Мощность — это физическая величина, которую использует как основную характеристику любого устройства, которое применяют для совершения работы. Полезная мощность может быть использована для выполнения поставленной задачи.
Отношение работы ($\Delta A$) к промежутку времени за которое она выполнена ($\Delta t$) называют средней мощностью ($\left\langle P\right\rangle $) за это время:
\[\left\langle P\right\rangle =\frac\left(1\right).\]
Мгновенной мощностью или чаще просто мощностью называют предел отношения (1) при $\Delta t\to 0$:
\[\Delta A=\overline где $\Delta \overline где $\ \overline При выполнении необходимой (полезной) работы, например, механической, приходится выполнять работу большую по величине, так как в реальности существуют силы сопротивления и часть энергии подвержена диссипации (рассеиванию). Эффективность совершения работы определяется при помощи коэффициента полезного действия ($\eta $), при этом: где $P_p$ — полезная мощность; $P$ — затраченная мощность. Из выражения (5) следует, что полезная мощность может быть найдена как: Пусть электрическая цепь состоит из источника тока, имеющего сопротивление $r$ и нагрузки (сопротивление $R$). Мощность источника найдем как: где $?$ — ЭДС источника тока; $I$ — сила тока. При этом $P$ — полная мощность цепи. Обозначим $U$ — напряжение на внешнем участке цепи, тогда формулу (7) представим в виде: где $P_p=UI=I^2R=\frac Максимальную полезную мощность (мощность на нагрузке) электрический ток дает, если внешнее сопротивление цепи будет равно внутреннему сопротивлению источника тока. При этом условии полезная мощность равна 50\% общей мощности. При коротком замыкании (когда $R\to 0;;U\to 0$) или в режиме холостого хода $(R\to \infty ;;I\to 0$) полезная мощность равна нулю. Задание. Коэффициент полезного действия электрического двигателя равен $\eta $ =42%. Какой будет его полезная мощность, если при напряжении $U=$110 В через двигатель идет ток силой $I=$10 А? Решение. За основу решения задачи примем формулу: Полную мощность найдем, используя выражение: Подставляя правую часть выражения (1.2) в (1.1) находим, что: Вычислим искомую мощность: \[P_p=\eta IU=0,42\cdot 110\cdot 10=462\ \left(Вт\right).\] Ответ. $P_p=462$ Вт Задание. Какова максимальная полезная мощность источника тока, если ток короткого замыкания его равен $I_k$? При соединении с источником тока сопротивления $R$, по цепи (рис.1) идет ток силой $I$. Решение. По закону Ома для цепи с источником тока мы имеем: где $\varepsilon$ — ЭДС источника тока; $r$ — его внутреннее сопротивление. При коротком замыкании считаем, что сопротивление внешней нагрузки равно нулю ($R=0$), тогда сила тока короткого замыкания равна: Максимальная полезная мощность в цепи рис.1 электрический ток даст, при условии: Тогда сила тока в цепи равна: Максимальную полезную мощность найдем, используя формулу: Мы получили систему из трех уравнений с тремя неизвестными: Используя первое и второе уравнения системы (2.6) найдем $I’$: Используем уравнения (2.1) и (2.2) выразим внутреннее сопротивление источника тока: \[\varepsilon=I\left(R+r\right);;\ I_kr=\varepsilon \to I\left(R+r\right)=I_kr\to r\left(I_k+I\right)=IR\to r=\frac Подставим результаты из (2.7) и (2.8) в третью формулу системы (2.6), искомая мощность будет равна: источник При всей сложности управления автомобилем работа водителя сводится, в конечном счете, к регулированию трех параметров: скорости движения, необходимого для движения усилия и направления. А сложность управления возникает из-за разнообразия условий, в которых происходит движение, и множества вариантов сочетаний скорости, усилий и направления. В каждом из этих вариантов поведение автомобиля имеет свои особенности и подчиняется определенным законам механики, свод которых называют теорией автомобиля. Она учитывает и наличие среды движения, то есть поверхности, по которой катятся колеса, и воздушной среды. Взаимосвязь элементов системы «водитель — автомобиль — дорога». Ограничим несколько круг рассматриваемых нами вопросов: будем считать, что водитель получает достаточную и правильную информацию, ничто не мешает ему быстро и точно обрабатывать ее и принимать верные решения. Тогда каждый закон поведения автомобиля подлежит рассмотрению по схеме: автомобиль движется в таких-то условиях — в местах контакта шин с дорогой и поверхности автомобиля с воздухом происходят такие-то явления — водитель действует, чтобы сохранить или изменить данный характер движения, — действия водителя передаются через органы управления механизмам автомобиля, а от них колесам — в местах контакта происходят новые явления — характер движения автомобиля сохраняется или изменяется. Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) двигателя показывает изменение мощности (Ne — в л.с. и кВт) и вращающего (крутящего) момента (Ме — в кГм), развиваемых при разных числах оборотов вала и при полном открытии дроссельной заслонки. В нижней части графика — экономическая характеристика: зависимость удельного расхода топлива (g — в Г/л. с.-час) от числа оборотов в минуту. Скоростные характеристики — это графики изменения мощности и вращающего (крутящего) момента, развиваемых двигателем, в зависимости от числа оборотов его вала (скорости вращения) при полном или частичном открытии дроссельной заслонки (здесь речь идет о карбюраторном двигателе). Напомним, что момент характеризует усилие, которое может «предоставить» двигатель автомобилю и водителю для преодоления тех или иных сопротивлений, а мощность — это отношение усилия (работы) ко времени. Наиболее важна скоростная характеристика, снятая, как говорят, «на полном дросселе». Ее называют внешней. В ней существенны самые верхние точки кривых, соответствующие наибольшим мощности и вращающему моменту, каковые обычно и записывают в технические характеристики автомобилей и двигателей. Например, для двигателя ВАЗ—2101 «Жигули» — 62 л. с. (47 кВт) при 5600 об/мин и 8,9 кГм при 3400 об/мин. Частичная скоростная характеристика двигателя показывает изменение мощности, развиваемой при различном открытии дроссельной заслонки карбюратора. Экономические характеристики двигателя при различном открытии дроссельной заслонки. Экономическая характеристика двигателя отражает удельный расход топлива, то есть его расход в граммах на одну лошадиную силу (или один киловатт) в час. Эта характеристика, как и скоростная, может быть построена для работы двигателя при полной или частичной нагрузках. Особенность двигателя такова, что при уменьшении открытия дросселя приходится расходовать больше топлива на получение каждой единицы мощности. Потери на работу механизмов трансмиссии. Здесь Ne и Ме — мощность и вращающий момент двигателя, NK и Мк — мощность и вращающий момент, подведенные к ведущим колесам. Не вся энергия, получаемая от двигателя, используется непосредственно для движения автомобиля. Есть еще и «накладной расход» — на работу механизмов трансмиссии. Чем меньше этот расход, тем выше коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии, обозначаемый греческой буквой η (эта). КПД — это отношение мощности, переданной на ведущие колеса, к