Date post: | 14-Apr-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | branislava-gojkov |
View: | 243 times |
Download: | 9 times |
Katedra za motore i vozila
MOTORNA
VOZILA2008-2009
Ante Šoda, Kruno Ormuž
Katedra za motore i vozila
2
A.1
POGON VOZILAA.2
VUČNE KARAKTERISTIKE
A.3
OSNOVE TEORIJE KOČENJAA.4
STABILNOST VOZILA
A.5
UPRAVLJANJE AUTOMOBILOM
B.1
KONSTRUKCIJSKE OSOBINE POJEDINIH TIPOVA VOZILAB.2
GLAVNI SKLOPOVI VOZILA
A) TEORIJA MOTORNIH VOZILA –
MEHANIKA VOŽNJE (STATIKA / KINEMATIKA / DINAMIKA)
A) TEORIJA MOTORNIH VOZILA –
MEHANIKA VOŽNJE (STATIKA / KINEMATIKA / DINAMIKA)
B) KONSTRUKCIJA VOZILAB) KONSTRUKCIJA VOZILA
Katedra za motore i vozila
3
A.1.1
Otpori
vožnjeA.1.2
Vučne sile
A.1.3
Bočne sileA.1.4
Vertikalne sile
A.1.5
Raspodjela opterečenja
na osovine i kotačeA.1.6
Mogučnost
realizacije performansi
A.1.7
Utjecaj bočnih sila na preraspodjelu opterećenja
A.1 POGON VOZILA
Katedra za motore i vozila
4
A.1.2 VUČNE SILEVuča vozila rezultat je trenja između kotača i podloge po kojoj kotač
putuje. Za vozila kod kojih se vučna sila prenosi na podlogu
preko kotača –
vučno trenje
je pozitivan efekt.
Najveća moguća vučna sila između kotača i podloge ovisi o:
- osobinama materijala u dodiru,- makro-
i mikroskopskoj geometriji
na mjestu kontakta (hrapavost),- silama koje djeluju na mjestu
dodira,- veličini dodirne plohe.
www.weblite.com.au
www.autosport.com
Katedra za motore i vozila
5
A.1.2 VUČNE SILEVučna sila
rezultat
je
okretnog
momenta motora, koji se preko
elemenata prijenosa snage (transmisije) dovodi pogonskim kotačima :
d
tukm
d
pV r
iMrM
F η==
FV ... Vučna sila prenesena na podlogu [N]Mp ... Moment doveden pog. kotaču [Nm]Mm ... Moment motora
[Nm]
iuk = im · i0 ... Ukupni prijenosni omjer
ηt ... Ukupna iskoristivost transmisijerd ... Dinamički radijus kotača
[m]
Vučna sila, FV , raste povećanjem prijenosnog omjera u mjenjaču, im .
Katedra za motore i vozila
6
A.1.2 REALIZACIJA VUČNE SILEZa realizaciju vučne sile najvažnija je sila trenja između kotača i podloge, tj. max. vučna sila ograničena je proklizavanjem
:
FT ... Sila
trenja
na mjestu
kontakta
kotača i podloge
(ovo nije
otpor
kotrljanja!)
[N]μa ... Adhezivni
koeficijent
trenja
[-]Ga ... Opterećenje
kotača na pogonskoj osovini ili adhezivno
opterećenje [N]
aaTV GFF μ≤=
Na uzbrdici :
αμ cosGFF aaTV ≤=
Katedra za motore i vozila
7
Pokazatelj vučne sposobnosti vozila, faktor adhezivne
težine
:
v
aa G
Gk =1 ... Pogon na sve kotače (4 x 4)0.5 –
0.6 ... Dva pogonska kotača (4 x 2)0.7 –
0.75 ... Četiri pogonska kotača (6 x 4)
A.1.2 FAKTOR ADHEZIVNE TEŽINE
Vučna vozila potrebno je dodatno opteretiti kako bi se povećala adhezijska sila (dodavanje utega na pogonsku osovinu, punjenje pogonskih kotača vodom kod traktora, itd.).
