Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобилей таблица

Аэродинамические коэффициенты и лобовая площадь автомобилей

Примечание: cx,Н·с2/м·кг; кw,Н·с2/м4– аэродинамические коэффициенты ;

,м2– лобовая площадь автомобиля.

Для автомобилей, имеющих высокие скорости движения, сила Рw

имеет существенное значение. Сопротивление воздушной среды определяется относительной скоростью автомобиля и воздуха, поэтому при её определении следует учитывать влияние ветра.

Точка приложения результирующей силы сопротивления воздуха Рw

(центр парусности) лежит в поперечной (лобовой) плоскости симметрии автомобиля. Высота расположения этого центра над опорной поверхностью дорогиhwоказывает значительное влияние на устойчивость автомобиля при движении его с высокими скоростями.

Увеличение Рw

может привести к тому, что продольный опрокидывающий моментРw·hwнастолько разгрузит передние колеса машины, что последняя потеряет управляемость вследствие плохого контакта управляемых колес с дорогой. Боковой ветер может вызвать занос автомобиля, который будет тем более вероятен, чем выше расположен центр парусности.

Попадающий в пространство между нижней части автомобиля и дорогой воздух создает дополнительное сопротивление движению за счет эффекта интенсивного образования вихрей. Для снижения этого сопротивления желательно передней части автомобиля придавать конфигурацию, которая препятствовала бы попадание встречного воздуха под его нижнюю часть, которая по возможности должна быть плоской.

По сравнению с одиночным автомобилем коэффициент сопротивления воздуха автопоезда с обычным прицепом выше на 20…30%, а с седельным прицепом – примерно на 10%. Антенна, зеркало внешнего вида, багажник над крышей, дополнительные фары и другие выступающие детали или открытые окна увеличивают сопротивление воздуха.

При скорости движения автомобиля до 40 км/ч

силаРwменьше силы сопротивления качениюРfна асфальтированной дороге. Свыше 100км/чсила сопротивления воздуха представляет собой основную составляющую тягового баланса автомобиля.

Грузовые автомобили имеют плохо обтекаемые формы с резкими углами и большим числом выступающих частей. Чтобы снизить Рw

, на грузовиках устанавливают обтекатели и другие приспособления.

Сопротивление ускорению ( Рj

).При разгоне (замедлении) автомобиль преодолевают силы инерции поступательно движущихся масс, а также моменты инерции ускоренно вращающихся масс.Сила инерции Рjп

поступательно движущейся массы автомобиля приложена в центре его массы и определяется по формуле:

Рjп

=m(dv/dt) = (G/g)(dv/dt),

где dv/dt

— ускорение автомобиля.

Это уравнение справедливо, когда все части машины движутся только поступательно.

В действительности значительные сопротивления приходится также преодолевать на разгон вращающихся деталей двигателя и трансмиссии, а также колес. В связи с этим при определении полной силы сопротивления разгону Рj

вводится коэффициентβ(иногда его обозначаютδвр), учитывающий влияние моментов инерции вращающихся частей:

=β·Рjп=β·m·(dv/dt) =· β·(G/g)(dv/dt).

Очевидно, что коэффициент β

всегда больше единицы.

Этот коэффициент β

, учитывающий инерционность вращающихся масс двигателя, трансмиссии и колес автомобиля, зависит от многих факторов и прежде всего от квадрата передаточного числа коробки передачiкп:

= (1,03…1,05) (0,04…0,06)·iкп2.

Для практических расчетов можно пользоваться зависимостью:

= 1,04 0,05·iкп2.

Сила тягового (крюкового) сопротивления Ркр прицепных повозок определяется величиной сопротивления прицепных машин. Сила сопротивления прицепов при выполнении машиной транспортных работ определяется формулой:

Ркр

=mп·g·fп mп·g ·sin α = mп·g(fп ·sin α) = Gп(fп ·sin α),где mп

иGп– масса и вес прицепа;

— коэффициент сопротивления качению прицепа.