мощности двигателя, измеренной на его маховике и записанной в техническую характеристику данной модели. Схема основных размеров колеса и шины. Перечень того, что дано в распоряжение водителя для выполнения определенной транспортной работы, завершают колеса. От характеристики колеса зависят все качества автомобиля: динамичность, экономика, плавность хода, устойчивость, безопасность движения. Говоря о колесе, мы имеем в виду прежде всего его главный элемент — шину. где Ш — коэффициент удельной грузоподъемности шины. Вряд ли водитель будет на ходу проводить расчеты, почерпнутые из этих простых формул. Для расчетов не хватит времени, да они только отвлекут внимание от управления машиной. Нет, он будет действовать на основе своего опыта и знаний. Но все-таки лучше, если к ним добавится хотя бы общее понимание физических законов, которым подчиняются процессы работы автомобиля. Силы, действующие на колесо: Возьмем самый, казалось бы, простой процесс — равномерное движение по прямой и ровной дороге. Тут на ведущее колесо действуют: вращающий момент Мk, переданный от двигателя и создающий тяговую силу Рk; равная последней горизонтальная реакция Rk, действующая в обратном направлении, то есть по ходу автомобиля; сила тяжести (масса), соответствующая нагрузке Gk на колесо, и равная ей вертикальная реакция Rв. Значения коэффициента сцепления (φ) Для асфальтового покрытия при разном его состоянии. В каждое отдельно взятое мгновение ближайшие к дороге точки в зоне контакта колеса с дорогой неподвижны относительно нее. Если бы они перемещались относительно поверхности дороги, то колесо буксовало бы, а автомобиль не двигался. Чтобы точки контакта колеса с дорогой были неподвижными (напомним — в каждое отдельно взятое мгновение!), требуется хорошее сцепление шины с поверхностью дороги, оцениваемое коэффициентом сцепления φ («фи»). На мокрой дороге с увеличением скорости сцепление резко уменьшается, так как шина не успевает выдавливать воду, находящуюся в области контакта ее с дорогой, и остающаяся пленка влаги облегчает скольжение шины. Коэффициент сопротивления качению на асфальте увеличивается с возрастанием скорости и с понижением давления в шинах. Сопротивление качению колеса оценивают коэффициентом f. Его величина растет с повышением скорости движения, понижением давления в шинах и с увеличением неровности дороги. Так, на булыжнике или гравийном шоссе для преодоления сопротивления качению нужна в полтора раза большая сила, чем ,на асфальте, а на проселке — в два раза, на песке — в десять раз большая! График мощностного баланса. Точки пересечения кривых соответствуют наибольшим скоростям на ровной дороге (справа) и на подъеме (левая точка). Каждый водитель, каждый конструктор хочет знать возможности данного автомобиля. Самые точные сведения дают, конечно, тщательные испытания в различных условиях. При знании законов движения автомобиля удовлетворительно точные ответы можно получить и расчетным путем. Для этого нужно иметь: внешнюю характеристику двигателя, данные о передаточных числах в трансмиссии, массе автомобиля и ее распределении, лобовой площади и, приблизительно, о форме автомобиля, размерах шин и внутреннем давлении в них. Зная эти параметры, мы сможем определить статьи расхода мощности и построить график так называемого баланса мощности. Через полученные точки проводим кривую Nf. Откладываем вверх от нее отрезки, соответствующие расходу мощности Nw на сопротивление воздуха. Их величину подсчитываем, в свою очередь, по такому уравнению: где F — лобовая площадь автомобиля в m 2 , К — коэффициент сопротивления воздуха. На подъеме растет нагрузка, приходящаяся на колеса. Пунктиром показана (в масштабе) ее величина при горизонтальной дороге, черными стрелками — при движении на подъем: Тут нужно учитывать, что на подъемах к силам, противодействующим движению автомобиля, добавляется сила его тяжести. Чтобы автомобиль мог двигаться на подъем, угол которого обозначим буквой α («альфа»), тяговая сила должна быть не меньше сил сопротивления качению и подъему, вместе взятых. Влияние передаточного числа главной передачи на скорость и запас мощности Следует подчеркнуть, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа трансмиссии, и количество передач в коробке. Из графика, на котором отложены кривые мощности двигателя (соответственно смещенные в зависимости от разных передаточных чисел главной передачи) и кривая сопротивлений, видно, что с изменением передаточного числа наибольшая скорость меняется лишь незначительно, зато запас мощности с его увеличением резко возрастает. Это, конечно, не значит, что передаточное число можно повышать до бесконечности. Чрезмерное его увеличение ведет к заметному снижению скорости автомобиля, (штриховая линия), износу двигателя и трансмиссии, перерасходу топлива. источник Скорость совершения работы характеризуется мощностью. Различают среднюю и мгновенную мощность. Средняя мощность определяется формулой где A — работа, совершаемая за время ∆ t . Для вычисления средней мощности также пользуются формулой N = ( F → , 〈 v → 〉 ) = F → ⋅ 〈 v → 〉 = F 〈 v 〉 cos α , где F → — сила, совершающая работу; 〈 v → 〉 — средняя скорость перемещения; α — угол между векторами F → и 〈 v → 〉 . В Международной системе единиц мощность измеряется в ваттах (1 Вт). Мгновенная мощность определяется формулой где A ′( t ) — производная от функции работы по времени. Для вычисления мгновенной мощности также пользуются формулой N = ( F → , v → ) = F → ⋅ v → = F v cos α , где F → — сила, совершающая работу; v → — мгновенная скорость перемещения; α — угол между векторами F → и v → . Пример 20. Тело массой 60 г к моменту падения на Землю имеет скорость 5,0 м/с. Определить мощность силы тяжести в этот момент. Решение. На рисунке показаны направления скорости тела и силы тяжести, действующей на тело. В задаче задана мгновенная скорость тела; следовательно, мощность, которую необходимо рассчитать, также является мгновенной мощностью. Величина мгновенной мощности силы тяжести определяется формулой где mg — модуль силы тяжести; m — масса тела; g — модуль ускорения свободного падения; v — модуль скорости тела; α = 0° — угол между векторами скорости и силы. N = 60 ⋅ 10 − 3 ⋅ 10 ⋅ 5,0 ⋅ 1 = 3,0 Вт. Пример 21. При скорости 36 км/ч мощность двигателя автомобиля равна 2,0 кВт. Считая, что сила сопротивления движению автомобиля со стороны воздуха и дороги пропорциональна квадрату скорости, определить мощность двигателя при скорости 72 км/ч. Решение. Мощность двигателя автомобиля определяется силой тяги и скоростью: где F тяги — величина силы тяги двигателя автомобиля; v — модуль скорости автомобиля при заданной мощности; α = 0° — угол между векторами силы тяги и скорости. Силы, действующие на автомобиль, направление его скорости и выбранная система координат показаны на рисунке. Для определения величины силы тяги запишем второй закон Ньютона с учетом того, что автомобиль движется с постоянной скоростью: F → тяги + F → сопр + m g → + N → = 0 , или в проекциях на координатные оси — O x : F тяги − F сопр = 0 ; O y : N − m g = 0, > где F сопр — модуль силы