Ga ... Opterećenje
kotača na pogonskoj osovini ili adhezivno
opterećenje [N]Gv ... Ukupna
težina
vozila [N]
Katedra za motore i vozila
8
Koeficijent trenja, μa , ovisi o :
a)
materijalu kolnika (podloge),
b) površinskom stanju kolnika,
c)
izvedbi protektorskog sloja gume,
d) vrsti penumatika
(radijalne, dijagonalne),
e)
tlaku zraka u gumi,
f)
temperaturi pneumatika,
g) veličini kontaktne površine,
h) brzini klizanja kotača.
A.1.2 ADHEZIVNI KOEFICIJENT TRENJA
Katedra za motore i vozila
9
A.1.2 UTJECAJ PODLOGEa)
Materijal i b)
površinsko stanje kolnika (podloge) :
Vrlo je važna hrapavost, naročito ako je kolnik mokar. Šiljci hrapavosti probijaju vodeni sloj i ostvaruju dodir s gumom,
veća
hrapavost kolnika ⇒ bolje prenošenje vučne sile i sile kočenja.
Površinsko stanje kolnika obzirom na atmosferske uvjete
⇒
kolnik najskliskiji kad kiša počne padati (prve kapi kiše +
prašina =
viskozno klizanje). Daljnjim padanjem kiše ⇒ sloj visk. klizanja se ispire i μa počinje rasti.
μa
Prag sigurnosti
Kritično područje
Prašina je isprana
Katedra za motore i vozila
10
A.1.2 GLISIRANJEKritično područje
: radijalni pritisci podignu kotač
(vodeni klin) ⇒ gubitak
kontakta između kolnika i pneumatika ⇒ glisiranje
(aquaplaning) na sloju vode !
Opasno zbog naglog smanjenja trenja između kotača i podloge ⇒ nemogučnost
skretanja, kočenja i ubrzavanja !
http://www.khg-online.de
Katedra za motore i vozila
11
A.1.2 GLISIRANJEGlisiranje
je karakteristično za brzine V > 60 km/h. Pojavljuje se samo u
slučaju dovoljno ravne ceste, koja omogućuje nakupljanje dovoljno debelog sloja vode.
http://www.khg-online.de
Pri vožnji s 80 km/h
na mokroj cesti protektorski
sloj gume mora odvesti do 25 l / s
!
Teretna vozila : manja opasnost od glisiranja
zbog većeg opterećenja kotača. Motorkotači i bicikli također znatno manje osjetljivi na glisiranje
zbog
klinastog oblika presjeka pneumatika.
Katedra za motore i vozila
12
A.1.2 GLISIRANJE
p80Vglis =
Granična brzina glisiranja
(za teretna vozila) :
Vglis ... Granična brzina glisiranja
[km/h]
p ... Tlak pneumatika [bar] →
p = 2 bar ⇒ Vglis = 113 km/h
Katedra za motore i vozila
13
A.1.2 UTJECAJ PROTEKTORSKOG SLOJA GUMEc)
Izvedba i materijal protektorskog sloja gume
Oblici utora, širina i dubina utora
Mekše gume : veći adh. koef. trenja ( μa ≥
1.2 )
ali i veći Rk !
http://www.carbibles.com/tyre_bible.html
Katedra za motore i vozila
14
A.1.2 UTJECAJ PROTEKTORSKOG SLOJA GUME
Rasprostranjenost
utora
: 100AAu ⋅=ϕ [%]
Au ... Površina pod utorima [m2]A ... Ukupna
površina gume [m2]
http://www.tyres-online.co.uk
Poprečni
utori najbolje odvode vodu ali izazivaju vibracije pneumatika !