Уравнение тягового баланса автомобиля

Уравнение тягового баланса показывает, как распределяется касательная сила тяги Рк

, возникающая в результате взаимодействия ведущих колес автомобиля с опорной поверхностью, на различные сопротивления движению:

— сила сопротивления качению Рf ;

— сила сопротивления подъему Рh

, которая является составляющей силы тяжестиGавтомобиля, параллельной его оси (G·sinα);

— приведенная сила инерции Рj

, возникающая при изменении скорости движения; при ускоренном движении берется со знаком плюс, при замедлении – со знаком минус;

— сила сопротивления воздуха Рw

В общем случае тяговый баланс автомобиля отображают следующей зависимостью:

=Рf Рw ± Рh ± Рj,

Касательную силу тяги при установившемся движении подсчитывают как частное от деления ведущего момента на динамический радиус rд ≈ rк

(радиус качения) ведущего колеса:

=Мк·iтр·ηт / rк,

где Мк

– крутящий момент двигателя;

iтр —

передаточное число трансмиссии;

ηт —

КПД, учитывающий потери энергии в трансмиссии.

Если написать уравнение силового баланса в виде:

Рк — Рf — Рw = Рh Рj

то выражение в правой части уравнения показывает избыток силы тяги, который остается после учета затрат на преодоление сопротивления качению и воздуха, и может быть израсходован на преодоление подъема или разгона. Его называют запасом тяги

и обозначаютРи. Следовательно, уравнение тягового баланса можно записать в виде:

=Рк — Рf — Рw.

При установившемся движении по горизонтальной дороге с максимальной скоростью тяговая сила расходуется полностью на преодоление сопротивления воздуха и качения:

=Рf Рw.

Если автомобиль используется в качестве тягача, то в уравнение тягового баланса необходимо учитывать усилие на крюке Ркр

Уравнение тягового баланса применяется в теории автомобиля для определения скорости движения при тех или иных эксплуатационных условиях.

Тяговые возможности автомобиля удобно оценивать с помощью графической интерпретации тягового баланса. Наибольший интерес представляют максимальные значения тяговой силы, реализуемые на различных передачах и при различных скоростях движения. Очевидно, что они могут быть получены при работе двигателя с максимально возможной подачей топлива.

илитяговой характеристики(рис.1).

Точки пересечения кривой Рк

с линией суммарного сопротивления (Рf Рw) соответствуют равенству этих сил, то есть возможности движения автомобиля с максимальной скоростью, равной величинеvмах. Для снижения скорости водитель должен уменьшить подачу топлива, снизитьМедвигателя.

Если дорожные условия изменились (например, сила сопротивления качению возросла сРf1доРf2 ), то при полной подаче топлива скорость автомобиля снижается и соответствует точке пересечения кривыхРкиРf2.

Точка перегиба кривойРкна рис.1 соответствует скорости, при которой автомобиль преодолевает максимальное сопротивление, развивая тяговое усилиеРк мах. При включении низшей передачи касательная сила тягиРкувеличивается, и автомобиль может преодолевать большие сопротивления.

Рис.1. Тяговая характеристика автомобиля.

Мощностной баланс автомобиля

Распределение мощности двигателя по отдельным видам сопротивлений носит название мощностного баланса

и может быть представлено в виде следующего уравнения:

Nе = Nт Nf Nw ± Nh ± Nj

, или

Nе·ηт = v·

(Рf Рw ± Рh ± Рj),

где ηт

,v–КПДтрансмиссии и скорость движения автомобиля.

Мощность, потерянная в трансмиссии машины, может быть определена как:

=Nе(1— ηт).

Потери мощности на самопередвижение машины (мощности сопротивления качению) определяется по формуле:

Nf = Рf·v = f·G·v

где Рf

— сила сопротивления качению;

— сила тяжести (вес) машины;

— коэффициент сопротивления качению.

Мощность сопротивления подъему может быть определена по формуле:

Nh = Рh·v = G·v·sin α

где Рh

— сила сопротивления подъема;

— угол подъема.

При движении под уклон величина Nh

берется со знаком минус.

Мощность сопротивления разгону определяется так:

Nj = Рj ·v = G·v·β·(dv/dt)·(

1/g),

где Рj

– сила сопротивления разгону;

— коэффициент учета влияния на разгон вращающихся масс;

— ускорение свободного падения;

dv/dt

— ускорение автомобиля.

