Definirea conditiilor de autopropulsare

DEFINIREA CONDITIILOR DE AUTOPROPULSARE

Deplasarea autovehiculului în conditiile cerute de performante în ceea ce piveste dinamicitatea, consumul de combustibil, siguranta si confortul calatoriei, cerinte ce impun anumite reguli si elemente constructive, presupune cunoasterea influentelor exterioare ce se opun înaintarii autovehiculului.

Definirea conditiilor de autopropulsare, care precede calcul de tractiune, împreuna cu care conditioneaza performantele autovehiculului, cuprinde precizarea, functie de tipul, caracteristicile si destinatia autovehiculului, a cauzelor fizice pentru fortele de rezistenta ce actioneaza asupra autovehiculului, a factorilor specifici de influenta si stabileste relatiile analitice de evaluare cantitativa a acestor forte.

În procesul autopropulsarii autovehiculului, asupra acestuia actioneaza, dupa directia vitezei de deplasare, doua tipuri de forte:

forte active – fortele care au acelasi sens cu cel al vitezei de deplsare;

fortele de rezistenta – fortele care sunt de sens opus sensului vitezei de deplasare.

Fortele de rezistenta, cunoscute sub denumirea de rezistente la înaintare sunt urmatoarele:

rezistenta la rulare – este o forta ce se opune înaintarii autovehiculului si este determinata de fenomenele ce se produc la rularea rotilor pe calea de rulare;

rezistenta aerului – este o forta ce se opune înaintarii autovehiculului si este datorata interactiunii dintre autovehiculul în miscare si aerul considerat în repaus;

rezistenta pantei – este o forta dotorata înclinarii longitudinale a drumului si reprezinta o forta de rezistenta la urcarea pantelor, si o forta activa la coborârea pantelor;

rezistenta la demaraj – este o forta datorata inertiei autovehiculului în miscare si reprezinta o forta de rezistenta în timpul miscarii accelerate si do forta activa în regimul miscarii decelerate.

Miscarea autovehiculului, consecinta a actiunii asupra lui a fortelor active si de rezistenta poate fi:

miscare uniforma (cu viteza constanta);

miscare accelerata (viteza creste) – regim numit “regimul demararii”;

miscare decelerata (viteza scade); aceste regim poate fi realizat prin rulare libera, când regimul decelerat este datorat încetarii actiunii fortei de tractiune si prin frânare, când regimul decelerat este datorat actiunii fortei de frânare dezvoltata la rotile automobilului.

Autopropulsare autovehiculului se datoreaza energiei mecanice primite de rotile motoare de la motorul autovehiculului si este posibila când aceasta energie este în concordanta cu necesarul de momente si puteri pentru învingerea rezistentelor la înaintare. De aici rezulta ca deosebit de importanta în definirea conditiilor de autopropulsare cunoasterea, pentru fiecare din rezistentele la înaintare, a cauzelor fizice care le genereaza, a principalelor marimi si factori de influenta si a posibilitatilor de evaluare analitica,

1. Rezistenta la rulare

1.1. Generarea rezistentei la rulare

Rezistenta la rulare, R_r, este o forta cu actiune permanenta datorata exclusiv rostogolirii rotilor pe cale, si este de sens opus sensului de deplasare al automobilului.

Cauzele fizice ale rezistentei la rulare sunt:

deformarea cu histerezis a pneului;

frecarile superficiale dintre pneu si cale;

frecarile din lagarele butucului rotii;

deformarea caii de rulare;

percutia dintre elementele benzii de rulare si microneregularitatile caii de rulare;

efectul de ventuzare produs de profilele cu contur închis de pe banda de rulare pe suprafata neteda a caii de rulare.

Între cauzele amintite mai sus, în cazul autoturismelor – care se deplaseaza pe cai rigide, netede, aderente – ponderea importanta o are deformarea cu histerezis a pneului.

Ca urmare a modului de distribuire a presiunilor în pata de contact dintre pneu si cale cenrtul de presiune al amprentei este deplasat în fata centrului contactului cu marimea “a”(fig. 1.a).

a)                                                   b)

Fig. 1. Actiunea momentului de rezistenta la rulare asupra unei roti motoare

a) rezultanta fortelor din pata de contact “Z”; b) reducerea reactiunii normale Z  (punctul O_p).