http://www.carbibles.com/tyre_bible.html
Katedra za motore i vozila
15
A.1.2 PROTEKTORSKI SLOJ GUME
Utjecaj visine stojeće vode, hv , na bočni koeficijent adhezivnog
trenja, ( μa )b :
( μa )b V = 110 km/h
hv = 0.2 mm
hv = 1 mm
hv = 2 mm
ϕ
Dubina utora mijenja se trošenjem pneumatika :
100hh0⋅=χ [%]
χ ... Relativna dubina utora [-]h ... Stvarna dubina utora [mm]h0 ... Dubina utora nove gume [mm]hv ... Visina sloja stojeće vode na kolniku [mm]
Propis : hmin > 2 mm ... Ljetne gumehmin > 4 mm ... Zimske gume
Katedra za motore i vozila
16
A.1.2 PROTEKTORSKI SLOJ GUME
( μa )b
Suha cesta
hv = 0.2 mm
hv = 1 mm
hv = 2 mm
χ
V = 90 km/hh0 = 7 mm
Trošenjem gume ( padom χ ) adhezivna
svojstva se poboljšavaju ( ) ali raste i opasnost od glisiranja
( ) .
hmin = 2 mm za ljetne gume
Katedra za motore i vozila
17
d)
Radijalne gume imaju bolje prianjanje na podlogu od starijih dijagonalnih guma.
A.1.2 UTJECAJ VRSTE PNEUMATIKA
http://www.michelinag.com
Dijagonalne Radijalne
http://www.carbibles.com/tyre_bible.html
Katedra za motore i vozila
18
A.1.2 UTJECAJ TLAKA PNEUMATIKAe)
Promjena tlaka u gumi uvjetuje promjenu kontaktne površine.
Suhi kolnik
→ promjena tlaka ne utječe bitno na μa
Mokar kolnik
→ padom tlaka u gumi pada i pritisak na podlogu, pa se istiskuje manje vode ispod gume ⇒
smanjuje se μa !
Katedra za motore i vozila
19
A.1.2 UTJECAJ TEMPERATURE PNEUMATIKA
f)
Zagrijana guma daje veći μa i veći Rk . Temperatura je posebno bitna na poledici :
- Poledica
pri 0°
C ( μa 0.05
) →
led nije toliko opasan sam po sebi, več
sloj vode koji nastaje taljenjem leda uslijed
pritiska kotača → guma ‚pliva‘
na vodi
(glisiranje)!
- Poledica
pri
-10°
C ( μa 0.15
)
→
nema
brzog
otapanja leda
ispod
kotača → tangencijalne sile su veće.
Katedra za motore i vozila
20
A.1.2 UTJECAJ KONTAKTNE POVRŠINE
g)
Tangencijalna sila nastaje zbrojem klasičnog trenja
i sile odsjecanja
materijala
:
FT = A τ + Ga μ = Fod + Ga μ
FT ... Tangencijalna sila
(sila
trenja)
[N]Mp ... Pogonski moment [Nm]A ... Površina otiska [m2]τ ... Čvrstoća zemljina odsjecanjaGa ... Opterećenje
kotača na pogonskoj osovini (adhezivno
opterećenje) [N]μ ... Keoficijent
adhezivnog
trenjaFod = A τ ... Sila odsjecanja
materijala [N]γ = arc tan μ ... Nagib porasta tangencijalne sile [°]
FT
Ga
Ga μ
A τ
γ
Katedra za motore i vozila
21
A.1.2 UTJECAJ KLIZANJA KOTAČAh)
Brzina klizanja kotača
(razlika
između
obodne brzine
i
translatorne
brzine)
bitno utječe na efikasnost prenošenja sila pogona i sila kočenja na podlogu.
http://www.hockenheimring.com
Katedra za motore i vozila
22
A.1.2 UTJECAJ RELATIVNE BRZINE KOTAČA
μa
| VO – V |
Ako postoji razlika između periferne obodne brzine kotača, VO , i translatorne
brzine osi kotača (ili brzine vozila), V ⇒ klizanje
kotača
⇒
tangencijalna sila na obodu kotača, FV .
Porastom vrijednosti | VO – V |
opada
adhezivni
koeficijent
trenja
!
Katedra za motore i vozila
23
A.1.2 FUNKCIJE KOTAČADvije osnovne funkcije kotača : a) pokretni oslonac vozila i b) pretvaranje mehaničke energije motora u rad potreban za savladavanje otpora kretanja.
