещения обычно при­нимаются оси кинематических пар.

Лекция 10.

План лекции.

Устойчивость автомобиля. Опрокидывание и его причины

Устойчивость – это совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положения автомобильного транспортного средства (АТС) или его звеньев.

Признаком потери устойчивости является скольжение АТС или его опрокидывание. В зависимости от направления скольжения или опрокидывания АТС различают поперечную и продольную устойчивость.

Во время движения автомобиль имеет инерцию, а в момент начала поворота, помимо центробежной силы  возникает дополнительная поперечная сила (составляющая сила инерции), направленная в том же направлении, что и центробежная сила. При очень большой скорости движения и резком повороте (поперечная составляющая сила инерции и центробежная) суммарная сила может привести даже к опрокидыванию автомобиля.

Поперечная сила С стремится нарушить устойчивость автомобиля, а сила G стремится удержать его в устойчивом положении. Колеса образуют крайние опоры автомобиля, а центр тяжести (ЦТ) расположен на равном удалении от правого и левого колес и на определенной высоте hn от поверхности дороги. Чем выше центр тяжести и уже колея автомобиля, тем больше он подвержен опасности опрокидывания.

Рис. Схема сил влияющих на поперечную устойчивость автомобиля

Опрокидывание автомобиля

Опрокидывание автомобиля может произойти как в продольной, так и в поперечной плоскости.

Опрокидывание в продольной плоскости относительно задней оси происходит в момент, когда сила давления передних колес на дорогу уменьшается до нуля. Практически до начала опрокидывания наступает буксование колес на подъеме, автомобиль сползает назад вследствие недостаточного сцепления колес с дорогой.

Возможно переворачивание автомобиля вперед при резком торможении на крутом спуске, если автомобиль имеет короткую базу и высоко расположенный центр тяжести. В данном примере возникшая сила инерции  складываясь с горизонтальной составляющей силы веса, дает результирующую силу, которая выходит за пределы опорной площади передней оси автомобиля. Известны случаи опрокидывания автомобиля назад, когда при движении задним ходом автомобиль съезжает в овраг, реку и т. п.

Рис. Продольное опрокидывание автомобиля на спуске во время торможения

При движении автомобиля по дороге, имеющей поперечный уклон, возникает боковая сила, равная поперечной составляющей от веса автомобиля. Эта сила может вызвать опрокидывание автомобиля или его скольжение вбок. Устойчивость автомобиля к опрокидыванию в этом случае зависит от колеи автомобиля  высоты расположения центра тяжести и угла поперечного наклона дороги.

Рис. Схема сил, действующих на автомобиль при движении на дороге, имеющей поперечный уклон

Чем выше расположен груз, тем больше высота расположения центра тяжести, следовательно, тем вероятнее опрокидывание грузового автомобиля. Чем шире колея автомобиля, тем более устойчив автомобиль как при движении на повороте, так и при движении по дороге, имеющей поперечный уклон.

Опрокидывание автомобиля в поперечной плоскости, т.е. вбок, может произойти под действием центробежной силы на повороте, при резком повороте рулевого колеса на большой скорости, сильном боковом наклоне и вследствие неправильного закрепления груза в кузове.

Неправильная укладка груза в кузове может значительно изменить положение центра тяжести, сместив его как вбок, так и вверх. Характерным примером может служить цистерна, не заполненная целиком жидким грузом. Под влиянием центробежной силы жидкий груз смещается к одной стороне цистерны, центр тяжести смещается вверх и в сторону, а сила тяжести, удерживающая автомобиль от опрокидывания, действует уже не по оси автомобиля  а смещается в сторону перемещения центра тяжести.

Рис. Смещение центра тяжести жидкого груза под действием центробежной силы

Причины опрокидывания автомобиля

• при высокой скорости движения на крутых поворотах, на неблагоустроен­ных дорогах, где поперечный уклон направлен в сторону, противоположную повороту
• вследствие резкого прекращения бокового заноса при толчке заднего колеса о камень или другое препятствие
• при резком повороте рулевого колеса на большой скорости
• при неравномерном расположении груза в кузове автомобиля или его перемещении на повороте

Чтобы избежать опрокидывания, нужно на опасных участках дороги снизить скорость, плавно повернуть рулевое колесо, плавно тормозить, равномерно разместить и хорошо закрепить груз в кузове автомобиля.