В случае замедленного движения Nj

берется со знаком минус.

При движении автомобиля возникают различные сопротивления, величина которых зависит от эксплуатационных и конструктивных факторов (см. предыдущий параграф). На преодоление сопротивлений расходуется определенная мощность двигателя, что непосредственно влияет на производительность автомобиля.

Пример расчета и построения диаграммы мощностного баланса автомобиля.

Выше отмечалось, что мощностной баланс автомобиля представляет собой зависимость мощности Nк на колесах автомобиля для всех передаточных отношений iкп в коробке переключения передач, мощности сопротивлений качению и воздуха от скорости движения машины v.

Рк = Рf Рw. Рf = G ·f. Рw = кw ·F·v2

В таблице 3 в качестве примера представлены данные расчета параметров мощностного баланса легкового автомобиля типа ВАЗ- 2109 (с 5-искоростной КП: iкп= 3,636; 1,950; 1,357; 0,941; 0,748) для двух вариантов дорожных условий (сухое асфальтовое покрытие f01 =0,015 и твердая грунтовая дорога f02 = 0,03).

Величины коэффициента сопротивления качению для различных скоростей движения автомобиля подсчитаны по зависимости и приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Величины максимальных значений скоростей должны совпадать с результатами, полученными из графика мощностного баланса автомобиля.

Рис.2. Диаграмма мощностного баланса автомобиля.

Таблица 3.

Самостоятельные работы студентов

Тема:Тяговый баланс автомобиля.

Задание. Определить, с каким ускорением разгоняется по ровной дороге автомобиль массой 2 т

на третьей передаче, если известно, что радиус качения колес равен 33см; крутящий момент двигателя 300Н·мпри 3500мин –1; коэффициент сопротивления качению 0,02; коэффициент, учитывающий инерционность вращающих деталей автомобиля и двигателя 1,08; передаточное число трансмиссии на третьей передаче 4,5; коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля 0,4; его фронтальная площадь 1,8м2.

Задание. С учетом опорно-сцепных качеств движителя определить режим движения (штатный или с буксованием) переднеприводного автомобиля массой 1,5 тонны с межосевым распределением веса G1 : G2

= 4 : 6 по мокрой грунтовой дороге (f= 0,03,φ= 0,3) на горизонтальном участке и при подъеме (α= 300). Сравнить с режимом движения в этих условиях полноприводного автомобиля.

Задание. Определить, какую мощность развивает двигатель грузового автомобиля массой 10 тонн, движущегося на подъеме (α

= 300) по грунтовой дороге (f= 0,03) со скоростью 20км/ч, при условии, что КПД трансмиссии равен 0,85, а сопротивление воздуха ничтожно мало.

Глава 3.

Тягово-скоростные свойства автомобиля

Динамическая характеристика.

Уравнения тягового и мощностного балансов (глава 2) включают параметры, характеризующие динамические качества автомобиля (ψ, v, dv/dt

). Но они неудобны для сравнения между собой автомобилей, имеющих различный вес (массу).

Перенесем силу сопротивления воздуха из правой части уравнения тягового баланса в левую:

—Рw=Рf Рh Рj.

Разделим обе части полученного уравнения на полный вес автомобиля G

(Рк

—Рw) /G=(Рf Рh Рj) /G.

В развернутом виде это уравнение имеет вид:

Ме·iтр·ηт / rк ·G – кw·Fw·v2/G = f·cosα sinα (β/g) ·(dv/dt)

. (1)

Выражение, находящееся в левой части этого уравнения, отражающее отношение избыточной тяговой силы (Рк

—Рw) к весу автомобиляG, получило названиединамического фактора, и служит для оценки тяговых или динамических качеств различных автомобилей в различных условиях их движения (качество дороги, нагрузка автомобиля и т.д.).

Важным достоинством этого фактора является то, что в условиях установившегося движения численные значения динамического фактора и суммарного коэффициента дорожного сопротивления равны (ψ = D

). В этом случае, зная динамический фактор автомобиля, можно сразу определить, какое дорожное сопротивление он может преодолеть.