сопротивления движению автомобиля; N — модуль силы нормальной реакции, действующей на автомобиль со стороны дороги; m — масса автомобиля; g — модуль ускорения свободного падения. Из первого уравнения системы следует равенство модулей сил тяги и сопротивления: По условию задачи сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости автомобиля: где k — коэффициент пропорциональности. Подстановка данного выражения в формулу для силы тяги а затем в формулу для вычисления мощности дает: Таким образом, мощность двигателя автомобиля определяется формулой: где v 1 = 36 км/ч — первая скорость автомобиля; v 2 = 72 км/ч — вторая скорость автомобиля. N 1 * N 2 * = k v 1 3 cos α k v 2 3 cos α = ( v 1 v 2 ) 3 позволяет вычислить искомую мощность автомобиля: N 2 * = N 1 * ( v 2 v 1 ) 3 = 2,0 ⋅ 10 3 ⋅ ( 72 36 ) 3 = 16 ⋅ 10 3 Вт = 16 кВт. Пример 22. Два автомобиля одновременно трогаются с места и движутся равноускоренно. Массы автомобилей одинаковы. Во сколько раз средняя мощность первого автомобиля больше средней мощности второго, если за одно и то же время первый автомобиль развивает скорость вдвое большую, чем второй? Сопротивлением движению пренебречь. Решение. Мощность двигателей автомобилей определяется формулой: где F тяги1 — величина силы тяги двигателя первого автомобиля; v 1 — модуль скорости первого автомобиля; F тяги2 — величина силы тяги двигателя второго автомобиля; v 2 — модуль скорости второго автомобиля; α = 0° — угол между векторами силы тяги и скорости. Силы, действующие на первый и второй автомобиль, направление движения и выбранная система координат показаны на рисунке. Для определения величины силы тяги запишем второй закон Ньютона с учетом того, что автомобили движутся равноускоренно: F → тяги 1 + m 1 g → + N → 1 = m 1 a → 1 , или в проекциях на координатные оси — O x : F тяги 1 = m 1 a 1 ; O y : N 1 − m 1 g = 0, > F → тяги 2 + m 2 g → + N → 2 = m 2 a → 2 , или в проекциях на координатные оси — O x : F тяги 2 = m 2 a 2 ; O y : N 2 − m 2 g = 0, > где m 1 — масса первого автомобиля; m 2 — масса второго автомобиля; g — модуль ускорения свободного падения; N 1 — модуль силы нормальной реакции, действующей на первый автомобиль со стороны дороги; N 2 — модуль силы нормальной реакции, действующей на второй автомобиль со стороны дороги; a 1 — модуль ускорения первого автомобиля; a 2 — модуль ускорения второго автомобиля. Из записанных уравнений следует, что величины сил тяги первого и второго автомобиля определяются формулами: Отношение модулей сил тяги ( F тяги1 / F тяги2 ) определяется отношением F тяги 1 F тяги 2 = m 1 a 1 m 2 a 2 . Движение автомобилей происходит равноускоренно без начальной скорости, поэтому их скорость с течением времени изменяется по законам: Отношение модулей скоростей ( v 1 / v 2 ) определяется отношением величин ускорений ( a 1 / a 2 ): N 1 * N 2 * = F тяги 1 v 1 cos α F тяги 2 v 2 cos α = F тяги 1 F тяги 2 v 1 v 2 . Подставим в полученное отношение выражения для ( F тяги1 / F тяги2 ) и ( v 1 / v 2 ): N 1 * N 2 * = m 1 a 1 m 2 a 2 a 1 a 2 = m 1 m 2 ( a 1 a 2 ) 2 . Преобразование формулы с учетом равенства масс автомобилей ( m 1 = m 2 = m ) и замены ( a 1 / a 2 = v 1 / v 2 ) дает искомое отношение мощностей: N 1 * N 2 * = ( v 1 v 2 ) 2 = ( 2 v 2 v 2 ) 2 = 2 2 = 4 . Таким образом, мощность первого автомобиля в 4 раза больше мощности второго автомобиля. источник Какую реальную мощность развивает двигатель вашего автомобиля при различных режимах и условиях движения? Чаще — совсем не ту, что записана в свидетельстве о регистрации транспортного средства. Узнаем ответ на этот вопрос, вспомнив элементарную физику. и выполнив простой расчет в Excel. Известно, что коэффициент полезного действия (КПД) нового современного бензинового автомобильного двигателя продолжает оставаться очень низким. Его значение составляет всего 20…25% и достигается лишь во время оптимального режима работы — при выходе на максимальную мощность при номинальных оборотах! Потери величиной около 80% возникают в следствие: — неполного сгорания бензина (около 25%. ); — потерь на трение в подвижных узлах мотора (около 5%); — потерь тепла через систему охлаждения и систему отвода выхлопных газов (около 50%. ). КПД прямо (но не линейно) пропорционален развиваемой мощности двигателя автомобиля. При работе двигателя с частотой 2500…3500 оборотов в минуту его реальный КПД не достигает и 10%. Трудно представить, но каждые девять литров топлива из десяти рассеиваются в виде тепла в окружающем пространстве и «вылетают в трубу» в буквальном смысле этого слова. И только один литр бензина из десяти, сгорая, совершает полезную работу – перемещает автомобиль в пространстве. КПД современного дизельного двигателя в оптимальном режиме достигает несколько большего значения — 40%. Поэтому дизельные двигатели существенно экономичнее бензиновых собратьев. Запускаем на компьютере программу MS Excel. В качестве простейшего примера рассмотрим случай равномерного длительного движения по загородной трассе небольшого легкового автомобиля, оснащенного бортовым компьютером. Первую тройку исходных данных возьмем из показаний бортового компьютера или из замеров, выполненных любым иным способом. 1. Среднюю скорость движения автомобиля v в километрах в час запишем 2. Пройденное расстояние S в километрах внесем 3. Средний расход бензина V в литрах введем 4. Предположительный КПД двигателя η в процентах впишем 5. Плотность бензина ρ в килограммах на кубический метр занесем Средние значения плотностей различных марок и видов топлива: Плотность топлива существенно зависит от температуры! 6. Удельную теплоту сгорания бензина q в мегаджоулях на килограмм запишем Средние значения удельной теплоты сгорания различных видов топлива: для бензина и дизельного топлива q =43 МДж/кг Выполним вывод расчетной формулы для средней мощности. Q 1 –полезная тепловая энергия, затраченная на перемещение автомобиля Q 2 – вся тепловая энергия, выделенная при сгорании топлива A –работа, выполненная двигателем и затраченная на перемещение автомобиля N –средняя мощность двигателя S –пройденный автомобилем путь v –средняя скорость движения автомобиля q –удельная теплота сгорания топлива m –масса израсходованного топлива V –объем израсходованного топлива p –плотность (удельная масса) топлива Формула для расчета средней мощности двигателя автомобиля получена. 