Teoria ruchu samochodu.doc

TEORIA RUCHU POJAZDÓW

Teoria ruchu samochodu jest działem mechaniki stosowanej. Objaśnia ona pojęcia i określa prawa charakteryzujące istotę i właściwości przemieszczania pojazdów samochodowych o napędzie własnym i ciągnionych.

Znajomość teorii ruchu samochodu, określanej często jako mechanika ruchu samochodu, umożliwia analizowanie współzależnych czynników rządzących ruchem samochodu i formułowanie zasad oraz wniosków wykorzystywanych w budowie i eksploatacji pojazdów samochodowych. Przydatność teorii ruchu samochodu polega przede wszystkim na udostępnianiu metod badania i charakteryzowania najważniejszych cech pojazdów, jak:

- właściwości ruchowe pojazdu,

- stateczność ruchu pojazdu,

- bezpieczeństwo ruchu pojazdu,

- właściwości ekonomiczne pojazdu.

Właściwości ruchowe pojazdu to jego zachowanie się podczas jazdy w rozmaitych warunkach drogowych i atmosferycznych. Własności te ustalone są na podstawie analizy sił występujących podczas ruchu pojazdu. Wyraża się je takimi parametrami jak szybkość ruchu, zdolność pokonywania wzniesień lub uzyskiwania przyspieszeń. Parametry te zależą bezpośrednio od budowy i wyposażenia pojazdu.

Stateczność ruchu pojazdu to zdolność pojazdu do zachowania nadanego mu kierunku ruchu podczas zakręcania i jazdy prostoliniowej. Zawarte są tu m.in. problemy prawidłowego prowadzenia samochodu, zdolność pojazdu do trzymania się drogi oraz sterowności i zwrotności pojazdu. Tego rodzaju własności pojazdu zależą przede wszystkim od jego konstrukcji.

Bezpieczeństwo ruchu pojazdu rozumiane jest jako zasady uczestniczenia w ruchu samochodowym, w różnych warunkach drogowych, ograniczające do minimum zagrożenia bezpieczeństwa jazdy w każdej sytuacji na jezdni. Dotyczy to m.in. ustalania licznych wymagań i przepisów zwiększających bezpieczeństwo ruchu samochodowego.

Właściwości ekonomiczne pojazdu to przede wszystkim zużycie paliwa w określonych warunkach drogowych. Ustalane jest ono na podstawie charakterystyki silnika w powiązaniu z parametrami charakterystycznymi całego pojazdu.

Ruch samochodu zapewniany jest przez układ napędowy i źródło energii – silnik. Do napędu samochodu stosowane były wszystkie rodzaje silników, jakie znane są w historii techniki: parowe, elektryczne, spalinowe i turbiny gazowe. Z biegiem lat silnik spalinowy wyparł całkowicie inne rodzaje silników i w obecnie produkowanych samochodach silnik ten stosowany jest powszechnie. Jednakże tłokowy silnik spalinowy zastosowany do napędu samochodu wykazuje liczne niedoskonałości, co jest m.in. powodem ciągłych badań i prób nad zastosowaniem do napędu samochodu innych rodzajów silników (np. w przedstawionym w 1992 r. prototypowym Volvo ECC zastosowano turbinę gazową).

Przeprowadzimy porównanie przydatności różnych rodzajów silników do napędu samochodu.

Właściwości układów napędowych i silników często wygodnie jest przedstawić przy pomocy charakterystyk, czyli wykresów ilustrujących interesujące nas zależności.

Rys.1. Charakterystyka zapotrzebowania mocy dla pojazdu

1.            maksymalne wzniesienie (przyspieszenie)

2.            ruch po drodze poziomej

3.            maksymalny spadek

Charakterystyka zapotrzebowania mocy dla pojazdu samochodowego jest pewnym polem. Na osi odciętych odkładana jest prędkość jazdy, wybierana dowolnie, aż do vmax . Na osi rzędnych – moc na kołach pojazdu NK, wynikająca z pokonywania oporów ruchu na drodze poziomej przy wyjeżdżaniu na wzniesienie lub zjeżdżaniu ze wzniesienia oraz przy przyspieszaniu (względnie hamowaniu).

Jeśli zatem kierowca jadąc samochodem wybiera punkty leżące w polu charakterystyki zapotrzebowania, to układ napędowy powinien spełniać stawiane mu w ten sposób wymagania, czyli powinien dysponować tzw. charakterystyką podaży mocy.

