Какие силы действуют на автомобиль

Схема сил действующих на ведущее колесо

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

• тяговая сила
• сила сопротивления воздуха
• сила сопротивления качению

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Развиваемый двигателем автомобиля крутящий момент передается на ведущие колеса. В передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колесам участвуют механизмы трансмиссии. Крутящий момент на ведущих колесах зависит от крутящего момента двигателя и передаточных чисел коробки передач и главной передачи. В точке касания колес с поверхностью дороги крутящий момент вызывает окружную силу. Противодействие дороги этой окружной силе выражается реактивной силой, передаваемой от дороги на ведущее колесо. Эта сила направлена в сторону движения автомобиля и называется толкающей или тяговой силой. Тяговая сила от колес передается на ведущий мост и далее на раму, заставляя автомо­биль двигаться. Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки пере­дач и главной передачи. Тяговая сила на ведущих колесах дости­гает наибольшей величины при движении автомобиля на низшей передаче, поэтому низшую передачу используют при трогании с места автомобиля с грузом, при движении автомобиля по бездо­рожью. Величина тяговой силы на ведущих колесах автомобиля ограничивается сцеплением шин с поверхностью дороги.

Сила сцепления колес с дорогой

Трение, возника­ющее между ведущими колесами автомобиля и дорогой, называ­ется силой сцепления. Сила сцепления равна произведению коэф­фициента сцепления на сцепной вес, т. е. вес, приходящийся на ведущие колеса автомобиля. Величина коэффициента сцепления шин с дорогой зависит от качества и состояния дорожного покрытия, формы и состояния ри­сунка протектора ши­ны, давления воздуха в шине.

У легковых автомо­билей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. По­этому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Сила сопротивления воздуха

При движении автомо­биль преодолевает сопротивление воздуха, которое складывается из нескольких сопротивлений:

• лобового сопротивле­ния (около 55—60% всего сопротивления воздуха)
• создаваемого выступающими частями—подножками автобуса или автомобиля, крыльями (12—18%)
• возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10—15%) и др.

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Сила сопротивления качению

На каждое колесо ав­томобиля постоянно действует вертикальная нагрузка, которая вызывает вертикальную реакцию дороги. При движении автомобиля на него действует сила сопротивления качению, которая возникает вследствие деформации шин и дороги и трения шин о дорогу.

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

• для асфальтобетонного покрытия— 0,014—0,020
• для гравийного покрытия—0,02—0,025
• для песка—0,1—0,3

Сила сопротивления подъему

Автомобильная дорога состоит из чередующихся между собой подъемов и спусков и редко имеет горизонтальные участки большой длины.

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомо­биля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъе­му направлена в сторону движения и является движущей силой.

Сила сопротивления разгону

Часть тяговой силы при разгоне затрачивается на ускорение вращающихся масс, главным образом маховика коленчатого вала двигателя и колес автомобиля. Для того чтобы автомобиль начал двигаться с определенной ско­ростью, ему необходимо преодолеть силу сопротивления разгону, равную произведению массы автомобиля на ускорение. При разгоне автомобиля сила сопротивления разгону направлена в сторону, об­ратную движению. При торможении автомобиля и замедлении его движения эта сила направлена в сторону движения автомобиля. Бывают случаи, когда при резком разгоне груз или пассажиры падают из открытого кузова, с сидений мотоцикла, а при резком торможении пассажиры ударяются о лобовое стекло или о перед­ний борт автомобиля. Для того чтобы таких случаев не было, необ­ходимо, плавно увеличивая частоту вращения коленчатого вала двигателя, преодолевать силу сопротивления разгону и плавно осу­ществлять торможение автомобиля.

Центр тяжести

На автомобиль, как и на любое другое тело, действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Центром тяжести автомобиля называют такую точку автомобиля, от которой вес автомобиля распределяется равномерно во всех направлениях. У автомобиля центр тяжести располагается между передней и зад­ней осью на высоте около 0,6 м для легковых и 0,7—1,0 м для гру­зовых. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее авто­мобиль против опрокидывания. При загрузке автомобиля грузом центр тяжести поднимается у легковых автомобилей примерно на 0,3—0,4 м, а у грузовых на 0,5 м и более в зависимости от рода груза. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может также сместиться вперед, назад или в сторону, при этом будут на­рушаться устойчивость автомобиля и легкость управления.

