V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Силы, действующие на автомобиль
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Нашу современную жизнь трудно представить без автомобиля. Нет такой профессии на Земле, представитель которой не нуждался бы в автомобиле. На автомобиле или на автобусе мы добираемся до места назначения. Когда выходишь из дома, то почти сразу мы видим автомобиль.
Первый автотранспорт был изобретен много лет назад. Он восхищал своей эксклюзивностью и новаторством. Сейчас в мире представлены тысячи различных моделей машин, которые рассчитаны на разных потребителей. Но часто ли водители задумываются над следующими вопросами.
Каковы причины движения автомобиля? Какие силы действуют на автомобиль?
В нашей работе мы попытаемся ответить на это вопросы, используя специальную литературу. Рассмотрим какие внешние силы действуют на автомобиль во время движения по прямой и наклонной поверхности. Определим какие силы препятствуют, а какие способствуют движению автомобиля. Отдельное внимание уделим процессу торможения, так как с помощью тормозов можно не только остановить и удержать машину на месте, но и преодолеть скользкий участок, опасный поворот, развернуться и даже перескочить неширокую канаву или выбоину.
Силы, действующие на автомобиль
Автомобиль, преодолевающий подъем, одновременно движется вверх и вперед. В общем случае на подъеме при ускоренном перемещении автомобиля на него действуют силы, движущие его, силы оказывающие сопротивление движению автомобиля, и силы, составляющие нормальные реакции дороги на передние Zп и задние Zз колеса, вызванные перпендикулярной плоскости дороги составляющей силы тяжести автомобиля.
Покрышка соприкасается с дорогой бесконечно большим числом точек. В каждой из этих точек на покрышку действует бесконечно малая сила - элементарная реакция дороги. Равнодействующую элементарных сил, которая действует со стороны дороги на колесо в области контакта, называют реакцией дороги.
Силы, движущие автомобиль, возникают в результате взаимодействия ведущих колес автомобиля с дорогой и называются силами тяги Fт (рис. 1).
К силам, оказывающим сопротивление движению автомобиля, относятся силы сопротивления качению передних Рск.п. и задних Рск.з. колес, действующие в плоскости дороги; сила сопротивления подъему Рсп, сила сопротивления воздуха Fсв, сила инерции Fи , приложенная к центру масс ЦМ автомобиля и называемая силой сопротивления разгону.
Силы Zп и Zз составляют нормальные реакции дороги на передние и задние колеса соответственно. Они вызваны перпендикулярной плоскости дороги, составляющей GN силы тяжести G автомобиля с полной нагрузкой.
Рис.1
Рис.1
Рис.1. Внешние силы, действующие на автомобиль во время движения: ЦМ- центр масс; G - Сила тяжести автомобиля с полной нагрузкой;
GN - составляющая силы тяжести, перпендикулярная плоскости дороги; Рсп_ сила сопротивления подъему; Рск.п , Рск.з - сила сопротивления качению передних и задних колес; Fсв - сила сопротивления воздуха; Fт - сила тяги; Fи - сила инерции; a - угол, характеризующий крутизну подъема; Н- превышение дороги; S- заложение дороги; Zn, Zз- нормальные реакции дороги на передние и задние колеса.
Сила сопротивления качению
Сила сопротивления качениюРск постоянно мешает движению и представляет собой целую совокупность сил. Это силы, деформирующие и перемещающие грунт; деформирующие шины; силы трения колес о колею; силы, образующиеся при преодолении выбоин, и т. п.
Принято считать, что:
Рск = f·G,
где: Рск - сила сопротивления качению;
f = 0,015 - 0,3 - коэффициент сопротивления качению, учитывающий состояние дороги, давление в шинах и пр.;
G - сила тяжести автомобиля.
Сила сопротивления качению Рск составляет подобающую долю от силы тяжести автомобиля.
Сила сопротивления подъему
Сила сопротивления подъемуРсп - Крутизну подъема охарактеризовывают углом в градусах (см. рис. 1) или же уклоном дороги i, который представляет собой отношение превышения Н дороги к заложению S, т. е. Силу тяжести G автомобиля, преодолевающего подъем, можно разложить на две составляющие: на силу Рсп, параллельную дороге, и силу Gn=G-cosα, перпендикулярную ей.
Силу Рсп= G-sinα, называют силой сопротивления подъему, где
Также силу сопротивления подъему выражают формулой
При перемещении на спуске сила Рсп ориентирована в сторону перемещения автомобиля и, следовательно, меняет свой знак (рис. 1, в) и, в отличие от силы сопротивления качению, может стать и движущей. Вследствие этого угол а и уклон дороги i считают положительными при перемещении автомобиля на подъеме и отрицательными при его перемещении на спуске.