Vučeni kotač
Pokretni oslonac vozila, kotrlja se prisilno, tako što se potrebna sila F prenosi na osovinu kotača ( nema M ).
Pogonski kotač
Pokretni oslonac vozila + osigurava kretanje vozila, pogonski moment Mp na osovini savladava otpore vožnje i silu inercije.
Kočeni
kotač
Pokretni oslonac vozila + osigurava kočenje vozila, moment kočenja Mk na osovini zaustavlja vozilo (savladava inercijsku silu).
Katedra za motore i vozila
24
A.1.2 KINEMATIKA KOTAČAAnaliza kotrljanja idealnog kotača po ravnini (obod kotača i ravnina kruti, kontaktna površina reducirana na točku) :
O ... Os kotačaO1 ... Točka kontakta kotač
/ podlogaTrenutna os okretanja kotača
ω ... Kutna brzina vrnje
kotača [1/s]VO ... Obodna
brzina
kotača [m/s]V ... Translatorna
brzina osi kotača [m/s]
• Kotrljanje kotača = okretanje oko točke kontakta kotač
/ podloga (trenutne osi okretanja) O1
• Okretanje kotača oko O1 = translacija
brzinom V +
rotacija oko osi kotača O kutnom brzinom
ω
Katedra za motore i vozila
25
A.1.2 KINEMATIKA KOTAČAVektor translatorne
brzine
usmjeren je u pravcu kretanja i uvijek paralelan s podlogom :
V = ω rk
Vektor obodne brzine usmjeren je u smjeru okretanja kotača, tj. tangencijalno na točku oboda kotača :
VO = ω rd
Rezultantna
brzina, VR , bilo koje točke oboda kotača određuje se geometrijskim zbrojem vektora brzine u toj točki.
ω ... Brzina vrnje
kotača [1/s]
rd ... Dinamički radijus kotača
[m]
rk ... Radijus kotrljanja, tj. radijus kotača razvijen na podlogu za onoliko koliki je put prešao kotač
[m]
Katedra za motore i vozila
26
A.1.2 KINEMATIKA KOTAČAZa slučaj V = VO ⇒
nema klizanja kotača ( rd = rf = r ) ⇒
Položaj trenutne
osi okretanja točno u O1 .
Točka B ( 0°
< α < 180°
) :
ωαω r22
cosr2VVV OA ==+=rrr
Točka A ( α = 0°
) :
2cosr2VVV OB
αω=+=rrr
Točka O1 ( α = 180°
) :
02
cosr2VVV OO1==+=
αωrrr
Kontaktna točka ostaje nepokretna u toku beskonačno malog vremena ⇒ apsolutna brzina točke O1 jednaka nuli.
Katedra za motore i vozila
27
A.1.2 KINEMATIKA KOTAČAZakret kotača za kut α
:
os kotača O → O' , točka B → B‘
Kako
se giba
točka
B ?
x = B' O1 – C O1
B' O1 = B O1 = r αC O1 = r sinα
x
y = C B = O1 D = O1 O – D O
O1 O = rD O = r cosα
y
x = r α – r sinα = r ( α – sinα )y = r – r cosα = r ( 1 – cosα )
Jednađba
kretanja točke B u parametarskom obliku :
Cikloida
Katedra za motore i vozila
28
A.1.2 KINEMATIKA KOTAČABrzina točke B → derivacija jednadžbi gibanja po vremenu t (uz dα / dt = ω = const.)