1.2 Силы, действующие автомобиль при повороте

Процесс движения автомобиля на повороте включает в себя три фазы (рисунок 1.3, а): вход в поворот (участок АБ), поворот (БВ) и выход из него (ВГ).

При входе в поворот управляемые колеса двигавшегося прямолинейно автомобиля поворачиваются, и он движется по кривой уменьшающегося радиуса.

При повороте управляемые колеса повернуты на определенный угол, и движение происходит по кривой постоянного радиуса.

При выходе из поворота управляемые колеса возвращаются в нейтральное положение, и автомобиль движется по кривой увеличивающегося радиуса, а затем — прямолинейно.

Во время движения на повороте на автомобиль (рисунок 1.3, б) действуют следующие силы: центробежная р_ц и ее поперечная р_у и продольная р_х составляющие, а также поперечные реакции дороги: R_y1 — на передний и R_y2 — на задний мосты.

Основной действующей силой при повороте является поперечная составляющая р_у центробежной силы, которая направлена перпендикулярно продольной оси автомобиля и представляет собой сумму трех сил:

(5)

Сила P’_у всегда возникает при криволинейном движении. Она пропорциональна квадрату скорости и действует в процессе всего поворота. Сила P’’_у появляется в результате изменения угла поворота управляемых колес и действует при входе и выходе из поворота. Сила P’’’_у возникает вследствие изменения скорости движения и действует только при неравномерном движении на повороте. Из трех указанных составляющих наибольшее значение имеет сила P’_у, на долю которой приходится 90 % силы P_у. Поэтому для автомобилей общего назначения и специализированных автомобилей силами P’_у и P’’_у пренебрегают.

Рисунок 1.3. Поворот автомобиля:

а — фазы процесса попорота; б — силы, действующие при повороте;

А – Г — характерные точки траектории поворота автомобиля;

v₁, v₂ — векторы скоростей передних и задних колес

Их учитывают только для специальных автомобилей (пожарные, автомобили «скорой помощи» и др.), движущихся на поворотах с более высокими скоростями.

При равномерном движении на повороте поперечная составляющая центробежной силы

(6)

Она пропорциональна квадрату скорости движения, поэтому быстро возрастает при увеличении скорости.

Поперечные реакции дороги на передний и задний мосты при равномерном движении на повороте

(7,8)

Из этих выражений следует, что центробежные силы, действующие на передний и задний мосты, можно считать пропорциональными приходящемуся на них весу G₁, и G₂ [1] .

2 ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

2.1 Установка управляемых колес

На управляемость автомобиля оказывают влияние различные конструктивные и эксплуатационные факторы. К ним относятся установка и стабилизация управляемых колес, подвеска и шины, техническое состояние рулевого управления, блокировка колес при торможении, колебания управляемых колес, усилители рулевого управления, кузов автомобиля, квалификация водителя и др.

Для создания наименьшего сопротивления движению, уменьшения износа шин и снижения расхода топлива управляемые колеса должны катиться в вертикальных плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля. С этой целью управляемые колеса устанавливают на автомобиле с развалом в вертикальной и со схождением в горизонтальной плоскости.

Углом развала управляемых колес а_р называется угол (рисунок 2.1, а), заключенный между плоскостью колеса и вертикальной плоскостью, параллельной продольной оси автомобиля. Угол развала считается положительным, если колесо наклонено от автомобиля наружу, и отрицательным при наклоне колеса внутрь.

Угол развала необходим для того, чтобы обеспечить перпендикулярное расположение колес по отношению к поверхности дороги при деформации деталей моста под действием веса передней части автомобиля. Этот угол уменьшает плечо поворота — расстояние между точкой пересечения продолжения оси поворота (шкворня) и точкой касания колеса плоскости дороги. В результате существенно уменьшается момент, необходимый для поворота управляемых колес, и, следовательно, облегчается поворот автомобиля.

При установке колеса с развалом возникает осевая сила, прижимающая ступицу с колесом к внутреннему подшипнику, раз мер которого обычно больше, чем размер наружного подшипника. Вследствие этого разгружается наружный подшипник ступицы колеса. Угол развала обеспечивается конструкцией управляемого моста путем наклона поворотной цапфы и составляет 0. 2".