Динамика поворота. Силы, действующие на управляемые колеса

Рассмотрим случай, когда ведущими являются колеса задней оси. Касательная сила тяги задних колес передается на остов автомобиля в виде равнодействующейР_к, направленной вперед вдоль оси машины (рис.10).

Рис.10. Схема сил, действующих на управляемые колеса заднеприводного автомобиля.

Эта сила передается на передний мост и передние колеса. В пятне контакта передних колес с дорогой возникают реакции. Равнодействующая этих реакций R_кравна толкающей силеР_к.

Составляющая Р_fтолкающей силыР_кзатрачивается на преодоление силы сопротивления качению колес. СилаР_fзависит от угла поворота колесα. Из рис. 10 видно, что при одинаковой толкающей силеР_ксоставляющаяР_f (Р_f=Р_к · cosα) меньше при более крутом повороте.

Известно, что сила сопротивления качению колеса, повернутого под углом к направлению движения, повышается с увеличением угла его поворота, а активная сила Р_f, толкающая колесо, уменьшается. Следовательно, баланс сил и скорость поступательного движения колеса можно сохранить на повороте (оставив её такой же, как при прямолинейном движении) только за счет увеличения касательной силы тягиР_кна ведущих колесах, то есть путем повышения момента двигателя без перехода на пониженную передачу.

Поворот возможен только в том случае, когда сцепление управляемых колес с почвой больше толкающего усилия:

G₁φ > Р_к,

где G₁— вертикальная нагрузка, действующая на управляемые колеса;

φ— коэффициент сцепления колес с опорной поверхностью дороги.

Учитывая, что Р_к =Р_f/cosα(рис.8), можно записать:

φ > Р_f/ G₁cosα или:

φcosα >f , (2)

где f– коэффициент сопротивления качению колеса.

Из этого выражения видно, что поворот автомобиля может быть осуществлен только в том случае, если коэффициент сопротивления качению меньше произведению коэффициента сцепления на косинус угла поворота колес. Если сцепление колес с дорогой плохое и величина f больше этого произведения, то управляемые колеса будут двигаться юзом и поворот не может быть реализован, машина теряет управляемость. На скользкой дороге коэффициентыφиfблизки между собой, вследствие чего управляемость автомобиля снижается.

Ведущие колеса – передние управляемые.В этом случае поворачивающий момент в тяговом режиме работы создается силами тяги передних управляемых колес (рис.11).

Условие осуществления поворота автомобиля с передними ведущими колесами (по аналогии с рассмотренным выше случаем) будет иметь вид:

G₁φ > Р_к .

Разделив обе части неравенства на силу тяжести, приходящуюся на переднюю ось, получим:

φ > Р_к /G₁илиφ > f.

Если сопоставить это выражение с неравенством (2), то можно сделать вывод, что устойчивость по сцеплению с дорогой автомобиля с передними ведущими колесами в сравнении с автомобилем, имеющим задние ведущие колеса, выше и не зависит от радиуса (угла) поворота. У переднеприводного автомобиля не нарушается на повороте баланс сил толкающей силы Р_ки сопротивления качениюР_f, как это имеет место у заднеприводного автомобиля. Заметим, что эти примеры рассмотрены без учета инерционных сил. Влияние этих сил на управляемость автомобиля будет отрицательным в обоих случаях.

Рис.11. Схема сил, действующих на управляемые колеса переднеприводного автомобиля.

Из рис.10 видно, что движение заднеприводной машины характеризуется толкающим режимом работы задней оси по отношению к передней. Для переднеприводного автомобиля (рис.11) тянущий режим обеспечивается передней осью. Из теории регулирования известно, что тянущие системы более устойчивы.