Din conditia de echilibru a rotii libere (roate care ruleaza sub actiunea unei forte de împingere R_r) apicând metoda izolarii corpurilor prin desfacerea legaturilor ei cu calea si automobilul, se obtine o forta tangentiala sub forma:

unde: r_r este raza de rulare a rotii;

Z reactiunea normala dintre pneu si cale;

Notând produsul

care reprezinta momentul rezistentei la rulare (fig.1.b) expresia fortei datorate rostogolirii rotii pe cale devin Aceasta forta, generata de deplasarea suportului reactiunii normale fata de verticala centrului rotii de numeste rezistenta la rulare R_r si reprezinta forta cu care roata se opune deplasarii în sensul si directia vitezei automobilului.

Deoarece determinarea deplasarii “a” este dificila, ea fiind în acelasi timp o marime cu o valoare data pentru un pneu dat în conditii precizate de miscare, pentru calcul rezistentei la rulare este preferabila folosirea unei marimi relative, având natura unui criteriu de similitudine, care permite extinderea utilizarii sale în conditii mai generale. Aceasta marime este coeficientul rezistentei la rulare f dat de relatia:

1.2. Factori de influenta asupra rezistentei la rulare.

Principalii factori care influenteaza rezistenta la rulare sunt:

viteza de deplasare a autovehiculului;

caracteristicile constructive ale pneului;

presiunea interioara a aerului din pneu;

sarcina normala pe pneu;

tipul si starea caii de rulare;

fortele si momentele aplicate rotilor.

Evaluarea prin experiment a unuia dintre factori nu este posibila deoarece toti parametrii de mai sus definesc pneul în timpul rularii lui.

1. Calculul rezistentei la rulare.

Calculul rezistentei la rulare se face astfel :

unde Ga este greutatea autovehiculului iar a eate unghiul de inclinare longitudinala a drumului.

Puterea necesara invingerii acestei rezistente se calculeaza cu relatia :

unde v esta viteza exprimata in m/s

2. Rezistenta aerului.

2.1. Notiuni de aerodinamica autovehiculului.

Aerodinamica autovehiculelor se ocupa de fenomenele care se produc la interactiunea dintre autovehicul si aerul înconjurator si foloseste principiile generale ale aerodinamicii teoretice. In cadrul aerodinamicii autovehiculelor se stabilesc fortele si momentele ce actioneaza, din partea aerului în repaus sau în miscare, asupra autovehiculelor aflate în misare. De asemenea se analizeaza caile de modificare a interactiunii dintre aer si autovehicul astfel încât sa se îmbunatateasca performantele acestora.

Aerodinamica autovehiculelor studiaza cu precadere urmatoarele aspecte:

rezistenta la înaintare datorata aerului si caile pentru micsorarea acesteia;

efectele interactiunii cu aerul asupra stabilitatii autovehiculelor si metode de îmbunatatirea stabilitatii aerodinamice;

efectele interactiunii cu aerul asupra aderentei autovehiculelor cu calea de rulare si metode de crestere a acesteia;

miscarea aerului în interiorul autovehiculului si alegerea adecvata a diferitelor orificii de absorbtie si evacuare a aerului în vederea ventilarii caroseriei si a racii diferitelor organe.

Pentru calculul rezistentei se recomanda utilizarea relatie:

unde:    - este densitatea aerului: =1,225 kg/m³ ([N/m²] si T=288 K)

c_x – coeficientul de rezistenta al aerului;

A – aria sectiunii transversale maxime;

v – viteza de deplasare a autovehiculului [m/s].

Aria transversala maxima se determina cu suficienta precizie (erori sub 5%) dupa desenul de ansamblu al automobilului în vedere frontala utilizând relatia:

unde:   B este ecartamentul autovehiculului [m];

H este înaltimea autovehiculului [m].

Rezistenta la panta.

La deplasarea autovehiculului pe cai cu înclinare longitudinala,forta de greutate genereaza o componenta R_p dupa directia deplasarii data de relatia :

Aceasta forta este forta de rezistenta la urcarea pantelor (de sens opus vitezei de deplasare) si forta activa la coborârea pantelor.

Pentru pante cu înclinari mici () la care eroarea aproximarii este sub 5% panta se exprima în procente:

În acest caz expresia rezistentei la panta este data de relatia:

Rampa maxima : 20

Deoarece rezistenta la rulare cât si rezistenta la panta sunt determinate de starea si caracteristicile caii de rulare, se foloseste gruparea celor doua forte într-o forta de rezistenta totala a caii , data de relatia

unde este coeficientul rezistentei totale a caii de rulare.