Рисунок 2.1. Схемы установки управляемых колес:

а — развал; б — схождение; О — точка пересечения продолжения оси колеса с плоскостью дороги; А, Б — расстояния между задними и передними частями колес

При наличии развала управляемое колесо стремится катиться в сторону от автомобиля по дуге вокруг точки О (рисунок 2.1, а) пересечения продолжения его оси с плоскостью дороги. Так как управляемые колеса связаны между собой, то их качение по расходящимся дугам сопровождалось бы боковым скольжением. Для предотвращения такого скольжения управляемые колеса устанавливают со схождением, т.е. не параллельно, а под некоторым углом к продольной оси автомобиля.

Угол схождения управляемых колес δ_С (рисунок 2.1, б) определяется разностью расстояний А и Б между колесами, которые измеряют сзади и спереди по краям ободьев на высоте оси колес. Угол схождения колес у автомобилей находится в пределах 0°20′. 1°, а разность расстояний А и Б между колесами сзади и спереди составляет 2. 12 мм.

Установка управляемых колес с одновременным развалом и схождением обеспечивает их прямолинейное качение по дороге без бокового скольжения. При этом должно быть правильно подобрано соотношение между углами развала и схождения. Каждому углу развала соответствует определенный угол схождения, при котором сопротивление движению, расход топлива и износ шин будут минимальными. Обычно оптимальный угол схождения управляемых колес составляет в среднем 15. 20% угла их развала. Однако в процессе эксплуатации управляемые колеса часто устанавливают со схождением несколько большим, чем требуется для компенсации их развала. Это вызвано тем, что у колес вследствие наличия зазоров и упругости рулевого привода может появиться отрицательное схождение. В результате даже при их положительном развале возрастают сопротивление движению, расход топлива и износ шин [3] .

Силовой баланс автомобиля

Силы, действующие на автомобиль при прямолинейном движении

Прямолинейным движением автомобиля будем считать его равномерное или ускоренное движение по горизонтальной или наклонной прямой дороге (без виражей и поворотов). В этом случае на автомобиль действуют следующие силы:

• сила тяжести автомобиля G , приложенная к центру тяжести, находящемся на расстоянии h_ц от поверхности дороги;
• сила сопротивления атмосферного воздуха P_ω , приложенная к центру парусности, расположенному на расстоянии h_ω от поверхности дороги;
• суммарная касательная реакция R_x2 или сила тяги Р_т , направленная по ходу движения автомобиля;
• нормальные реакции дороги на колеса R_z1 и R_z2 , направленные перпендикулярно поверхности дороги;
• сила сопротивления качению колес P_f , направленная в сторону, противоположную движению автомобиля (совпадает с касательной реакцией R_x1 );;
• силы инерции поступательного движения P_j (проявляются при ускоренном движении), приложенная к центру тяжести автомобиля и направленная в сторону, противоположную ускорению;
• сила сопротивления подъему P_α , приложенная к центру тяжести и направленная в сторону, противоположную движению (возникает при движении по дороге с уклоном);
• сила Р_пр на буксирном крюке в случае буксировки прицепа.

На рисунке 1 представлены все эти силы с учетом их направления по отношению к направлению движения автомобиля.

Для дальнейших теоретических выкладок примем следующие условия (допущения):

• Два одноименных колеса (правые и левые) будем рассматривать, как одно.
• Участок дороги на всем протяжении однородный с постоянным углом наклона α к горизонту и не имеет неровностей.
• Нормальные реакции дороги прикладываются к осям колес.
• Деформация шин и грунта (погружение колес в грунт) учитываются при определении силы сопротивления качению, но на схеме не показываются.

Сила тяги Р_т подробно рассмотрена в предыдущей статье. При принятых выше условиях не имеет значения, сколько колес автомобиля являются ведущими и сколько ведомыми.

Сила сопротивления качению

Силой сопротивления качению автомобиля P_j 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 обусловлена полным весом автомобиля и влияет на сопротивление качению непосредственно, поскольку реакции дорожного покрытия или грунта можно считать пропорциональными нормальной нагрузке.
Потери, связанные с деформацией резины в шине (гистерезисные потери) зависят от радиальной деформации шины. Эти потери возрастают при увеличении нагрузки.
Кроме того, рост нормальной нагрузки приводит к увеличению удельного давления, а следовательно, и сопротивлению качения.