При перемещении автомобиля на подъеме силу Рсп можно объединить с Рск, а поскольку обе эти силы пропорциональны силе тяжести автомобиля, то:
При перемещении автомобиля под уклон
Сила сопротивления воздуха (аэродинамическое сопротивление)
Сила сопротивления воздуха Fсв- данная сила считается следствием давления встречных частиц воздуха на движущийся автомобиль, разрежения, образующегося позади автомобиля, завихрения воздуха вокруг автомобиля и трения воздуха о поверхность автомобиля. В каждой точке поверхности автомобиля в итоге соприкосновения его с воздушной средой появляются элементарные силы, нормальные к поверхности и касательные к ней. Для упрощения расчетов элементарные силы сопротивления воздуха, распределенные по всей поверхности автомобиля, заменяют сосредоточенной силой сопротивления воздуха FCB. Опытным путем установлено, что сила сопротивления воздуха равна
kв — коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы и качества отделки поверхности автомобиля 0,20 - 0,30H·m4;
Sл — лобовая площадь автомобиля;
V — скорость движения автомобиля.
Из формулы видно, что сопротивление воздуха находится в зависимости от скорости автомобиля, его обтекаемости, величины площади поперечного сечения, плотности воздуха. Существенное значение Fсв приобретает только при высоких скоростях, так как зависит от квадрата скорости.
Сила, разгоняющая автомобиль.
Для автомобиля характерным считается неравномерное движение. Показателями разгона являются ускорение, время и путь разгона. В общем случае перемещения автомобиля сила тяги Fт уравновешивается силами сопротивления перемещения:
При разгоне автомобиля, т. е. при перемещении автомобиля с ускорением а, появляется сила инерции Fи автомобиля, противодействующая разгону, равная
где m - масса автомобиля;
а - ускорение автомобиля.
Влияние инерционного момента вращающихся масс учитывается коэффициентом относительного увеличения массы автомобиля, предусматривающим воздействие вращающихся масс, показывающим, во сколько раз сила, необходимая для ускорения автомобиля, больше силы инерции его поступательно движущейся массы.
В соответствии с этим общая сила сопротивления разгону
Величина ≈1,05 + 0,05·nкп,
nкп - передаточное число коробки передач, на которой производится разгон.
Мощность, которая имеется для обеспечения ускорения, представляет собой разность между мощностью, требующейся при данных условиях для преодоления сопротивления движения, и мощностью, подводимой к ведущим колесам.
Мощность, важная для перемещения автомобиля с ускорением
V — скорость автомобиля.
Из приведенной формулы видно, что чем автомобиль легче, тем большее ускорение получится развить при схожей мощности мотора.
В случае если автомобиль движется без разгона (Fp = 0 и Fи = 0), вся сила тяги тратится на преодоление сил сопротивления, и равна:
В случае, когда автомобиль замедляет ход, сила тяги становится меньше суммарной величины сил, препятствующих перемещению.
Сила тяги автомобиля.
Энергия от мотора к ведущим колесам передается через трансмиссию: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. Благодаря наличию в трансмиссии коробки передач и главной передачи, суммарный крутящий момент Мкр на ведущих колесах автомобиля больше момента мотора Мдв.
Крутящий момент Мкр вызывает в месте контакта колеса с дорогой касательную реакцию дороги, движущую автомобиль, т. е. силу тяги. На теоретическом уровне ведущее колесо взаимодействует с дорогой в одной точке (практически же - в «пятне контакта»). Активной в этой точке является сила, с которой колесо «толкает» дорогу. Вот тут-то и появляется ответная (реактивная) сила FT реакции дороги, которая «толкает» машину. Величина силы тяги равна отношению крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес, т. е., Мкр -крутящий момент на колесе,
R - статический радиус колеса.
Таким образом, для определения силы тяги необходимо знать радиус R ведущего колеса и момент Мкр. Так как на колеса автомобиля установлены эластичные пневматические шины, то радиус колеса во время движения изменяется под влиянием действующих на колесо сил. Различают статический радиус колеса ( расстояние от поверхности дороги до оси неподвижного колеса, значение которого приводится в технической характеристике шины), динамический радиус колеса (расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса) и радиус качения колеса (радиус условно недеформирующегося кольца, имеющего с данным эластичным колесом схожую угловую и линейную скорости). Для простоты расчетов силы тяги считают радиус колеса постоянным и равным статическому радиусу колеса.
Сила сцепления шины с дорогой
Сила сцепления покрышки с дорогой Рсц. Для того чтобы автомобиль имел возможность стабильно ехать, тормозить и поворачивать, необходимо надежное сцепление покрышек с дорогой. Сила сцепления Рсц находится в зависимости от сцепного веса автомобиля и скорости перемещения автомобиля, а также от состояния дороги и покрышек: где:
Gсц — сцепной вес автомобиля,
ᵠсц — коэффициент
Коэффициент сцепления покрышек с дорогой определяет проходимость автомобиля при перемещении по влажному грунту и по скользкой дороге.