По определению динамический фактор есть отношение избыточной тяги к полному весу автомобиля, и является обобщенным показателем его динамических свойств:

D = (Рк — Рw)/G

Как следует из уравнения (1) левая его часть отражает величину избыточной силы тяги, которая преодолевает силу сопротивления качению и силу инерции.

Из уравнения тягового баланса для установившегося движения по горизонтальной дороге следует:

D = (Рк — Рw)/G = Рf /G = f

При движении без ускорения на подъем (j

= 0):

D = ψ ,

ψ= f sinα –

коэффициент дорожного сопротивления.

Отсюда следует, чем больше динамический фактор, тем больший подъем может быть преодолен автомобилем:

sinα

=D—f.

Для ускоренного или замедленного движения по горизонтальной дороге (α

= 0):

D= (Рf ± Рj)/G = f ± (β/g)·(dv/dt)

Следовательно, чем величина D

, тем большее ускорение при прочих равных условиях может развивать автомобиль:

dv/dt

=j= (D—f)·(g/β). (2)

Из выражения (1) следует, что:

sinα

=D–f (β/g) ·(dv/dt).

Таким образом, за счет использования инерции автомобиля преодолеваемый им подъем может быть увеличен.

Так как касательная сила тяги и сила сопротивления воздуха изменяются в функции скорости, то и динамический фактор зависит от скорости. График, показывающий изменение динамического фактора в зависимости от скорости движения D = f(v)

автомобиля на различных передачах, называетсядинамической характеристикой автомобиля(рис.1). Это основная характеристика автомобиля, отражающая его тягово-скоростные качества.

При построении этой характеристики по оси абсцисс откладывается скорость движения автомобиля, а по оси ординат – динамический фактор в виде десятичной дроби или в процентах. График служит в качестве основного показателя, наглядно характеризующего динамику автомобиля.

При установившемся движении автомобиля по горизонтальной дороге, когда динамический фактор равен коэффициенту сопротивления качению (D = f

), значенияfоткладываются по оси ординат динамической характеристики в том же масштабе, что и динамический фактор, в виде десятичной дроби или в процентах.

Отрезки ординат, заключенные междукривыми D

иf, представляют собой ту часть динамического фактора, которая может быть использована для разгона автомобиля (запас по динамическому фактору при разгоне).

Максимальное сопротивление качению, которое автомобиль может преодолеть при движении на какой либо передаче, определяется максимальным значением динамического фактора на этой передаче, достигаемым примерно при той же скорости, что и соответствующие Рк mах

. В этом случае движение возможно лишь при одной определенной скорости, называемой критической (vкр).

Так же как и величина максимальной касательной силы тяги Рφ

, максимальное значение динамического фактора ограничивается сцеплением шин ведущих колес автомобиля с опорной поверхностьюDφ. Поэтому все значения динамического фактора, превышающие его возможную величину по сцеплению, которое подсчитывается по формуле:

Dφ = (Рφ — Рw )/G

, (3)

не могут быть практически реализованы в данных дорожных условиях.

Предельная по буксованию является величина Dφ

, которая может иметь место обычно на низшей передаче, когдаРwможно принять равной нулю, аРк=Рφ mах. При этом:

Dφ = Рφ мах /G =φ ·λ

(λ– вес автомобиля, приходящийся на его ведущие колеса). Для полноприводного автомобиляλ=1, поэтомуDφ=φ.

На динамической характеристике автомобиля можно отметить несколько характерных точек

, которые часто приводятся в технических характеристиках автомобиля.

vmax

– максимальная скорость движения автомобиля по дороге, характеризуемой суммарным коэффициентом дорожного сопротивленияψ= 0,015;

— динамический фактор на прямой дороге при некоторой наиболее употребительной для данного типа автомобиля скорости движения (обычно 0,4…0,5 отvmax);

D’max

— максимальное значение динамического фактора на высшей передачи и соответствующее ему значение критической скоростиvкр, определяющие возможность движения автомобиля на тяжелой дороге;

— динамический фактор на промежуточных передачах, характеризующий способность автомобиля к преодолению длительных подъемов;

Dmax

— максимальный динамический фактор на низшей передаче, характеризующий возможность преодоления максимального дорожного сопротивления.

Приведенные пять характерных точек достаточно полно определяют динамические качества автомобиля.