Дорожное покрытие оказывает существенное влияние на силу сопротивления качению колес P_f в случае, если оно не является твердым. Величина этой силы 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 и может быть определено по формуле:

где c_q – коэффициент, определяемый жесткостью каркаса шины, c_q = 1 + p₀ ;
p₀ – давление воздуха в шинах.

Понижение удельного давления влияет на силу сопротивления качению колес 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, чем оно меньше погружается в грунт, а значит, меньше сопротивление качению. Чем крупнее грунтозацепы и рельефнее протектор шины, тем сильнее колесо деформирует грунт, что также приводит к увеличению силы сопротивления качению колес P_f .
На дорогах с твердым покрытием увеличенные грунтозацепы и рельефный рисунок протектора также приводят к увеличению P_f , поскольку в этом случае растут гистерезисные потери в шине.

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

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_z ) и коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом сопротивления качению f :

Коэффициент сопротивления качению f зависит от характера и состояния дорожного покрытия. Так, для асфальта, бетона или асфальтобетона он равен 0,1…0,3, для укатанной сухой грунтовой дороги – 0,02…0,03, для разбитой мокрой грунтовой дороги – 0,1…0,25, для обледенелой дороги – 0,01…0,03 и т. д.

Влияние скорости движения на коэффициент f сопротивления качению учитывает эмпирическая формула:

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

Сила тяжести и сопротивление движению

Сила тяжести G обусловлена массой m автомобиля, указываемой в его технической характеристике и может быть определена по известной формуле: G = mg , где g – ускорение свободного падения.

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 (для грузового автомобиля) или по номинальной пассажировместимости (для автобусов и легковых автомобилей).
В расчетах обычно принимается полная масса.

Положение центра масс определяется у двухосного автомобиля расстояниями l₁ и l₂ до геометрических осей вращения колес соответственно переднего и заднего мостов. У трехосного автомобиля l₂ – расстояние от центра масс до оси балансира задней тележки.
Расстояние L = l₁ + l₂ называют базой автомобиля.

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

• G cosα – нормальная нагрузка автомобиля на дорогу, перпендикулярная дороге;
• G sinα – сила сопротивления подъему (при спуске — скатывающая сила), обозначается P_α и направлена параллельно поверхности дороги: P_α = G sinα .

На крутых подъемах сопротивление подъему значительно превышает сопротивление качению. Так, при α = 20˚ P_α будет равна примерно 0,36 G , при α = 30˚ Р_α = 0,5 G , тогда как P_f редко превышает 0,05…0,08 G .

При небольших значениях угла α синус может быть заменен тангенсом. В дорожном строительстве тангенс угла наклона дороги к горизонту называют продольным уклоном i , выражаемым в процентах. В этом случае сила сопротивления подъему равна:

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

При движении автомобиля по наклонной дороге сила сопротивления качению определится из соотношения:

Получим следующую формулу для вычисления силы сопротивления дороги:

P_ψ = G(f cosα + sinα) ≈ G(f + i) .

Выражение в скобках называется коэффициентом сопротивления дороги и обозначается ψ :

ψ = f cosα + sinα .

Тогда сила сопротивления дороги:

Сила инерции

Сила инерции (или сила сопротивления разгону) при поступательном движении автомобиля может быть определена из соотношения:

где j – ускорение автомобиля, m – масса автомобиля.

Так как в автомобиле имеются вращающиеся детали значительной массы, то они также влияют на сопротивление разгону автомобиля, создавая инерционные моменты.
Максимальный инерционный момент сопротивления изменению угловой скорости создают маховик двигателя и колеса, а также массивные детали агрегатов и узлов трансмиссии.
Чтобы учесть влияние вращающихся масс вводят коэффициент учета вращающихся масс δ_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 δ_вр уравнение (1) будет иметь вид:

Значение коэффициента δ_вр определяется по формуле:

где j_м – момент инерции маховика; η_тр – КПД трансмиссии; i_тр – передаточное число трансмиссии; j_к – суммарный момент инерции всех колес автомобиля; m – масса автомобиля; r – 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.