7. Вычислим среднюю мощность двигателя автомобиля N в киловаттах при заданном режиме движения в ячейке D10: =(D6/100)*D8*1000000*D7*(D5/1000)*(D3*1000/60/60)/(D4*1000)/1000 =5,241 Переведем киловатты в лошадиные силы в ячейке D11: =D10*1000/735,49875 =7,125 Теперь вы можете выполнить расчет в Excel при любых иных исходных данных и определить реально развиваемую среднюю мощность двигателя автомобиля при различных режимах движения. Для движения небольшого легкового автомобиля со скоростью 90 км/час по загородной трассе достаточно мощности двигателя всего в 7 лошадиных сил! Почти у всех автомобилей такого класса максимальная мощность двигателей превышает 80…100 лошадиных сил! Безусловно, такая мощность необходима для быстрого разгона и уверенного движения на подъемах и по дорогам с повышенным сопротивлением (грязь, снег). С мощностью двигателя в 7 лошадиных сил автомобиль до скорости 90 км/час будет разгоняться, наверное, с десяток минут… 8 комментариев на «Мощность двигателя автомобиля» Интересно, конечно. Есть ли возможность оценить КПД конкретного автомобиля? Как можно учесть турбонаддув? С уважением Виктор Александр Воробьев 24 Авг 2014 20:34 О влиянии турбонаддува на КПД мнения специалистов разнятся. Если при прочих равных автомобиль с турбонаддувом в среднем меньше потребляет литров топлива на 100 километров пути чем этот же автомобиль без турбонаддува, то значит КПД двигателя такого автомобиля выше. Александр Воробьев 24 Авг 2014 20:40 Оценить КПД двигателя конкретного автомобиля в «домашних условиях» сложно. Для этого необходимо знать либо общий коэффициент сопротивления движению (трение и о воздух и о дорогу), либо силу, которую следует приложить к автомобилю для обеспечения движения с заданной скоростью. ИМХО, самая оптимальная схема привода автомобиля у. заводного детского автомобильчика. Там вся энергия завода тратится сугубо на движение, без холостых оборотов перед светофором и в других случаях. Заманчиво сделать большой накопитель энергии, его мог бы постоянно «подзаводить» небольшой ДВС, а движуха авто обеспечивалсь бы по трансмиссии с заводной пружиной. Проблемы езды на затяжном подъёме, быстрого старта от светофора представляется решаемыми. Никто не считает реального расхода топлива на одну персону с учётом заполненности салона, КПД с учётом соотношения «снаряженной массы» к фактической полезной нагрузке. Пора уже сделать двигатель с переменной мощностью и расходом топлива по примеру ракетных двигателей с разной тягой и расходом топлива. Я нашёл Ваш Блог на просторах интернета, когда сам «изобретал» формулу для расчёта средней мощности, выдаваемой ДВС. Я ещё «изобрёл» формулу для двигателя, который работает стационарно: вместо средней скорости автомобиля, пройденного пути и израсходованного на этом пути топлива, используется часовой расход (л/час). N–средняя мощность двигателя, кВт; q–удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг; Р-часовой расход топлива, л/час; К-переводной коэффициент, =2,7778Е-06. Ещё можно в двигающемся автомобиле учитывать мгновенный расход (л/100км) и скорость, и в маршрутном компьютере будет показываться выдаваемая двигателем мощность, как обороты, например. У меня в голове крутится одна мысль. Правда, это скорее мечта — на реализацию финансов пока не хватает, плюс остаётся вопрос с регистрацией этого дела в ГИБДД. В общем, задумка такая: хочу убрать из автомобиля ДВС и заменить его дизель-электрикой То есть поставить на ось (можно на обе) электрические двигатели, вместо КПП батареи, а вместо ДВС — генератор. Зачем всё это? Так получится как раз та самая «заводная машинка», а если ещё и рекуперацию добавить — это вообще сказка 🙂 У электрических двигателей, на мой взгляд, одни плюсы по сравнению с ДВС — механически намного проще и надёжней, КПД близко к 100%, почти не шумят Конечно, генератор — тот же ДВС, но он, в отличие от своего собрата, будет работать в одном режиме, на который и был спроектирован. То есть опять же меньший износ и более высокий КПД. А рекуперация, кроме экономии топлива, даёт меньший износ тормозов. Пока не наткнулся на ваш блог, задавался вопросом — а хватит ли мощности генератора? Ведь мощность ДВС у моей машины 90 л.с. (около 60 кВт), а под капот хорошо если 10-киловаттный генератор влезет. Понятно, что это только максимальная мощность, а средняя намного меньше. Но я хотел найти конкретные цифры, хотя бы из статистики. Ваш расчёт — 5 кВт — меня обрадовал. Получается, если удастся запихнуть 10-киловаттник, среднюю скорость по прямым чистым участкам он сможет обеспечить и без батарей. А запас в батареях понадобятся для разгона, подъёма и преодоления каши на дорогах Машина у меня — минивэн, с местом особых проблем нет Если генератор не влезет под капот, можно взять мощность чуть поменьше Коробка (на её место думаю поставить батареи) не очень большая, но и батарей, думаю, много не надо — это же не чистый электромобиль Боюсь только, что если когда-нибудь и примусь за реализацию своей мечты, сменю уже не одну машину 🙂 Но, опять же, присматриваюсь к грузовичкам-полуторкам — двухкабинные варианты вместят всю семью, а генератор можно и в кузов поставить, так что может это и к лучшему. Александр Воробьев 02 Окт 2016 10:01 Интересная идея. Только не реализуют ее, думаю, по следующей причине: зачем от дизельного двигателя механическую энергию преобразовывать в электрическую, а затем обратно, когда колесо вот оно — рядом? Дешевле? Сомнительно. Вы правы, массово не реализуют её потому что дорого, плюс все привыкли к ДВС Для выпуска таких авто нужно проектирование, а это совсем не копейки и неизвестно, окупится ли это Электромобили в последнее время завоёвывают популярность благодаря Тесле, но всё равно пока многие смотрят на них с недоверием, хотя другие автопроизводители тоже потихоньку подтягиваются Но всё-таки реализации есть Если не ошибаюсь, карьерные самосвалы и МАЗовские «Ураганы» именно дизель-электрические (не уверен только, что сделано именно так, как я задумал) Кроме того, есть гибридные авто — сразу с ДВС и электродвигателем, где аккумулятор заряжается от ДВС и вроде бы при торможении (в чистых электромобилях — Теслах — рекуперация точно есть) Зачем механическую энергию преобразовывать в электрическую? Я расчёты не проводил, но думаю, что КПД увеличится Во-первых, электродвигатели имеют КПД, близкий к 100% То есть их потерями можно пренебречь, по крайней мере, в грубых расчётах Во-вторых, КПД у ДВС рассчитано только на идеальный режим, который можно достичь только на трассе, и то не всегда В городе же с его пробками и светофорами с этим вообще всё печально Генератор же всегда работает примерно в одном режиме, близком к идеальному Если он будет питать только аккумуляторы, то ему даже увеличивать мощность не придётся при нажатии педали газа, в отличие от ДВС В-третьих, если электродвигатели можно использовать как генераторы, их можно использовать при торможении и дополнительно заряжать аккумуляторы «нахаляву» (хотя на самом деле никакой халявы, конечно, нет, просто обычно энергия от торможения тратится впустую) В Теслах так и сделано — плавное торможение использует двигатели (и работает рекуперация), а обычные тормоза включаются при резком нажатии на педаль То есть ещё и износ тормозной системы снижен Аккумуляторы при зарядке и отдаче, конечно, теряют часть энергии Но намного меньше, чем теряется в коробке, карданах и редукторах Ещё плюс — упрощается ремонт и обслуживание Электродвигатели по сравнению с ДВС вечные, особенно если сравнивать с современными (сейчас их проектируют на меньший расход и более чистый выхлоп, но запас хода при этом сильно теряется) Другая механика — коробка, редукторы, карданы (то есть где нагрузка и износ самые высокие) — становится не нужна Остаётся подвеска, рулевое, тормоза, сами двигатели, ну и «гранаты» для передачи вращения на колёса А генератор проще снять для ремонта, чем ДВС (или