4. Determinarea rezistentei la demarare

Regimurile tranzitorii ale miscarii automobilului sunt caracterizate de sporiri ale vitezei (demaraje) si reduceri ale vitezei (frânare). Rezistenta la demarare ( R_d ) este o forta de rezistenta ce se manifesta în regimul de miscare accelerata a autovehiculului.

Ca urmare a legaturilor cinematice determinate în lantul cinematic al transmisiei dintre motor si rotile motoare, sporirea vitezei de translatie a autovehiculului se obtine prin sporirea vitezelor unghiulare de rotatie ale elementelor transmisiei si rotilor. Masa autovehiculului în miscare de translatie capata o acceleratie liniara, iar piesele aflate în miscare de rotatie, acceleratii unghiulare.

Influenta asupra inertiei în translatie a pieselor aflate în rotatie se face printr-un coeficient d , numit coeficientul de influenta a maselor aflate în miscare de rotatie.

Rezistenta la demarare este astfel data de relatia :

   unde :

– masa automobilului [ kg ] ;

d - coeficientul de influenta al maselor aflate în miscare de rotatie ;

dv/dt = a – acceleratia miscarii de translatie a autovehiculului [ m/s² ].

Pentru calculul rezistentei la demarare este necesara cunoasterea marimii coeficientului de influenta a maselor aflate în miscare de rotatie.

Conform literaturii de specialitate , pentru un autoturism, cu viteza maxima de 180 km/h, adoptam:

momentul masic de inertie al pieselor motorului - I_m = 0,5 kgm² ;

momentul masic al unei roti- I_R = 4 kg*m²;

i₀=3,9-raportul de transmitere al transmisiei principale;

Rezulta  :

Fig.1 Modelul dinamic simplificat al autovehiculului

Tabelul 5.

Tabelul 6. Valori ale coeficitentilor maselor în rotatie

6. Ecuatia generala de miscare rectilinie a automobilului.

Pentru stabilirea ecuatiei generale de miscare se considera automobilul în miscare rectilinie, pe o cale cu înclinare a, în regim tranzitoriu de viteza cu acceleratie pozitiva.

Echilibrul dinamic al automobilului este date de bilantul de tractiune, care reprezinta ecuatia de echilibru dupa directia vitezei automobilului, de forma:

[N]

în care:              este forta activa;

– rezistentele la înaintare.

Bilantul de tractiune exprima egalitatea dintre forta totala la roata – obtinuta prin însumarea fortelor tangentiale de la toate rotile motoare – si suma rezistentelor la înaintarea autovehiculelor, de unde rezulta:

sau:

în care forta F_R numita forta la roata reprezinta actiunea momentului motor asupra rotilor. Expresia analitica a acestei forte este:

unde:

M    este momentul dintr-un punct de pe caracteristica exterioara corespunzator unei turatii n a motorului;

P este puterea în aceleasi conditii;

este randamentul transmisiei;

i_tr este raportul de transmitere al transmisiei;

r_r este raza de rulare a rotilor;

v este viteza de deplasare a automobilului.

În functie de conditiile de autopropulsare ale automobilului, din ecuatia de miscare (25) se definesc mai multe forme particulare si anume:

a)     Deplasarea cu viteza maxima.

Prin conventie “viteza maxima” este cea mai mare valoare a vitezei cu care automobilul se poate deplasa pe o cale orizontala. Ca urmare în conditiile vitezei maxime când si din expresia ecuatiei de miscare data de relatia (25) se obtine forma particulara

b)     Deplasarea pe calea cu înclinare longitudinala maxima sau pe calea cu rezistenta specifica minima.

Deplasarea pe panta maxima (sau pe cale cu rezistenta specifica maxima) se obtine când întreaga forta disponibila este utilizata pentru învingerea rezistentelor legate de tipul si caracteristicile drumului . Pentru acest caz, având în vedere si faptul ca la viteze mici, specifice deplasarii automobilului pe panta maxima, rezistenta aerului este neglijabila in raport cu celelate forte din expresia fortei la roata data de relatia (26) se obtine forma particulara:

N

c)     Pornirea de pe loc cu acceleratia maxima

Pornirea de pe loc cu acceleratia maxima se obtine în conditia în care intreaga forta disponibila se utilizeaza pentru sporirea vitezei automobilului, situatie ce corespunde pornirii din loc () pe cale orizontala (). Pentru acest caz, de autopropulsare pe cale orizontala  cu pornire din loc (rezistenta aerului este nula) expresia fortei la roata data de relatia (25) se reduce la forma particulara

N

unde:

este acceleratia maxima în treapta I.