В случае, если точное значение моментов инерции маховика и колес неизвестно, то коэффициент учета вращающихся масс δ_вр определяют по эмпирической формуле:

где δ₁ ≈ δ₂ от 0,03 до 0,05; m_а – масса автомобиля с полной нагрузкой; m – фактическая масса автомобиля.

При движении автомобиля с отключенной от двигателя трансмиссией коэффициент учета вращающихся масс может быть приближенно определен по формуле:

Сила сопротивления воздуха

Как и всякое тело, перемещающееся в воздушной среде, автомобиль со стороны атмосферного воздуха испытывает сопротивление движению, которое обуславливается двумя факторами: трением, возникающим в пограничных с поверхностью автомобиля слоях воздуха, и вихреобразованием в окружающих его потоках.

Движущийся автомобиль увлекает за собой непосредственно прилегающий к нему слой воздуха, который взаимодействует на соседний с ним слой и т. д., увлекая его за собой. Скорость каждого последующего слоя воздуха меньше, чем предыдущего, что и вызывает силы трения между слоями. Чем выше скорость движения автомобиля, тем большие массы воздуха будут увлекаться в движение, и тем больше суммарная сила трения, возникающая между слоями и поверхностью автомобиля.
Однако при скоростях, с которыми передвигаются автомобили, сопротивление, вызываемое трением в пограничных с автомобилем слоях очень мало, и им можно пренебречь в большинстве расчетов.

Образование вихревых потоков можно представить, предположив, что на неподвижный автомобиль направлен с достаточной скоростью поток воздуха. Ударяясь о лобовую поверхность кабины и кузова автомобиля, струи воздуха изменяют направление своего движения (рис. 1). При этом чем менее обтекаемую форму имеет автомобиль, тем интенсивнее и объемнее будут вызываемые им завихрения воздушных струй.
В результате вихреобразования возникает разрежение воздуха сзади автомобиля, тогда как перед ним воздух уплотняется, вследствие чего создается разность давлений воздуха впереди и сзади автомобиля.

Сопротивление воздуха при вихреобразовании зависит от площади поперечного сечения автомобиля (лобовой проекции), и особенно от его формы.
Усилению вихреобразования способствует наличие выступающих частей, прямых углов и резких переходов в профильной проекции автомобиля. Обтекаемые формы современных легковых, и особенно – гоночных автомобилей, существенно снижают сопротивление воздуха, вызываемое вихреобразованием.

Сопротивление воздуха при проектировании кузовов автомобилей определяют чаще всего опытным путем с помощью аэродинамической трубы, которая позволяет получить равномерный прямолинейный установившийся воздушный поток заданной скорости и даже температуры. В аэродинамической трубе можно не только исследовать обтекаемость автомобиля, но и определить эффективность очистки ветрового стекла и ряд других параметров, связанных с воздействием воздушного потока на автомобиль.

Для расчета силы сопротивления воздуха P_ω аналитическими методами можно использовать формулу, полученную опытным путем (эмпирическая зависимость), которая справедлива для всех скоростей автомобиля, кроме самых малых:

где ρ – плотность воздуха;
c – коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы автомобиля;
F – площадь лобового сопротивления, т. е. площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную направлению движения;
v – скорость автомобиля.

Считая, что плотность ρ воздуха в реальных условиях движения автомобиля величина относительно постоянная, вводят понятие коэффициента k_ω обтекаемости автомобиля, который тоже можно считать постоянной величиной:

Тогда формула (3) примет вид:

Значения коэффициента обтекаемости зависят от формы кузова. Так, например, для автобусов капотной компоновки он равен 0,45…0,55, для автобусов вагонной компоновки – 0,35…0,45, для легковых автомобилей – 0,2…0,35, для гоночных автомобилей – 0,15…0,2 и т. д.

Площадь лобового сопротивления с достаточной степенью точности (погрешность не более 10%) можно определить по следующим зависимостям:

• для грузового автомобиля F = BH , где H – высота автомобиля; B – колея автомобиля;
• для легковых автомобилей F = 0,78 B_aH , где B_a – наибольшая ширина автомобиля.

При расчетах силы сопротивления воздуха P_ω важно определить место приложения данной силы, так называемый центр парусности.