вообще заменить, если ремонт уже невозможен) Генератор, кстати, может ещё и для других нужд пригодиться — на даче, например или на пикнике 🙂 Вообще, можно переделать свою машину и в чистый электромобиль — вместо генератора поставить дополнительные батареи и разъём для зарядки Такое давно уже делают специализированные фирмы и у нас, и за рубежом, да и своими руками можно Но в России на таком много не поездишь — заряжать особо негде А если встанешь на трассе — «ведро электронов» никто в «бак» залить не сможет источник Двое ухватились за веревку и тянут ее в разные стороны. Один из них перетянул. Означает ли это, что он прилагает к веревке большую силу, нежели другой? Сравните работы, совершаемые силами, приложенными к веревке. Силы одинаковы по величине; работы тоже одинаковы по величине, но противоположны по знаку, так как в одном случае направления силы, действующей на веревку и ее перемещения совпадают, а в другом случае — противоположны. Чему равна работа А по подъему цепи, взятой за один конец и лежащей на плоскости, на высоту, равную ее длине? Длина цепи l = 2 м, масса m = 5 кг. Оконная шторка массой М = 1 кг и длиной l = 2 м свертывается на тонкий валик наверху окна. Какая при этом совершается работа? Трением пренебречь. Гибкий резиновый шланг длиной l висит так, что один из его концов находится на 1/3 l ниже другого. В шланг налито максимально возможное количество воды; ее плотность равна ρ. Какую минимальную работу нужно совершить, чтобы вылить воду из шланга, поднимая его за нижний конец и удерживая верхний конец на неизменной высоте? Внутренний диаметр шланга d. Массой шланга пренебречь. Радиус закругления шланга в изгибе много меньше l. Цепь массой М и длиной l лежит у границы двух соприкасающихся полуплоскостей из разных материалов. Какую работу надо совершить, чтобы передвинуть цепь на вторую полуплоскость? Коэффициенты трения полуплоскостей с цепью соответственно равны k1 и k2. Решить задачу также графически. Мотор с полезной мощностью 15 кВт, установленный на автомобиле, может сообщить ему при движении по горизонтальному участку дороги скорость 90 км/ч. Тот же мотор, установленный на моторной лодке, обеспечивает ей скорость не выше 15 км/ч. Определить силу сопротивления Fc движению автомобиля и моторной лодки при заданных скоростях. Трамвай массой М проходит по улице, поднимающейся вверх под углом α к горизонту с определенной скоростью. На горизонтальном участке пути он может с той же скоростью идти с прицепным вагоном массой М1. Как велика масса М1, если коэффициент трения качения колес равен k? Мощность двигателя постоянна. . Локомотив, работая с постоянной мощностью, может вести поезд массой М = 2000 т вверх по уклону α1 = 0,005 со скоростью v1 = 30 км/ч или по уклону α2 = 0,0025 со скоростью v2 = 40 км/ч. Определить величину силы сопротивления Fc, считая ее постоянной. Пуля, летящая с определенной скоростью, углубляется в стенку на расстояние l1 = 10 см. На какое расстояние l2 углубляется в ту же стенку пуля, которая будет иметь скорость вдвое большую? Пуля, летящая со скоростью v, пробивает несколько одинаковых досок, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. В какой по счету доске застрянет пуля, если ее скорость после прохождения первой доски равна v1 = 0,83 v? Пуля застрянет в 4-й доске. Какую работу надо совершить, чтобы заставить поезд массой М = 800 т: а) увеличить свою скорость от v1 = 36 км/ч до v2 = 54 км/ч; б) остановиться при начальной скорости v3 = 72 км/ч? Сопротивлением пренебречь. Поезд массой М = 2000 т, двигаясь с места с ускорением a = 0,2 м/с 2 , достигает нужной скорости через минуту, после чего движется равномерно. Определить мощность тепловоза при установившемся движении, если коэффициент сопротивления k = 0,005. Автомобиль массой М = 2000 кг трогается с места и идет в гору, наклон которой α = 0,02. Пройдя расстояние s = 100 м, он развивает скорость v = 32,4 км/ч. Коэффициент сопротивления к = 0,05. Определить среднюю мощность, развиваемую двигателем автомобиля. Ракета массой М с работающим двигателем неподвижно «зависла» над Землей. Скорость вытекающих из ракеты газов u. Определить мощность двигателя. В каком случае двигатель автомобиля должен совершить большую работу: для разгона с места до скорости 27 км/ч или на увеличение скорости от 27 до 54 км/ч? Силу сопротивления и время разгона в обоих случаях считать одинаковыми. Камень массой m = 200 г брошен с горизонтальной поверхности под углом к горизонту и упал на нее обратно на расстоянии s = 5 м через t = 1,2 с. Найти работу бросания. Сопротивлением воздуха пренебречь. Определить работу, которую нужно произвести для того, чтобы сжать пружину на х = 10 см, если для сжатия ее на х = 1 см необходима сила F = 100 Н. Вагон массой М = 2*10 4 кг, двигаясь со скоростью v = 0,5 м/с, ударяется в два неподвижных пружинных буфера. Найти наибольшее сжатие буферов х, если буфер сжимается на 1 см при действии силы 5*10 4 Н. Трением пренебречь. Действуя постоянной силой F = 200 Н, поднимают груз массой М = 10 кг на высоту h = 10 м. Какую работу А совершает сила F? Какой потенциальной энергией U будет обладать поднятый груз? Лифт массой М = 1000 кг равноускоренно поднимался лебедкой. На некотором отрезке пути длиной l = 1 м лифт двигался со средней скоростью vср = 5 м/с и его скорость возросла на Δv = 0,5 м/с. Какую работу совершила сила, перемещающая лифт на указанном отрезке его пути? Какую работу совершит сила F = 30 Н, подняв по наклонной плоскости груз массой m = 2 кг на высоту h = 2,5 м с ускорением a = 10 м/с 2 . Сила действует параллельно наклонной плоскости. Трением о плоскость пренебречь. Некоторая сила толкает тело массой m = 16 кг вверх по наклонной плоскости длиной l = 3,1 м и с наклоном α = 30° к горизонту. 1. Скорость тела у основания наклонной плоскости была v = 0,6 м/с, а у ее верхнего края v1 = 3,1 м/с. Чему равна работа, произведенная силой? Трения нет. 2. Чему равна работа той же силы и какова будет кинетическая энергия тела в верхней точке наклонной плоскости, если есть трение и коэффициент трения k = 0,1? Сила направлена вдоль наклонной плоскости. Грузовой автомобиль массой М = 6*10 3 кг въезжает на паром, привязанный к берегу двумя канатами, со скоростью v = 18 км/ч. Въехав на паром, автомобиль остановился, пройдя при торможении путь s = 10 м. Определить суммарную силу натяжения канатов. Автомобиль, шедший со скоростью v = 54 км/ч, при резком торможении стал двигаться «юзом» (заторможенные колеса не вращаются, скользят по дороге). Определить ускорение a и путь s, который пройдет автомобиль, если коэффициент трения скольжения колес об асфальт: а) в сырую погоду k1 = 0,3; б) в сухую k2 = 0,7. Автомобиль с полностью включенными тормозами (колеса не вращаются) может удержаться на склоне горы с уклоном до 23°. Каков тормозной путь автомобиля s при торможении на горизонтальной дороге при скорости движения 10 м/с? Коэффициент сцепления колес с грунтом на склоне горы и на дороге одинаков. Сани с грузом массой М = 120 кг скатываются по уклону горы под углом к горизонту α = 14°. Длина спуска l = 60 м. Коэффициент трения скольжения