( )αααα sinrsinrrx −=−=
( ) ( ) ( ) αωαααα cosrdtdsin
dtdrsin
dtdrsinr
dtd
===
HVxdtd
=
( ) ωαα rdtdrr
dtd
==
)cos1(rcosrry αα −=−=
( )αωαωω cos1rcosrrVH −=−=
αω sinrVV =
VVydtd
=
0dtdr
=
( ) ( ) ( ) αωαααα sinrdtdcos
dtdrcos
dtdrcosr
dtd
−===
Katedra za motore i vozila
29
A.1.2 KINEMATIKA KOTAČAUbrzanje
točke B za
kotač
koji se giba po ravnom putu konstantnom
brzinom ( ω = const. ) → derivacija jednadžbi brzine
po vremenu t
( ) ( ) ( ) αωαωωαωω sinrcosrdtdr
dtdcosrr
dtdV
dtda 2
HH =−=−==
( ) αωαω cosrsinrdtdV
dtda 2
Vv ===
Rezultanta ubrzanja :
( ) ( ) ( ) ( ) 22222V
2H rsincosraaa ωααω =+=+=
Katedra za motore i vozila
30
A.1.2 PROKLIZAVANJE KOTAČAIdealni
(kruti)
kotač, bez
klizanja :
• VO = V ( rd = rk = r ) , • položaj trenutne osi okretanja O1 u točki dodira kotača i podloge.
Radijalno
opterećen
elastični kotač
u mirovanju ( V = 0 ) :
Tangencijalne deformacije simetrične → unutrašnja naprezanja uravnotežena.
Kotrljanje radijalno
opterećenog pog. elastičnog
kotača ( V > 0 ) :
Tangencijalne deformacije nesimetrične → na prednjem dijelu sabijanje
vlakana,
na stražnjem istezanje
vlakana.
Katedra za motore i vozila
31
A.1.2 PROKLIZAVANJE KOTAČAKotrljanje radijalno
opterećenog
pogonskog elastičnog
kotača ( V > 0 ) :
Prije nego se kotač
okrene, dolazi do malog zakretanja osovine prema obodu kotača, tj. do zakašnjenja
translatorne
brzine u odn. na kutnu brzinu osovine.
Rapodjela
deformacija po obodu kotača :
sabijanje,
istezanje.
Ako
Mp i
ω djeluju u istom smjeru, elementi
pneumatika
koji
stupaju
u kontakt
s tlom
se sabijaju
(
), a oni
koji
napuštaju
kontakt se istežu ( ).
Početak okretanja (pri
V = 0 ) : jedan dio pneumatika na kontaktnoj površini klizi po podlozi, dok drugi dio ostaje nepokretan
(prvi izvor
klizanja kotača,
tj. razlike između VO i V ) → elastično proklizavanje
kotača.
Katedra za motore i vozila
32
A.1.2 KLIZANJE KOTAČAPri V > 0
→ porastom Mp raste i dio kontaktne površine na kojoj se
ostvaruje klizanje pneumatika u odnosu na tlo (proklizavanje
postaje snažnije). Pri određenoj
vrijednosti Mp ( Mp, max ) počinje istovremeno
klizanje
svih točaka kontakne
površine → elastično klizanje
kotača.
Kašnjenje translatorne
brzine za kutnom brzinom povećava se porastom Mp (drugi izvor
klizanja).
Janković
(2001)
Mp = 0
Mp = 0.46 Mp, max
Mp = 0.50 Mp, max
Mp = Mp, max
Površina nepokretnih dijelova pneumatika u kontaktu s podlogom
Površina klizanja
Katedra za motore i vozila
33
Pogonski kotač
→ posljedica proklizavanja
& klizanja → put ostvaren jednim okretom kotača manji je nego u slučaju kotrljanja bez klizanja →
porastom Mp opada efektivni radijus kotrljanja rk !
A.1.2 KOEFICIJENT KLIZANJA KOTAČA
Koeficijent klizanja pogonskog
kotača :
( )rr
rrrr
sss Δ
αΔαΔΔαΔ
ΔΔΔλ λ =
−−=
−=
( )λλΔ −=−=−= 1rrrrrrk
Δs ... Put koji napravi kotač
bez klizanja [m]
Δsλ
... Pređeni put kotača s klizanjem [m]
rk ... Efektivni radijus kotrljanja [m]
r ... Radijus kotača [m]
Δα ... Kut zakreta kotača [deg]
O1 ... Trenutna os okretanja kotača
Efektivni radijus kotrljanja :
Katedra za motore i vozila
34
Prilikom kočenja
sitacija
je obrnuta → smjer djelovanja M suprotna od ω → put
ostvaren
tijekom
jednog
okretaja
kotača veći je nego bez klizanja →
povečanjem
Mk raste rk !