Точное положение центра парусности автомобиля определяется опытным путем в аэродинамической трубе. Для приблизительных расчетов принимают высоту положения центра парусности равной половине высоты автомобиля, а его расположение по горизонтали – на оси симметрии лобовой проекции автомобиля.

При скоростях выше 100…120 км/ч со стороны воздушных потоков на автомобиль начинает действовать так называемая подъемная сила, имеющая аэродинамическую природу, направленная вертикально вверх и стремящаяся оторвать автомобиль от поверхности дороги.
Это негативное явление приводит к потере устойчивости и управляемости автомобиля, и связано с тем, что под днищем автомобиля, благодаря его плоской форме, скорость потока воздуха ниже, а давление в воздушном потоке выше, чем над автомобилем, где, благодаря ускорению воздушных масс из-за криволинейной формы кузова автомобиля, давление снижается. В результате на автомобиль начинает действовать подъемная сила, аналогичная подъемной силе, действующей на крыло самолета.
У спортивных автомобилей благодаря специальной форме кузова и использованию аэроэлементов (антикрыло) эту силу направляют вниз, увеличивая сцепление колес с дорогой.

Силы, возникающие при буксировке прицепов

В случае буксировки прицепа с помощью буксирного устройства на крюке возникает сила Р_пр , которая тоже направлена в сторону, противоположную силе тяги.
Разложив силу Р_пр на составляющие можно записать:

где G’ , P’_j , P’_f – соответственно сила тяжести, силы сопротивления инерции и качению колес прицепа.

Сила сопротивления воздуха для прицепа в приближенных расчетах не учитывается, так как она прилагается к центру парусности тягача. Кроме того, автопоезда не передвигаются на больших скоростях, когда сила сопротивления воздуха достигает существенных значений.

Нормальная реакция дороги

Нормальная реакция дороги R_z не совершает ни полезной работы, ни работы сопротивления движению, поскольку направлена перпендикулярно направлению движения автомобиля. Однако при изучении тягово-скоростных свойств автомобиля их необходимо учитывать, поскольку R_z определяет силы сопротивления качению и сцепление колес с опорной поверхностью (дорогой).
Нормальные реакции необходимы при оценке таких эксплуатационных свойств автомобиля, как торможение, управляемость, устойчивость и проходимость, а также при расчетах мостов.

Сила тяжести G автомобиля распределяется по всем его колесам, и со стороны дороги действуют соответствующие нормальные реакции на каждое колесо. При этом равномерное распределение массы автомобиля на его колеса хотя и могут иметь место, но в порядке исключения. Поэтому на разные колеса автомобиля действуют разные по величине нормальные реакции, в соответствии с распределением нагрузки на оси и мости, а также на каждое колесо.

Рассмотрим силы, действующие на автомобиль, стоящий на горизонтальной поверхности (рис. 2, а).
Из центра тяжести автомобиля действует вектор силы тяжести G , расположенный на расстоянии l₁ от передней оси, и на расстоянии l₂ от оси заднего моста. В соответствии с законами статики нормальные реакции R_z1 и R_z2 на колеса передней и задней оси обратно пропорциональны расстоянию от центра тяжести до этих осей:

где L – расстояние между осями автомобиля.

Во время движения нормальные реакции дороги изменяются под действием различных сил и моментов. На рис. 2,б показана схема сил, действующих на автомобиль при его разгоне и на подъеме. Расчетным путем можно доказать, что нормальнее реакции дороги на передние колеса уменьшаются, а на задние увеличиваются с ростом крутизны подъема, интенсивности разгона, а также с увеличением силы сопротивления воздуха движению автомобиля.

Изменение динамических нормальных реакций относительно статических учитывает коэффициент изменения нормальных реакций m_p , который представляет собой отношение нормальных реакций, действующих на мост автомобиля при его движении, к реакциям, действующим на этот же мост неподвижного автомобиля:

Во время разгона автомобиля предельные значения коэффициентов составляют:
m_p1 от 0,55 до 0,7; m_p2 от 1,2 до 1,35, т. е. во время разгона нагрузка на передний мост уменьшается, а на задний увеличивается по сравнению с нагрузками в статическом положении.
При торможении автомобиля наблюдается обратное явление. Это объясняется тем, что при разгоне автомобиль как бы «приседает» на задние колеса, а при торможении испытывает «кивок» вперед.