саней k = 0,14. Определить: а) ускорение a1 саней при движении с горы; б) скорость v в конце спуска; в) время спуска t1; г) кинетическую энергию Т1; д) какое расстояние s прокатятся сани после спуска по горизонтали; е) сколько времени t2 продолжается движение по горизонтали; ж) ускорение a2 при движении по горизонтальному участку пути. Тело скользит вниз по наклонной плоскости. Угол наклона плоскости к горизонту α = 20°, длина ее l = 4 м, коэффициент трения тела о плоскость k = 0,2. С какой скоростью v будет двигаться тело в момент перехода с наклонной плоскости на горизонтальную поверхность? Бассейн площадью S = 100 м 2 , заполненный водой до уровня h = 1 м, разделен пополам вертикальной перегородкой. Перегородку медленно передвигают в горизонтальном направлении так, что она делит бассейн в отношении 1:3. Какую для этого надо совершить работу, если вода не проникает через перегородку? Два автомобиля одновременно трогаются с места и движутся равноускоренно. Массы автомобилей одинаковы. Во сколько раз средняя мощность двигателя первого автомобиля больше средней мощности второго, если за одно и то же время первый автомобиль развивает скорость вдвое большую, чем второй? Сопротивлением движению пренебречь. Самолет для взлета должен иметь скорость v = 25 м/с. Длина пробега перед взлетом s = 100 м. Какова мощность моторов, если масса самолета m = 1000 кг и коэффициент сопротивления k = 0,02? Считать движение самолета при взлете равноускоренным. Поезд массой М = 5*10 5 кг поднимается со скоростью 30 км/ч в гору с уклоном 10 м на километр. Коэффициент сопротивления k = 0,002. Определить мощность, развиваемую тепловозом. Разогнавшись, конькобежец некоторое время движется по горизонтальной ледяной дорожке равномерно. Затем, перестав отталкиваться, он, двигаясь равнозамедленно, проезжает до остановки путь s = 60 м в течение t = 25 с. Масса конькобежца m = 50 кг. Определить: а) коэффициент трения; б) мощность, затрачиваемую конькобежцем при равномерном движении. Тепловоз тянет поезд, общая масса которого m равна 2000 т. Принимая, что мощность тепловоза N постоянна и равна 1800 кВт и что коэффициент сопротивления k = 0,005, определить: а) ускорения поезда a в те моменты, когда скорость поезда v1 = 4 м/с и когда скорость поезда v2 = 12 м/с; б) максимальную скорость vмакс поезда. Шкив радиусом R делает n оборотов в секунду, передавая ремнем мощность N. Найти силу натяжения Т ремня, идущего без скольжения. Найти мощность воздушного потока, имеющего поперечное сечение в виде круга диаметром d = 18 м и текущего со скоростью v = 12 м/с. Плотность воздуха (при нормальных условиях) ρ = 1,3 кг/м 3 . Горный ручей с сечением потока S образует водопад высотой h. Скорость течения воды в ручье v. Найти мощность водопада. . Уклон участка шоссе равен 0,05. Спускаясь под уклон при выключенном двигателе, автомобиль движется равномерно со скоростью v = 60 км/ч. Какова должна быть мощность двигателя автомобиля, чтобы он мог подниматься на такой же подъем с той же скоростью? Масса автомобиля m = 1,5 т. Грузовики, снабженные двигателями мощностью N1 и N2, развивают скорости соответственно v1 и v2. Какова будет скорость грузовиков, если их соединить тросом? . Аэросани движутся вверх по слабому подъему с установившейся скоростью v1 = 20 м/с; если они движутся в обратном направлении, т. е. под уклон, то при той же мощности двигателя устанавливается скорость v2 = 30 м/с. Какая скорость v установится при той же мощности двигателя во время движения по горизонтальному пути? Поезд массой m = 500 т шел равномерно по горизонтальному пути. От поезда оторвался задний вагон массой m1 = 20 т. Проехав после этого s = 240 м, машинист прекратил доступ пара в машину. На каком расстоянии l друг от друга остановятся оторвавшийся вагон и остальной состав поезда? Предполагается, что сила тяги при работе машины постоянна, а сопротивление движению поезда и вагона пропорционально их массам. Найти работу, которую необходимо совершить, чтобы втащить тело массой m = 50 кг на горку произвольного профиля по плоской траектории из точки А в точку В, расстояние между которыми по горизонтали l = 10 м, а по вертикали h = 10 м. Коэффициент трения между телом и горкой всюду одинаков и равен k = 0,1. Профиль горки такой,что касательная к нему в любой точке составляет острый угол с горизонтом. Сила, приложенная к телу, всюду действует по касательной к траектории его перемещения. источник
Таким образом, эта теория охватывает два из трех звеньев интересующей нас системы «водитель — автомобиль — дорога». Но движение автомобиля возникает (и законы движения вступают в силу) только после того или иного, правильного или неправильного действия водителя. Увы, влиянием этого действия на поведение автомобиля мы иной раз пренебрегаем. Так, не всегда принимаем в расчет, исследуя разгон, что его интенсивность зависит, кроме характеристик машины и дороги, еще и от того, в какой степени водитель их учитывает, например сколько секунд он тратит на переключение передач. Подобных примеров можно привести множество.
Задача наших бесед — помочь водителю правильно Понимать и учитывать законы поведения автомобиля. Тем самым можно обеспечить, на научной основе, максимальное использование качеств автомобиля, заложенных в его технической характеристике, и безопасность движения при наименьших затратах энергии — механической (автомобиля), физической и психической (водителя).
Законы поведения автомобиля принято группировать вокруг следующих его качеств:
динамичности движения, то есть скоростных свойств;
проходимости, то есть способности преодолевать (или обходить) препятствия;
устойчивости и управляемости, то есть способности послушно идти по заданному водителем курсу;
плавности хода, то есть обеспечения благоприятной характеристики колебаний пассажиров и груза в кузове (не путать с плавностью работы двигателя и автоматической трансмиссии!);
экономичности, то есть способности совершать полезную транспортную работу при минимальном расходе топлива и других материалов.
Законы поведения автомобиля, относящиеся к разным группам, в большой мере взаимосвязаны. Если, например, некий автомобиль не обладает хорошими показателями плавности хода и устойчивости, то водителю трудно, а в иных условиях невозможно поддерживать нужную скорость, хотя бы и при высоких динамических показателях машины. Даже такие, казалось бы, второстепенные факторы, как акустические данные, влияют опять-таки на динамичность: многие водители предпочтут вялый разгон интенсивному, если последний у данной модели сопровождается сильным шумом двигателя и трансмиссии.
Между элементами системы «водитель — автомобиль — дорога» существуют связующие звенья. Между дорогой и водителем — это информация, воспринимаемая его зрением и слухом» Между водителем и автомобилем — органы управления, воздействующие на его механизмы, и обратная реакция, воспринимаемая мышцами, органами равновесия водителя и опять-таки зрением (приборы) и слухом. Между автомобилем и дорогой (средой) — поверхность контакта шин с дорогой (а также соприкасающаяся с воздухом поверхность кузова и других частей машины).