A.1.2 KOEFICIJENT KLIZANJA KOTAČA
Koeficijent klizanja kočenog
kotača :
Efektivni radijus kotrljanja :
λ = 20%
→ u vremenu dok se obod kotača zavrti za 1 m,
os
kotača (vozilo) pređe 1.2 m.
( )rr
rrrr
sss Δ
αΔαΔαΔΔ
ΔΔΔλ λ =
−+=
−=
( )λλΔ +=+=+= 1rrrrrrk
Katedra za motore i vozila
35
Kočenje Ubrzavanje
Proklizavanje
: Mk > 0 ⇒
kotač
se sporije vrti nego što se giba translatorno
( VO < V ).
Klizanje
: Mk > Mk, max ⇒
kotač
‚blokira‘
( VO = 0 ) i klizi po podlozi ( V > 0 ).
Proklizavanje
: Mp > 0 ⇒
kotač
se brže okreče nego što napreduje translatorno
( VO > V ).
Klizanje
: ↑
Mp ⇒ okretanje kotača u mjestu ( V = 0 ) .
Kutno klizanjeTranslatorno
klizanje
A.1.2 BRZINA KLIZANJAOvisnost rk o M :
Janković
(2001)
Elastično proklizavanjekotača
Katedra za motore i vozila
36
A.1.2 BRZINA KLIZANJA
100V
VVO
O ⋅−
=λ [%]
Vklizanja
100V
VV O ⋅−
=λ [%]Kočenje :
Ubrzavanje :
λ
= 0Čisto
kotrljanje
λ
> 1
?
Kočenje Pogon
λ
=
-
∞Čisto translatorno
klizanje
VO < V
λ
= 1Čisto kutno
klizanje
VO > V
Katedra za motore i vozila
37
A.1.2 FAKTOR TRENJA
Suh kolnik
Mokar kolnik
< 10%
> 50%a
TGF
=μ
Najveće usporenje kotača je obično kod λ = 10 –
30% . Prekoračenje max. moguće sila kočenja → smanjuje se efekt kočenja ( μ opada, posebno na mokrom kolniku ). U ekstremnom slučaju dolazi do potpunog blokiranja kočenih kotača (čisto translatorno
klizanje, λ = 100% ).
Katedra za motore i vozila
38
A.1.2 SPREČAVANJE
BLOKIRANJA KOČENIH KOTAČA
Blokiranje kočenih kotača (
λ = 100% ) :
• rapidno smanjena mogućnost prenošenja bočnih sila → nemoguće skretanje,
• smanjen μ → smanjena mogućnost kočenja, duži zaustavni put,
• različito stanje podloge ispod kočenih kotača → različite sile kočenja → vozilo gubi bočnu stabilnost (zanošenje) !
μ -
split
kočenjehttp://de.wikipedia.org
Katedra za motore i vozila
39
A.1.2 SPREČAVANJE
BLOKIRANJA KOČENIH KOTAČA
Sistem protiv blokiranja kočenih kotača (Anti-Blockier-System) najveći efekt ima upravo na mokrom kolniku gdje povećava bočnu stabilnost.
Blokiranje kočenih kotača (
λ = 100% ) → treba smanjiti silu kočenja ( ↓
λ ), sve dok se kotači ponovno ne počnu okretati ( ↑ μ ).
Elektronski sistem protiv blokiranja kočenih kotača ABS regulira (naizmjenično smanjuje i povečava) silu kočenja na svakom kotaču posebno ( λ = const.
)
→ omogučuva
optimalan tijek kočenja.
ABS kočnice, povijest : • 1920 –
G. Voisin
(FR), zrakoplovni inženjer• 1936 –
Bosch
(D), patent• 1966 –
Jensen
FF (UK), prvi serijski automobil s ABS kočnicama (mehanički princip) • 1969 –
prvi elektronički regulirani ABS (ITT Automotive, USA)• 1978 –
serijska prouizvodnja
elektroničkog ABS sistema (Bosch, D)