Сцепной вес автомобиля возможно, увеличить, увеличивая количество ведущих колес или смещая центр тяжести в сторону ведущего моста.
От сцепления колес с дорогой зависят максимально вероятные силы тяги и торможения, а также боковая устойчивость автомобиля.
Если сила тяги приложенная к колёсам превышает силу сцепления, то при попытке тронуться с места ведущие колеса автомобиля пробуксовывают. Если тормозная сила колеса больше силы сцепления, колесо блокируется. И в том и в ином случаях возникает юз - проскальзывание колеса относительно опоры. Юз наступает тогда, когда скорость точки касания колеса с дорогой не равна нулю относительно дороги. В случае если эта точка неподвижна относительно дороги, колесо не будет проскальзывать до тех пор, пока действующие на него в точке касания силы не превысят силы трения покоя.
Автомобиль движется благодаря наличию силы трения покоя. Ведь, если бы этого трения не было, колеса всегда проскальзывали бы относительно опоры, т. е. прокручивались бы при попытке разогнать автомобиль и блокировались бы при попытке его остановить. И если на льду колесо буксует или скользит, это означает, что соответственно силы тяги или торможения превышают силу трения (Рсц применительно к автомобилям). Очевидно, что условием движения автомобиля без юза являются соотношения:
FT < Рсц - для движения под действием силы тяги;
Рторм < Рсц - для движения под действием тормозной силы.
При полной загрузке автомобиля положение улучшается, зато при уменьшении значения коэффициента сцепления ᵠсц, а оно может уменьшиться в 10 раз (например, в гололед), максимально допустимая сила тяги также уменьшается в 10 раз. Значение коэффициента сцепления зависит прежде всего от типа и состояния дороги, рисунка и степени износа протектора покрышек, давления в шинах и скорости вращения колес. При управлении автомобилем следует учитывать все эти факторы.
Торможение.
Торможение это процесс, во время которого кинетическая энергия движущегося автомобиля в результате трения преобразуется в теплоту и рассеивается в окружающем пространстве. Трение создается тормозными механизмами, установленными на каждом колесе.
Во время торможения на колесо одновременно происходят два взаимо-связанных явления: во-первых, в результате работы тормозного механизма создается тормозной момент Мт, который препятствует вращению колеса; во-вторых, в результате взаимодействия покрышки с дорогой возникает момент сцепления Мсц, стремящийся поддержать вращение колеса.
При торможении элементарные силы трения, возникающие в паре трения «колодки — тормозной барабан », создают момент трения Мт, направленный в сторону, противоположную вращению колеса, а между колесом и дорогой возникает тормозная сила Рторм -
При полном торможении колесо блокируется и происходит рассеивание энергии в месте контакта покрышки с дорогой. В случае экстренного торможения на горизонтальной дороге, движущей силой является сила инерции автомобиля, а основной силой сопротивления движению является суммарная тормозная сила всех колес.
При рабочем торможении колесо вращается, а энергия рассеивается в тормозном механизме.
При идеальном торможении вся энергия движения автомобиля (mV2/2) превращается в тепло. Максимально возможное при торможении замедление:
g — ускорение свободного падения.
Но это лишь теоретически возможное замедление. Реально же значение замедления а меньше по многим причинам.
Во время экстренного торможения тормозной путь окажется равен:
V — скорость автомобиля, измеряемая в м/с, в момент начала торможения;
а — максимально возможное замедление автомобиля при торможении.
Формулы наглядно демонстрируют, что, если в результате изменения дорожных или погодных условий значение ᵠсц упало, во столько же раз снижаются максимально возможные сила торможения и замедление автомобиля.
Длина тормозного пути прямопропорциональна квадрату скорости автомобиля в момент начала торможения.
Из практики известно, что юз задних колес наступает чаще юза передних так как при торможении у автомобиля опускается передняя часть.
Это объясняется тем, что при торможении автомобиля сила инерции FH, которая приложена к ЦМ, действуя на плече Н (рис. 2, б), и тормозные силы Рторм, лежащие в плоскости дороги, образуют относительно ЦМ тормозной момент Мторм, который вызывает перераспределение нормальных нагрузок между передним и задним мостами. При этом нагрузка на передние колеса увеличивается, а на задние уменьшается. Поэтому нормальные реакции Zп и Zз, действующие соответственно на передние и задние колеса автомобиля во время торможения, значительно отличаются от нагрузок Gп и Gз, которые они воспринимают в статическом состоянии
Во время резкого торможения автомобиля реакция на переднюю ось у легковых автомобилей может возрасти в 1,5 - 2 раза, а на заднюю ось уменьшиться в 0,5 - 0,7 раза.