Все это как будто хорошо известно автомобилистам, но не всегда и не все они одинаково трактуют те или иные понятия. А наука требует точности, строгости. Поэтому необходимо, прежде чем изучать поведение автомобиля в разных ситуациях, кое о чем напомнить и условиться. Таким образом, мы поговорим о том, чем располагает водитель, отправляясь в путь.
В первую очередь — о массе автомобиля. Нас будут интересовать только два его так называемых весовых состояния — «полная масса» и состояние, которое условно назовем ходовым. Массу называют полной, когда автомобиль — с водителем, пассажирами (по числу мест в кузове) и грузом, причем полностью заправлен топливом, смазкой и другими жидкостями, укомплектован запасным колесом и инструментом. Масса пассажира принимается равной 76 кг, багажа — по 10 кг на человека. При ходовом состоянии «на борту» находится водитель, но нет ни пассажиров, ни груза: то есть автомобиль может передвигаться, но не загружен. О «собственной» (без водителя и нагрузки) и тем более «сухой» массе (помимо того без топлива, смазки и т. д.) говорить не будем, так как в этих состояниях машина не может двигаться.
Большое влияние на поведение автомобиля оказывает распределение его массы по колесам, или его так называемая осевая нагрузка, и нагрузка, приходящаяся на каждое колесо и шину. У современных легковых автомобилей в ходовом состоянии на передние колеса приходится 45—60% массы, на задние — 55—40%. Первые числа относятся к автомобилям с задним расположением двигателя, вторые — к переднемоторным. С полной нагрузкой отношение меняется на примерно обратное (у «Запорожца», правда, незначительно). У грузовиков масса в ходовом состоянии распределяется между колесами почти поровну, полная же масса — в отношении около 1 : 2, то есть задние колеса нагружены вдвое больше передних. Поэтому на них устанавливаются двойные скаты.
Вез источника энергии, как и без водителя, наш «Москвич» или ЗИЛ не мог бы двигаться. Только на спусках или после разгона автомобиль может пройти известный отрезок пути без помощи двигателя, расходуя накопленную энергию. У большей части автомобилей источником энергии служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Применительно к теории автомобиля водителю о нем необходимо знать сравнительно немного, а именно — что он дает для движения. Это мы выясним, рассмотрев скоростные характеристики. Кроме того, надо представлять себе, в каком количестве двигатель расходует топливо, то есть знать его экономическую, или топливную, характеристику.
Как видим, число оборотов при наибольшем количестве «кГм» значительно меньше числа оборотов, соответствующих максимуму «л. с». Это значит, что если дроссельная заслонка карбюратора полностью открыта, то вращающий момент при сравнительно небольших мощности двигателя и скорости движения автомобиля будет наибольшим, а при уменьшении или увеличении числа оборотов величина момента снизится. Что в этом положении важно для автомобилиста? Важно, что пропорционально моменту изменяется и тяговое усилие на колесах автомобиля. При езде с дросселем, не полностью открытым (см. график), всегда можно увеличить мощность и момент, сильнее нажав на педаль акселератора.
Тут, забегая вперед, уместно подчеркнуть, что мощность, переданная к ведущим колесам, не может оказаться больше той, что получена от двигателя,какие бы устройства ни были применены в системе трансмиссии. Другое дело — вращающий момент, который можно изменять, вводя в трансмиссию пары шестерен с соответствующими передаточными числами.
Описание характеристик двигателя приведено здесь несколько упрощенно, но оно достаточно для практической оценки динамических и экономических показателей автомобиля.
Механизмы не только передают энергию от двигателя, но и сами частично расходуют ее — на трение (пробуксовку) дисков сцепления, трение зубьев шестерен, а также в подшипниках и карданных сочленениях и на взбалтывание масла (в картерах коробки передач, ведущего моста). От трения и взбалтывания масла механическая энергия превращается в тепловую и рассеивается. Этот «накладной расход» непостоянен — он увеличивается, когда в работу включается дополнительная пара шестерен, когда карданные шарниры работают под большим углом, когда масло очень вязкое (в холодную погоду), когда на повороте активно работают шестерни дифференциала (при движении по прямой их работа невелика).
КПД трансмиссии равен приблизительно:
— для легковых автомобилей 0,91—0,97,
для грузовых — 0,85 0,89.
При движении на повороте эти величины ухудшаются, то есть снижаются, на 1—2%. при езде по очень неровной дороге (работа карданов) — еще на 1—2%. в холодную погоду — еще на 1—2%, при движении на низших передачах — еще примерно на 2 %. Так что, если все эти условия движения наступают одновременно, «накладной расход» увеличивается почти вдвое, и значение КПД может снизиться у легкового автомобиля до 0,83—0,88, у грузового — до 0,77—0,84.
Основную нагрузку от массы автомобиля воспринимает воздух, находящийся в камере шины. На единицу количества воздуха должно приходиться определенное, всегда одинаковое количество килограммов нагрузки. Другими словами, отношение нагрузки, приходящейся на колесо, к количеству сжатого воздуха в камере шины должно быть постоянным. На основе этого положения и с учетом жесткости шины, действия центробежной силы при вращении колеса и т. д. найдена примерная зависимость между размерами шины, внутренним давлением р в ней и приходящейся на шину допустимой нагрузкой Gk—
Для радиальных шин коэффициент Ш равен — 4,25; для грузовых большего размера — 4. Для шин с метрическими обозначениями величина Ш составляет соответственно 0,00775; 0,007; 0,0065 и 0,006. Размеры шин вписывают в уравнение такими, как они фиксированы в ГОСТах на шины — в дюймах или миллиметрах.
Следует обратить внимание на то, что размер диаметра обода входит в наше уравнение в первой степени, а размер (диаметр) сечения профиля — в третьей, то есть в кубе. Отсюда вывод: решающее значение для грузоподъемности шины имеет сечение профиля, а не диаметр обода. Подтверждением может служить и такое наблюдение: записанные в ГОСТе величины допустимой нагрузки на шину почти пропорциональны квадрату размера сечения.
Из размеров шины нас будет особо интересовать радиус rк качения колеса, причем так называемый динамический, то есть замеренный при движении автомобиля, когда этот радиус увеличивается, по сравнению со статическим радиусом колеса с шиной, от ее нагрева и от действия центробежной силы. Для дальнейших расчетов можно принять rк равным половине диаметра шины, приведенного в ГОСТе.
Подведем итог. Водителю даны: автомобиль с определенной массой, которая распределяется на передние и задние колеса; двигатель с известной характеристикой мощности, вращающего момента и оборотов; трансмиссия с известными коэффициентом полезного действия и передаточными числами; наконец, колеса с шинами определенных размеров, грузоподъемности и внутреннего давления.
Задача водителя — в том, чтобы использовать все это богатство наивыгоднейшим образом: достигнуть цели поездки быстрей, безопасней, с наименьшими расходами, с наибольшими удобствами для пассажиров и сохранностью груза.
Gk — вертикальная нагрузка;
Мk — вращающий момент, приложенный к колесу;
Рk — тяговое усилие;
Rв — вертикальная реакция;
Rг — горизонтальная реакция.
Тяговую силу Рk можно вычислить, разделив вращающий момент, подведенный к ведущим колесам, на их радиус качения. Напомним, что поступающий от двигателя к колесам вращающий момент коробка и главная передача увеличивают в несколько раз соответственно своим передаточным числам. А поскольку в трансмиссии неизбежны потери, то величину этого возросшего момента надо умножить на коэффициент полезного действия трансмиссии.