Rys. 2. Charakterystyka podaży mocy

Pole charakterystyki podaży mocy układu napędowego pojazdu jest ograniczone przez:

1.       Maksymalna prędkość pojazdu lub graniczna prędkość obrotowa silnika.

2.       Maksymalna moc napędu dostarczana przy danej prędkości jazdy. Gdy przebieg mocy jest idealny to NK = const.

3.       Granica przyczepności. Przy małych prędkościach jazdy wymaganie stałej mocy spowodowałoby wzrost siły napędowej do nieskończoności. Wtedy siła przyczepności między kołami a jezdnią nie byłaby w stanie przenieść siły napędowej i staje się ograniczeniem pola podaży. Granice dla obszaru napędu i hamowania mogą być różne.

Porównanie różnych układów napędowych przeprowadzimy na podstawie charakterystyk pełnego obciążenia, dających jednakowe prędkości maksymalne.

Rys. 3. Porównanie układów napędowych

2

1

3

Na wykresie zależności mocy od prędkości jazdy nanosimy granice idealnego pola podaży. Następnie charakterystykę pełnego obciążenia lokomotywy parowej       i   samochodowego silnika prądu stałego      . Jak widać z wykresu charakterystyki te są podobne do idealnej charakterystyki podaży. Zatem nie jest tu potrzebny rozbudowany układ napędowy, najwyżej przekładnia główna. Nanosząc na wykres charakterystykę silnika spalinowego

4

można zauważyć, że nie spełnia ona wymagań napędu samochodu. Konieczne jest zatem stosowanie tu układu napędowego zawierającego elementy dopasowujące charakterystykę silnika spalinowego do wymagań napędu samochodu (np. sprzęgło, skrzynia przekładniowa, powiedzmy 4-biegowa       ). Wtedy można stwierdzić, że charakterystyki wszystkich tych układów napędowych prawie pokrywają się z polem zapotrzebowania. Ponadto napęd elektryczny pozwala uzyskiwać duże krótkotrwałe przyspieszenia.

Dlaczego jednak stosowany jest silnik spalinowy ?

Porównując masy różnych układów napędowych, rozumiane jako suma mas silnika, ewentualnego układu napędowego i zasobnika energii, stwierdzić można, że jednostkowe masy silników spalinowych i elektrycznych są podobne i osiągają wartości  2¸5 kg/kW. Natomiast znacznie korzystniejsze są masy turbin gazowych  0,5¸3 kg/kW.

Analizując masę jednostkową zasobników energii stwierdza się, że dla akumulatorów ołowiowych jest 300¸500 razy większa niż dla paliwa płynnego w zbiorniku. Ponieważ sprawność silników elektrycznych jest średnio około 3 razy większa niż silników spalinowych, to stosunek ten obniża się, ale wciąż wynosi 100¸170 na niekorzyść napędów elektrycznych. Wynika z tego, że samochód zasilany z akumulatorów, ze względu na masę, nie może być pojazdem przeznaczonym do pokonywania długich tras.

Charakterystyki silników spalinowych

Do oceny silnika stosowanego do napędu samochodu szczególnie przydatne są wszystkie charakterystyki podające cechy eksploatacyjne tego silnika w funkcji prędkości kątowej wału napędowego, w przypadku silnika tłokowego – w funkcji prędkości kątowej wału korbowego. Charakterystyki te noszą ogólną nazwę charakterystyk prędkościowych.

Eksploatacyjna charakterystyka prędkościowa przedstawia zależność od prędkości kątowej wału korbowego następujących wielkości: mocy użytecznej N, momentu obrotowego M., średniego ciśnienia użytecznego pc, zużycia paliwa G i jednostkowego zużycia paliwa gc . Charakterystykę tę sporządza się najczęściej drogą pomiarów na hamowni silnikowej w warunkach ustalonych. Urządzenie zasilające i zapłonowe silnika są wyregulowane tak, jak podczas normalnej eksploatacji silnika, zaś przepustnica otwarta całkowicie.

Rys. 4. Charakterystyka eksploatacyjna silnika samochodu

Charakterystyka zewnętrzna lub charakterystyka pełnej mocy wykonywana jest w ten sposób, że dla każdej prędkości kątowej uzyskuje się maksymalną moc przez najkorzystniejszy dobór regulacji zasilania i zapłonu.