Степень распределения суммарной нагрузки по осям при торможении зависит от высоты расположения центра масс и от расстояния между осями. С уменьшением нагрузки на заднюю ось допустимые тормозные усилия на задних колесах уменьшаются, а на передних - увеличиваются; следовательно, при торможении задние колеса более склонны к юзу.
Рис.2
Рис.2. Силы, действующие на автомобиль при торможении и остановке: ЦМ - центр масс; Н - расстояние между ЦМ и плоскостью дороги; Рторм - тормозная сила; Мторм - тормозной момент; G - вес автомобиля;Gсц - сцепной вес автомобиля
Рис.3
Рис.3. Силы сцепления колеса с дорогой, действующие в пятне контакта колеса: Fт -сила тяги; F́т- сила тяги при интенсивном разгоне; Рторм -сила торможения;
Р́торм - сила торможения при интенсивном замедлении; Р́бок.сц. - поперечная сила сцепления при интенсивном разгоне или торможении; Рбок.сц. - поперечная сила сцепления; Рсц - сила сцепления.
В процессе торможения реакция на передние колеса увеличивается, а на задние уменьшается. Поэтому для полной реализации силы сцепления при экстренном торможении необходимо, чтобы тормозные силы были пропорциональны нормальным реакциям. Исходя из этого делают так, чтобы передние колеса тормозили настолько сильнее, насколько больше при торможении они прижимаются к дороге. Это позволяет при торможении получить наибольшую тормозную силу, поскольку сила сцепления каждого колеса пропорциональна приходящейся на него нагрузке.
Для того чтобы предотвратить блокировку задних колёс применяется регулирование давления в тормозном приводе, которое обеспечивает ограничение роста давления в тормозных механизмах задних колес при уменьшении реакции на задние колеса автомобиля. Клапан регулятора давления перекрывает подвод жидкости к тормозным механизмам задних колес в случае, когда давление в ее тормозном контуре возрастает до предельного, угрожающего блокировкой колес. Более совершенные антиблокировочные системы с электронными датчиками скорости вращения колес предотвращают блокировку колес при любых значениях коэффициента сцепления.
Заключение
В настоящей работе были рассмотрены силы, действующие на автомобиль. К ним относятся:
Сила сопротивления качению, которая всегда препятствует движению и возникает вследствие деформации шин и поверхности дороги;
Сила сопротивления подъему может быть направлена как в сторону движения, так и против него. В процессе подъема она действует в направлении, противоположном движению, и является силой сопротивления движению. При спуске эта сила, направленная в сторону движения, становится движущей;
Сила сопротивления воздуха зависит от коэффициента сопротивления воздуха, лобовой площади и скорости движения автомобиля;
Сила разгоняющая автомобиль, которая зависит от ускорения, времени и пути разгона;
Сила тяги автомобиля возникает при передачи крутящего момента с двигателя на колеса и для её определения необходимо знать радиус ведущего колеса;
Сила сцепления шины с дорогой зависит от сцепного веса автомобиля и скорости движения, она нужна для того, чтобы автомобиль мог устойчиво двигаться, тормозить и поворачивать.
Эти силы, действующие на автомобиль во время движения, влияют на изменения показателей эффективности работы автомобиля. К этим показателям можно отнести скоростные свойства автомобиля, топливная экономичность, износ деталей автомобиля, аэродинамические свойства.
Учет этих показателей позволит повысить эффективность использования автомобильного транспорта, и сократить число дорожно-транспортных происшествий.
Литература
Ваганов В.И. Вождение автотранспортных средств / Ваганов В.И., Рывкин А.А. - М.:Транспорт, 1990 – 224 с.
Горбачев М.Г. Безопасное вождение современного автомобиля / Горбачев М.Г. – м.: Рипол Классик, 2007 - 232
Калисский В.С. Автомобиль: Учебник водителя третьего класса / Калиссий В.С., Манзон А.И., Нагула Г.Е. – 5-е изд.,стереотип. – М.: Транспорт, 1980. – 368 с.
Николенко В.В. Вождение автомобиля. Практическое пособие / Николенко В.В. – 1991 - 62 с.
Тимовский А.А. Основы управления автомобилем и безопасность дорожного движения / Тимовский А.А., Нестеренко В.Б. – Арий, - 2009, 146 с.
Шухман Ю.И. Основы управления автомобилем и безопасность движения / Шухман Ю.И. – м,: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2006.-160 с.
Интернет-источники
https://www.nkj.ru/archive/articles/9606/ (Наука и жизнь, О ТОРМОЗАХ И ТОРМОЖЕНИИ)
https://www.auto.sumy.ua/autofirm/advance/1
http://ustroistvo-avtomobilya.ru/teoriya/sily-dejstvuyushhie-na-avtomobil-pri-dvizhenii/
http://www.znaypdd.ru/forces.php