Но вернемся к тяговой силе Рk. Она представляет собой воздействие ведущих колес на дорогу, на что дорога отвечает равной по величине и противоположной по направлению силой реакции Rr. Прочность контакта (то есть сцепления) колеса с дорогой, а значит, и величина реакции Rr, пропорциональна (школьный курс физики) силе Gk (а это часть массы машины, приходящаяся на колесо), прижимающей колесо « дороге. И тогда максимально возможное значение Rr будет равно произведению φ и приходящейся на ведущее колесо части массы автомобиля (то есть Gk). φ — коэффициент сцепления, знакомство с которым состоялось только что.
И теперь мы можем сделать несложный вывод: если тяговая сила Рk будет меньше реакции Rr или, в крайнем случае, равна ей, то колесо буксовать не станет. Если же эта сила окажется больше реакции, то наступит пробуксовка.
На первый взгляд кажется, что коэффициент сцепления и коэффициент трения — понятия равнозначные. Для дорог с твердым покрытием такой вывод довольно близок к действительности. На мягком же грунте (глина, песок, снег) картина иная, и буксование наступает не от недостатка трения, а от разрушения колесом слоя почвы, находящегося с ним в контакте.
Возвратимся, однако, на твердую почву. Когда колесо катится по дороге, оно испытывает сопротивление движению. За счет чего?
Дело в том, что шина деформируется. При перекатывании колеса к точке контакта все время подходят сжатые элементы шины, а отходят — растянутые. Взаимное перемещение частиц резины вызывает трение между ними. Деформация шиной грунта тоже требует затрат энергии.
Практика показывает, что сопротивление качению должно возрастать с понижением давления в шине (увеличиваются ее деформации), с увеличением окружной скорости шины (ее растягивают центробежные силы), а также на неровной или шероховатой поверхности дороги и при наличии крупных выступов и углублений протектора.
Это на твердой дороге. А мягкую или не очень твердую, даже размягченный от жары асфальт, шина проминает, и на это тоже затрачивается часть тяговой силы.
Силу Pf сопротивления качению автомобиля (на определенной скорости) подсчитывают несколько упрощенно, как произведение полной массы автомобиля и коэффициента f сопротивления качению.
Может показаться, что силы сцепления Рφ и сопротивления качению Рf тождественны. Далее читатель убедится, что между ними есть различия.
Чтобы автомобиль двигался, тяговая сила должна быть, с одной стороны, меньше силы сцепления колес с грунтом или, в крайнем случае, равна ей, а с другой — больше силы сопротивления движению (которая при езде с невысокой скоростью, когда сопротивление воздуха незначительно, можно считать равной силе сопротивления качению) или же равна ей.
В зависимости от скорости вращения вала двигателя и открытия дроссельной заслонки вращающий момент двигателя изменяется. Почти всегда можно найти такое сочетание значений вращающего момента двигателя (соответствующим нажимом на акселератор) и выбора передач в коробке, чтобы постоянно быть в рамках только что названных условий движения автомобиля.
Для умеренно быстрого движения по асфальту (как следует из таблицы) необходима значительно меньшая тяговая сила, чем та, какую автомобили способны развить даже на высшей передаче. Поэтому ехать нужно с полуприкрытой дроссельной заслонкой. В этих условиях машины, как говорят, обладают большим запасом тяги. Этот запас необходим для разгона, обгона, преодоления подъемов.
На асфальте, если он сухой, сила сцепления, за редким исключением, больше тяговой силы на любой передаче в трансмиссии. Если же он мокрый или обледенелый, то движение на пониженных передачах (и троганье с места) без буксования возможно только при неполном открытии дроссельной заслонки, то есть со сравнительно небольшим моментом двигателя.
Во-первых, наносим шкалу скорости движения, совмещая соответственные значения числа оборотов ne вала двигателя и скорости Va, для чего пользуемся специальной формулой.
Во-вторых, вычитая графически (отмеряя вниз по вертикали соответствующие отрезки) из кривой внешней характеристики потери мощности (0,lNe), получим другую кривую, показывающую мощность Nk, подводимую к колесам (КПД трансмиссии мы приняли равным 0,9).
Теперь можно построить кривые расхода мощности. Отложим от горизонтальной оси графика отрезки, соответствующие расходу мощности Nf на сопротивление качению. Подсчитываем их по уравнению:
Отметим, что багаж на крыше увеличивает сопротивление воздуха в 2 — 2,5 раза, прицепная дача — в 4 раза.
Отрезки между кривыми Nw и Nk характеризуют так называемую избыточную мощность, запас которой может быть использован на преодоление прочих сопротивлений. Точка пересечения этих кривых (крайняя справа) соответствует наибольшей скорости, которую способен развить автомобиль на горизонтальной дороге.
Изменяя коэффициенты или масштабы шкал скорости (в зависимости от передаточных чисел), можно построить графики баланса мощности для движения по дорогам с разными покрытиями и на разных передачах.
Далее, если отложим вверх от кривой Nw отрезки, соответствующие, например, мощности, которую нужно израсходовать на преодоление определенного подъема, то получим новую кривую и новую точку пересечения. Эта точка соответствует наибольшей скорости, с которой без разгона может быть взят данный подъем.
α — угол подъема;
Н — высота подъема;
S — длина подъема.
Автомобилю «Жигули», например, на ровном асфальте приходится преодолевать сопротивление качению примерно 25 кгс, ГАЗ—53А — около 85 кгс. Значит, им для преодоления подъема на высшей передаче со скоростью соответственно 88 или 56 км/ч (то есть при наибольшем моменте двигателя), с учетом сил сопротивления воздуха около 35 и 70 кгс, остается сила тяги около 70 и 235 кгс. Разделим эти значения на величины полной массы автомобилей и получим уклоны 5 — 5,5 и 3 — 3,5%. На третьей передаче (тут скорость меньше, и сопротивлением воздуха можно пренебречь) наибольший угол преодолеваемого подъема составит около 12 и 7%, на второй — 20 и 15%, на первой — 33 и 33%.
Подсчитайте однажды и запомните значения подъемов, посильных вашему автомобилю! Кстати, если он снабжен тахометром, то запомните также число оборотов, соответствующее наибольшему моменту — оно записано в технической характеристике автомобиля.
Силы сцепления колес с дорогой на подъеме и на ровной дороге различны. На подъеме происходит разгрузка передних колес и дополнительное нагружение задних. Сила сцепления задних ведущих колес увеличивается, и их буксование становится менее вероятным. У машин с передними ведущими колесами сила сцепления при движении на подъем уменьшается, и вероятность их буксования выше.
Перед подъемом выгодно дать автомобилю разгон, накопить энергию, которая даст возможность взять подъем без существенного снижения скорости и, может быть, также без перехода на низшую передачу.
Существуют более точные, чем описанные нами, методы расчета (динамическая характеристика, предложенная академиком Е. А. Чудаковым, и другие), но пользование ими — дело довольно сложное. Вместе с тем есть и вовсе простые приблизительные методы расчета.
- http://wiki.zr.ru/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%8B_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D1%8F
- http://vedy.by/Vedy/Home/PartitionView/16591
- http://legkoe-delo.ru/remont-avtomobilya/avto/83549-moshchnost-dvigatelya-avtomobilya
- http://fizikazadachi.ru/mehanika/rabota_moshhnost_energiya/