Исследование функциональной зависимости коэффициента трения качения от мощности двигателя электромобиля и напряжения батарей

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель
  • Главная
  • Список секций
  • Физика
  • Исследование функциональной зависимости коэффициента трения качения от мощности двигателя электромобиля и напряжения батарей

Исследование функциональной зависимости коэффициента трения качения от мощности двигателя электромобиля и напряжения батарей

Пантелеев А.А. 1
1РГСУ г. Пятигорск
Власов В.И. 1
1РГСУ г. Пятигорск
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В современном мире появились электромобили. Данный вид транспорта отличается от машин с двигателем внутреннего сгорания тем, что он потребляет электроэнергию вместо бензина. Производители хотят, чтобы электромобили при большой скорости и дальности хода потребляли меньше энергии. Для этого нужно уменьшить силу трения качения, так как чем больше силу трения качения, тем больше потребление энергии.

Цель. Провести исследования функциональной зависимости коэффициента трения качения от мощности двигателя электромобиля и напряжения его батарей

Основная часть

Впервые понятие о коэффициенте трения ввёл Леонардо да Винчи (1508) [6].

Трение качения – это вид трения, который возникает при движении одного тела по поверхности другого тела, когда точки контакта двух тел не скользят друг по другу, а катятся. В отличие от трения скольжения, при котором точки контакта скользят друг по другу, трение качения происходит при качении одного тела по поверхности другого [4].

(1)

Трение качения обычно проявляется в повседневной жизни, например, при катании колес автомобиля по дороге или при катании шарика по столу. Трение качения также играет важную роль в машиностроении, где может быть как полезным, так и нежелательным в зависимости от конкретной ситуации [4]. Коэффициент трения качения (k) можно определить как отношение момента силы трения качения к силе, с которой тело прижимается к опоре [5].

(2)

Свойства трения качения

Трение качения имеет несколько основных свойств, которые важно учитывать при анализе и применении этого явления:

Зависимость от радиуса.

Сила трения качения пропорциональна радиусу тела, с которым происходит контакт. Чем больше радиус, тем больше сила трения качения. Это связано с тем, что при качении большего тела по поверхности контакта больше точек соприкосновения, что приводит к увеличению силы трения.

Зависимость от материала.

Сила трения качения также зависит от материала тела и поверхности, по которой оно катится. Разные материалы имеют разные коэффициенты трения, которые определяют силу трения качения. Например, металлические поверхности обычно имеют больший коэффициент трения, чем пластиковые или резиновые поверхности.

Зависимость от нагрузки.

Сила трения качения также зависит от величины нагрузки, которая действует на тело. Чем больше нагрузка, тем больше сила трения качения. Это связано с тем, что при увеличении нагрузки увеличивается сопротивление движению и, следовательно, сила трения.

Направление силы.

Сила трения качения всегда направлена противоположно направлению движения тела. Это означает, что она препятствует движению и вызывает замедление или остановку тела.

Учитывая эти свойства трения качения, можно более точно анализировать и предсказывать его влияние на движение тела и применять его в различных областях, таких как машиностроение и транспорт.

Преимущества трения качения:

1. Экономия энергии: трение качения обычно требует меньше энергии, чем трение скольжения. Это особенно важно в механизмах, где энергия является ограниченным ресурсом, например, в автомобилях или промышленных машинах.

2. Устойчивость: трение качения обеспечивает более стабильную работу механизмов и систем. В отличие от трения скольжения, которое может вызывать скачки и нестабильность, трение качения обычно более предсказуемо и контролируемо.

3. Износостойкость: трение качения может быть менее разрушительным для поверхностей, чем трение скольжения. Это связано с тем, что при качении поверхности соприкасаются на меньшей площади, что снижает износ и повреждения.

Недостатки трения качения:

1. Ограниченная точность: трение качения может вызывать небольшие погрешности и неточности в работе механизмов. Это особенно важно в высокоточных системах, где требуется высокая точность и низкие погрешности.

2. Ограниченная скорость: трение качения может ограничивать скорость работы механизмов. При высоких скоростях возникают дополнительные силы, такие как сопротивление воздуха, которые усиливают трение.

3. Потери энергии: хотя трение качения требует меньше энергии, чем трение скольжения, все же существуют потери энергии в виде тепла. Это может быть нежелательным в некоторых приложениях, где энергия должна быть максимально эффективно использована.

В целом, трение качения имеет свои преимущества и недостатки, и выбор его использования зависит от конкретных требований и условий работы механизмов и систем.

Применение трения качения в автомобилестроение.

Трение качения широко применяется в машиностроении благодаря своим особым свойствам и преимуществам. Вот некоторые области, где трение качения играет важную роль:

Подшипники.

Одно из основных применений трения качения – это подшипники. Подшипники используются для поддержания вращающихся элементов в механизмах и обеспечивают плавное и эффективное движение. В подшипниках шарикового или роликового типа используется трение качения между шариками или роликами и внутренним и внешним кольцами. Это позволяет снизить трение и износ, увеличить эффективность и продолжительность работы механизмов.

Колеса и ролики.

Трение качения также широко применяется в колёсах и роликах, которые используются в различных механизмах и транспортных средствах. Колеса и ролики обеспечивают плавное движение и уменьшают сопротивление при передвижении. Примеры включают колеса автомобилей, вагонетки, конвейерные ленты.

Зубчатые передачи.

Трение качения также играет важную роль в зубчатых передачах. Зубчатые передачи используются для передачи механической энергии и движения между вращающимися элементами. Трение качения между зубьями зубчатых колес позволяет эффективно передавать момент и уменьшает износ зубьев.

Линейные направляющие.

Линейные направляющие используются для обеспечения прямолинейного движения в механизмах. Они могут быть оснащены подшипниками, которые используют трение качения для обеспечения плавного и точного движения. Линейные направляющие широко применяются в промышленных роботах, станках с ЧПУ, лазерных резаках и других механизмах, где требуется точное и надёжное перемещение.

Качающиеся подшипники.

Качающиеся подшипники, такие как сферические и цилиндрические подшипники, используют трение качения для компенсации осевых и радиальных нагрузок. Они позволяют вращающимся элементам механизма адаптироваться к неровностям поверхности и изменениям нагрузки, обеспечивая стабильное и надёжн0ое движение [4].

На рисунке 2 показаны силы, которые действуют на автомобиль.

 

Рисунок 2 - Направление сил, которые действуют на автомобиль

Известно соотношение сил, которые воздействуют на автомобиль при движении:

, где (3)
FТ-сила тяги двигателя;

Fтр-сила трения качения;

Fc-сила сопротивления воздуха;

Требуется найти чему равны эти силы

, где (4)

μ - коэффициент трения качения резина/асфальт (можно взять среднее значение для примера μ=0,02);

m - масса автомобиля (кг);

g – ускорение свободного падения (9,8 м/с²);

, где (5)

Cx – коэффициент сопротивления воздуха, для каждого авто он имеет свои значения;

S –площадь передней поверхности авто, перпендикулярной направлению скорости движения (м²);

ρ – плотность воздуха (1,29кг/м3 при нормальных условиях);

ν – скорость авто, (м/с).

Если подставить выражение 5 в выражение 4, то получается выражение:

(6)

В выражении 6 определяется сила, которая требуется автомобилю, чтобы сдвинуться с места. Для нахождения мощности двигателя известна формула для вычисления мощности:

(7)

Требуемая мощность зависит от скорости автомобиля. При подстановки формулы (6) в выражение (7) получается выражение:

(8)

Теперь для подбора двигателя, необходимо вычислить мощность.

Например, для авто VW Golf предлагается следующий порядок расчета мощности, которая требуется для разгона до 40, 60 и 90 км/ч, при значениях параметров: Cx = 0,34; S = 2.1 м²; m = 1300 кг; μ = 0,02; g = 9,8 м/с²; ρ = 1,29 кг/м3.

Мощность для 40 км/ч (11,11 м/с)

Для 60 км/ч (16,66 м/с)

Для 90 км/ч (25 м/с)

C увеличением скорости мощность растёт непропорционально, и нужно подбирать двигатель исходя из того с какой максимальной скоростью будет ехать автомобиль, если скорость не превысит 60 км/ч. Исходя из проведенных исследований, достаточно двигателя мощность 7 кВт с учётом его коэффициента полезного действия (КПД). На рисунке 3 представлен график зависимости мощности двигателя автомобиля от его скорости.
 

Рисунок 3 - График зависимости мощности двигателя автомобиля от его скорости

Используя формулу (8), можно найти мощность двигателя для автомобиля.

Как видно на графике, с увеличением скорости, растёт и требуемая мощность, значит, и будет расти потребление электроэнергии.

Чтобы найти необходимую ёмкость надо задать начальные условия; т.е. на скорости 60 км/ч необходимо проехать 100 км VW Golf, из расчётов видно что потребление энергии на скорости 60 км/ч составляет 6,4 кВт (7 кВт с учётом КПД двигателя), или, чтобы проехать 60 км нужна ёмкость 7 кВт×ч, а чтобы проехать 100 км нужно (100/60×7) ≈ 11,7 кВт×ч.

Если ёмкость батареи 10 кВт×ч и необходимо узнать, сколько сможет проехать автомобиль со скоростью 90 км/ч тогда (10/13,6×90) ≈ 67 км.

На рисунке 4 приведен график зависимости дальности поездки от скорости автомобиля VW Golf с ёмкостью 10 кВт×ч:

Рисунок 4 – График зависимости дальности поездки от скорости автомобиля

Заключение

Таким образом, из проведённого исследования функциональной зависимости коэффициента трения качения от мощности двигателя электромобиля и напряжения батарей можно сделать следующие вывод - использование свойств трения качения и напряжения электробатарей позволяет за минимальное время проехать максимальное расстояние с максимальной скоростью.

Исследование, так же, показало что для того чтобы проехать максимальное расстояние нужно ехать с оптимальной скоростью (не максимальной).

Для каждого водителя нужно индивидуально подбирать мощность батарей, в зависимости от того, какая задача стоит перед водителем.

В целом, исследование показывает насколько важно понимать функциональную зависимость скорости и пройденного расстояния от трения качения и напряжения батарей электромобиля. Дальнейшее изучение данной темы может привести новым открытиям в автомобилестроении.

Список использованных источников и литературы

  1. Болотин С.В., Кугушев Е.И., Трещев Д.В. [и др.] Теоретическая механика /. Москва: Издательский центр “Академия”, 2010. С. 432.

  2. Иванов А.П. Основы теории систем с трением. М.; Ижевск:: НИЦ РХД, 2011. С. 304.

  3. Полюшкин, Н.Г. Основы теории трения, износа и смазки: учеб. пособие / Н.Г. Полюшкин; Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2013– 192 с.

  4. https://nauchniestati.ru/spravka/treniya-kacheniya.

  5. http://ru.solverbook.com/spravochnik/koefficienty/koefficient-treniya/

  6. https://ru.wikipedia.org//wiki/Закон_Амонтона_-_Кулона..

Просмотров работы: 25