Na charakterystyce zewnętrznej silnika osi odciętych można wyodrębnić następujące punkty charakterystyczne:

wo – najmniejsza praktyczna prędkość kątowa silnika w czasie jego pracy z obciążeniem zewnętrznym

wm. – prędkość kątowa silnika przy której moment obrotowy osiąga swoją największą możliwą wartość

wg – prędkość kątowa silnika, przy której występuje najniższe możliwe jednostkowe zużycie paliwa (0,65-0,75) wmax.

wn – prędkość kątowa silnika, przy której moc użyteczna uzyskuje swoją największą możliwą wartość

wmax – największa prędkość kątowa silnika, przy której może pracować bez zakłóceń.

Należy jeszcze wspomnieć o prędkości kątowej biegu jałowego silnika wj najmniejszej, przy której może on się obracać bez obciążenia zewnętrznego przy zamkniętej przepustnicy. Prędkość ta jest nieco mniejsza od wo.

Rys.5a. Granica dymienia

Rys.5b. Charakterystyka eksploatacyjna silnika zaopatrzonego w regulator obrotów

Przedstawiona powyżej charakterystyka jest typowa dla silników gaźnikowych. W silnikach o zapłonie samoczynnym krzywe N i M. mają przebieg bardziej płaski, co jest związane z właściwościami pomp wtryskowych. Dlatego krzywa N = f(w) zwykle nie osiąga swego maksimum w zakresie użytecznych prędkości kątowych silnika. Decydująca jest tu tzw. charakterystyka dymienia.

Punkt przecięcia charakterystyki eksploatacyjnej z charakterystyką granicy dymienia wyznacza maksymalną moc eksploatacyjną silnika. Jeżeli silnik wyposażony jest w regulator prędkości obrotowej to wtedy charakterystyka eksploatacyjna ma przebieg następujący.

Metody sporządzania charakterystyk

Wyróżnia się następujące metody sporządzania charakterystyk silnika:

1.   stanowiskowe

2.   obliczeniowe

3.   obliczeniowo-wykreślne.

Metody stanowiskowe polegają na dokonywaniu pomiarów momentu obrotowego i zużycia paliwa silnika pracującego na hamowni silnikowej. Pomiarów dokonuje się dla wielu wartości prędkości kątowej wału korbowego, zachowując właściwe warunki pomiaru. Na podstawie zmierzonych wartości oblicza się pozostałe parametry silnika i wykreśla charakterystyki.

M[Nm.] w [rad/s]

Vs[m3], M[Nm]

Zagadnienie to państwo poznają dokładnie w ramach przedmiotu „Silniki spalinowe”.

Metody obliczeniowe polegają na wyrażeniu zależności funkcyjnej za pomocą przybliżonego wzoru empirycznego.

Dostatecznie dokładnym przybliżeniem jest założenie, że krzywe przebiegu momentu jest wyrażona jako parabola drugiego stopnia. Krzywe przebiegu mocy Ns = f(u) będzie wtedy parabolą trzeciego stopnia.

Dane katalogowe samochodu zawierają najczęściej moc maksymalną przy odpowiadających jej obrotach – Nemax/Mn, moment maksymalny także przy odpowiadających mu obrotach – M.max/NM

Przyjmujemy zatem, że znamy wierzchołki szukanych paraboli zaś ze wzoru

             [kW]

obliczamy odpowiednio po jednym punkcie, należącym do paraboli (Mn,Nm).

1.     Moc określamy ze wzoru Ledermana (w punktach n)

gdzie współczynnik dla silników

ZI                             A1=A2=1

ZS                            A1=0,5              A2=1,5              -wtrysk bezpośredni

ZS                            A1=0,6              A2=1,4              -komora wstępna

ZS                            A1=0,7              A2=1,3              -komora wirowa

a następnie moment ze wzoru M = [Nm] = 9550 N/n

2.  Moment obrotowy obliczamy ze wzoru o postaci (wzór Hahna)

Równanie to można przekształcić do postaci wygodniejszej przy obliczeniach tradycyjnych

wyznaczając współczynnik równania kwadratowego. Będą tu miały postać

              a następnie moc ze wzoru              

Na podstawie obliczonych wartości M.e i Ne wykreśla się charakterystyką.

Metody obliczeniowo-wykreślne polegają na wykorzystaniu geometrycznych właściwości krzywych M.e, Ne charakterystyki. Z danych katalogowych znane są Nmax i Mmax oraz odpowiednie wartości prędkości. Pozostałe punkty charakterystyczne NM i MN oblicz się jak w poprzedniej metodzie. Dodatkowo można przyjąć (za Mitschke) wartości: