Doktorski rad

SVEUILITE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

KATEDRA ZA MOTORE I VOZILA

MOTORNA VOZILA Pogon vozila - Otpori vonje

Luli, Ormu, agi

Zagreb, 2014./2015. 1

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A. Teorija kretanja motornih vozila

2

Statika / kinematika / dinamika motornih vozila.

A.1. POGON VOZILA

A.2. VUNE KARAKTERISTIKE

A.3. OVJES VOZILA

A.4. UPRAVLJANJE VOZILOM

A.5. OSNOVE TEORIJE KOENJA

A.6. STABILNOST VOZILA

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1. Pogon vozila

Kretanju vozila odupiru se odreeni otpori, koje pogon

vozila mora savladati. Istovremeno, performanse vozila

ograniene su karakteristikama prianjanja kotaa i podloge.

Pogonske sile moraju biti jednake (ili vee) svim otporima

vonje koji djeluju na vozilo. S druge strane, pogonske sile

moraju biti manje od (ili jednake) najveih sila prianjanja.

Na performanse ne utjee samo najvea snaga motora ve i

ponaanje u uvjetima djelominog optereenja i pri

razliitim reimima rada.

Sve to su uvjeti za ispravan odabir pogonskog sustava za

svaki pojedini tip vozila (putniko/teretno/graevinsko ili

cestovno/terensko vozilo).

3

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1. Pogon vozila

4

A.1. POGON VOZILA

A.1.1. Otpori vonje

A.1.2. Vune sile

A.1.3. Bone sile

A.1.4. Vertikalne sile

A.1.5. Raspodjela optereenja na osovine i kotae

A.1.6. Mogunost realizacije performansi

A.1.7. Utjecaj bonih sila na preraspodjelu optereenja

A.2. VUNE KARAKTERISTIKE

A.3. OVJES VOZILA

A.4. UPRAVLJANJE VOZILOM

A.5. OSNOVE TEORIJE KOENJA

A.6. STABILNOST VOZILA

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Otpori vonje

Pogon vozila mora osigurati vunu silu i brzinu koja se eli

realizirati. Vuna sila kompenzira otpore vonje.

5

Sile koje djeluju na vozilo:

Vanjske sile

utjeu na gibanje

(OTPORI VONJE)

Unutarnje sile

znaajne za naprezanje

pojedinih elemenata

konstrukcije vozila

(bitno kod konstruiranja)

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Otpori vonje

Otpori vonje:

a) Osnovni otpori vonje prilikom vonje konstantnom brzinom

po ravnoj, horizontalnoj cesti, bez protuvjetra.

b) Otpori vonje prilikom vonje na usponu, prilikom ubrzanja,

vonje protiv vjetra, vonje u zavoju, itd.

6

Otpori vonje ukljuuju:

Otpor kotrljanja (Fk)

Otpor zraka (Fz)

Otpor uspona (Fu)

Otpor ubrzanja, tj. inercije (Fa)

Ostali otpori (vonja u zavoju, vua prikolice, )

a)

b)

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Otpori vonje

7

A.1.1.1. Otpor kotrljanja (Fk)

A.1.1.2. Otpor zraka (Fz)

A.1.1.3. Otpor uspona (Fu)

A.1.1.4. Otpor ubrzanja, tj. inercije (Fa)

A.1.1.5. Ostali otpori (vonja u zavoju, vua prikolice, )

Michelin, 2003.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Otpor kotrljanja

Otpor kotrljanja je posljedica gubitaka energije koji nastaju

uslijed stalnog deformiranja gume kotaa prilikom kotrljanja

po podlozi.

Na iznos otpora kotrljanja utjeu:

karakteristike gume,

masa vozila,

stanje povrine kolnika,

brzina vonje,

geometrija ovjesa,

stanje konica, trenje u leajevima,

8

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Otpor kotrljanja

Otpor kotrljanja rauna se prema izrazu:

9

Gv

Gv cos

cosvkk gmfF

Prilikom vonje na usponu, uzima se u obzir samo onaj dio

sile tee, koji djeluje okomito na podlogu poveanjem

kuta uspona otpori kotrljanja se smanjuju.

fk - faktor otpora kotrljanja, [-]

mv - masa vozila (prazno vozilo + optereenje), [kg]

g - ubrzanje (9,81), [m/s2]

Gv - teina vozila, [N]

- kut uspona podloge, []

cosvkk GfF

[N]

[N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Formiranje otpora kotrljanja

Otpor kotrljanja prvenstveno je posljedica deformacije na mjestu kontakta gume i podloge pri emu se mehanika energija (odnosno energija sadrana u gorivu) troi na deformaciju i zagrijavanje gume.

10

Presjek gume pri

deformiranju:

crveno najvie

zagrijani dijelovi

plavo hladni

dijelovi

www.fev-now.com

www.ika.rwth-aachen.de

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Deformiranje gume

11

http://www.youtube.com/watch?v=nmo_dkNZIHM

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Zagrijavanje gume

12

http://www.youtube.com/watch?v=lfj3pVlE31U

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Formiranje otpora kotrljanja

13

Michelin, 2003.

Guma koja se koristi u proizvodnji guma (pneumatika) motornih vozila je

sintetiki polimer koji pripada skupini elastomera (dobiva iz drveta

kaukovca ili umjetnim putem). Guma je viskoelastian materijal kod

kojeg uslijed deformacije dolazi do rasipanja energije u obliku topline.

70 %

15 %

15 %

Raspodjela rasipanja energije.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Formiranje otpora kotrljanja

14

Mehanizmi u formiranju otpora kotrljanja:

I. Deformiranje gume na mjestu kontakta gume i podloge primarni

mehanizam u formiranju otpora kotrljanja.

Prilikom kotrljanja dolazi do neprestanog deformiranje segmenata gume

uslijed vlanog, tlanog i savojnog optereenja. Udio deformiranja u ukupnom

otporu kotrljanja iznosi i vie od 90 %.

Guma je unato svojoj sloenoj kompozitnoj strukturi dovoljno fleksibilna da

dolazi do izravnavanja gume u podruju kontaktne povrine i apsorbiranja

neravnina podloge. To je bitno svojstvo s gledita prianjanja i udobnosti

vonje.

Michelin, 2003.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Formiranje otpora kotrljanja

II. Sekundarni mehanizmi u formiranju otpora kotrljanja.

1) Otpor zraka prilikom kotrljanja utori na gaznoj povrini gume (protektor)

utjeu na vrtloenje struje zraka koja okruuje gumu. Udio otpora zraka u

ukupnom otporu kotrljanja iznosi do najvie 15 %. Raste s dimenzijama gume

i brzinom vonje.

15

2) Mikro klizanje se uslijed kotrljanja javlja izmeu elemenata kontaktna

povrina gume i podloge dolazi. Takoer mikro klizanje se moe javiti i

izmeu gume i naplatka. U sluaju pravocrtne vonje bez koenje ili

ubrzavanja udio mikro klizanja u ukupnom otporu kotrljanja je manji od 5 %.

Otpori trenja u leajevima kotaa u pravilu zanemarivi (iznose < 1 %).

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Formiranje otpora kotrljanja

16

Michelin, 2003.

Utjecaj pojedinog mehanizma na formiranje otpora kotrljanja.

Utjecajne veliine. Michelin, 2003.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Formiranje otpora kotrljanja

Deformacije na mjestu kontakta gume i podloge:

Cestovna vozila - dominira deformacija gume

Terenska vozila - dominira deformacija podloge

Dva razliita modela opisuju formiranje otpora kotrljanja:

Tvrda podloga mekani kota

Mekana podloga tvrdi kota

17

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Tvrda podloga mekani kota

Mirovanje:

18

Deformacija opada s porastom tlaka u gumi. Za vii tlak u

gumi: 0. Porastom deformacije raste otpor kotrljanja

(to je loe), no raste udobnost vonje (to je dobro).

r - radijus neoptereenog kotaa, [m]

rst - statiki radijus kotaa, [m]

- deformacija kotaa, [m]

Gv1 - teina vozila na osi kotaa, [N]

FN1 - reakcija podloge, [N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Tvrda podloga mekani kota

19

v - brzina vozila, [m/s]

- kutna brzina vrtnje kotaa, [rad/s]

rd - dinamiki radijus kotaa, [m]

Gv1 - teina vozila, [N]

FN1 - reakcija podloge, [N]

Fk - ukupni otpor kotrljanja, [N]

a - pomak hvatita reakcijske sile, [m]

0O M

Dinamiki radijus kotaa mjerodavan je za odreivanje obodne brzine

kotaa, tj. brzine vonje vozila. Opseg kotaa: O = 2rd

Da bi se kota mogao okretati na osovinu mora djelovati sila suprotna

sili Fk :

Vonja:

Fk

O

aN1dk FrFd

1v

d

N1kr

aG

r

aFF

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Tvrda podloga mekani kota

Tei se smanjenju teina vozila Gv jer se time smanjuje i Fk, a posredno i potronja goriva, kao i emisija CO2 i tetnih plinova.

Porastom rd pada Fk, a vozilo lake savladava neravnine na podlozi (kolniku).

Rastom udaljenosti a, raste i Fk. Nemogue je precizno odrediti veliinu a, uvodi se faktor otpora kotrljanja: fk = a / rd

20

aN1dk FrF

Gv se odreuje vaganjem vozila (masa), dok se Fk odreuje

eksperimentalno:

Za vozilo B povezano dinamometrom za

vozilo A oita se sila potrebna za njegovo

pokretanje.

vkk GfF

d

1v

d

N1kr

aG

r

aFF

v

kk

G

Ff

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Odreivanje otpora kotrljanja

www.fkfs.de

21

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Tvrda podloga mekani kota

Silu Fk moe se eliminirati spregom (momentom) kotrljanja

Hvatite Fk premjesti se iz osovine na kontaktno mjesto

gume i podloge (kolnika):

22

dk1vdkk rfGrFM

Fk

Fk

Fk

Mk

aN1dkk FrFM

[Nm]

[Nm]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Tvrda podloga mekani kota

23

Vonja, pogonska osovina:

Fk

Mp

Fv

Moment otpora kotrljanja na

mjestu uklinjenja mora savladati

pogonski moment MP:

v - brzina vozila, [m/s]

- kutna brzina vrtnje kotaa, [rad/s]

rd - dinamiki radijus kotaa, [m]

Gv1 - teina vozila, [N]

FN1 - reakcija podloge, [N]

Fk - ukupni otpor kotrljanja, [N]

FV - iskoristiva vuna sila, [N]

a - pomak hvatita reakcijske sile, [m]

[Nm] aFrFM N1dVP

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Tvrda podloga mekani kota

24

d

N1V

d

P

r

aFF

r

M

Iskoristiva vuna sila (stvarna sila)

k

d

k

d

N1 Fr

M

r

aF Sila otpora kotrljanja

idV,

d

P Fr

M Idealna vuna sila

kidV,V FFF

VF

aFrFM N1dVP

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Mekana podloga tvrdi kota

Vonja po zemlji, pijesku, snijegu,

25

v - brzina vozila, [m/s]

- kutna brzina vrtnje kotaa,

[rad/s]

rd - dinamiki radijus kotaa, [m]

a - pomak hvatita sile, [m]

Gv1 - teina vozila, [N]

FN1 - reakcija podloge, [N]

FV - iskoristiva vuna sila, [N]

MP - pogonski moment, [Nm]

10 100 puta vei otpori nego kod

sluaja tvrda podloga meki kota

tri komponente otpora: zbog

odguravanja materijala (zemlje,

pijeska, ), sabijanja materijala,

trenja na bonim stranama kotaa

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

Faktor otpora kotrljanja (fk) ovisi o:

konstrukcijskim karakteristikama gume,

geometrijskom obliku gume (promjeru i irini),

tlaku zraka u gumi,

izvedbi i stanju podloge (kolnika),

brzini vonje.

Faktor otpora kotrljanja (fk) vei je to je manji polumjer gume kotaa i to su vee njene deformacije pri kotrljanju.

Kod neizmijenjenih karakteristika podloge i vremenskih uvjeta, promjene faktor otpora kotrljanja (fk) kod niskih brzina vonje mogu se zanemariti, jer su znatno manje od razlika koje se pri istim uvjetima pojavljuju izmeu guma razliitih proizvoaa.

26

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

Faktor otpora kotrljanja za razliite podloge:

27

Heissing, 2011.

Smanjenje faktor

otpora kotrljanja za

putnika i komercijalna

vozila kroz 130

godina:

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

Smanjenje faktor otpora kotrljanja za putnika i komercijalna vozila kroz 130

godina.

28

Michelin, 2003.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

Utjecaj konstrukcijskih karakteristika gume:

29

a) Radijalne gume konstrukcija nastala 1946. (Michelin

& Citroen), danas standard za cestovna vozila.

Nizak otpor kotrljanja (smanjena potronja goriva),

otpornije na troenje, vea bona stabilnost, bolje

koenje i trakcija, vea udobnost.

b) Dijagonalne gume poslije 1980-ih primjena samo u

poljoprivrednim vozilima i radnim strojevima.

Vei otpor kotrljanja pri malim brzinama, bri porast

otpora s brzinom vonje, velika deformacija kontaktne

povrine (self-cleaning, dobro za off-road) i otpornije

bone stjenke.

www.michelinag.com

Grublja povrina gume (protektor ili sloj odvoenja vode)

vei otpor kotrljanja (zimske gume).

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

30

Promjena faktora otpora kotrljanja radijalnih guma s promjenom

optereenja, brzine, tlaka, temperature, vremena vonje.

Heissing, 2011.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

Prilikom vonje na ravnoj podlozi otpor kotrljanja je

eksponencijalno proporcionalan brzini vonje:

31

Vrijednosti faktora za radijalnu gumu brzinske oznake H (do 210

km/h) pri nazivnom tlaku p 2 bar.

43,k2,k1,kk 100/]km/h[100/]km/h[ vfvfff

v - brzina vozila, [km/h]

fk,1 0,0090

fk,2 0,0020

fk,3 0,0003

[-]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

32

Mitschke, 2004.

Promjena faktora otpora kotrljanja za radijalne gume s brzinom

vonje. (S do 180 km/h, H do 210 km/h, V preko 210 km/h, M+S zimska guma)

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

Klase guma prema faktoru otpora kotrljanja propisane EU uredbom 1222/2009.

33

Tri parametra u oznaci

gume: potronja

goriva, ponaanje na

mokroj cesti i emisija

buke.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Faktor otpora kotrljanja

Usporedba ljetnih i zimskih guma kroz razliite energetske klase u ovisnosti o

koeficijentu otpora kotrljanja prema EU uredbi 1222/2009.

34

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.1. Otpor kotrljanja

Potrebna snaga za savladavanje otpora kotrljanja:

35

Gv

Gv cos

vgmfvGfvFP coscos vkvkkk

v - brzina vozila, [m/s]

fk - faktor otpora kotrljanja, [-]

mv - masa vozila (prazno vozilo + optereenje), [kg]

g - ubrzanje (9,81), [m/s2]

Gv - teina vozila, [N]

- kut uspona podloge, []

v

[kW]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Otpori vonje

36

Otpori vonje su:

A.1.1.1. Otpor kotrljanja (Fk)

A.1.1.2. Otpor zraka (Fz)

A.1.1.3. Otpor uspona (Fu)

A.1.1.4. Otpor ubrzanja, tj. inercije (Fa)

A.1.1.5. Ostali otpori (vonja u zavoju, vua prikolice, )

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka

Otpor zraka je posljedica gubitaka energije koji nastaju uslijed

gibanja vozila kroz zrak.

Na iznos otpora zraka utjeu:

oblik vozila,

brzina vonje.

Uz otpor kotrljanja, otpor zraka mjerodavan za odreivanje:

performansi i dinamike vozila,

ekonominost potronje goriva te emisiju CO2 i tetnih plinova.

Cestovna vozila spadaju, prema terminologiji dinamike fluida, u tupa

tijela.

37

Aerodinamino

tijelo

(engl. streamlined

body)

Tupo tijelo

(engl. bluff

body)

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka

38

Cestovna vozila, koja spadaju u tupa tijela, odlikuje:

kompleksna vanjska (i unutarnja) geometrija: razliita udubljenja i

izboine, usisnici, rotirajui kotai,

turbulentno strujanje u graninom sloju,

trodimenzionalno strujanje,

odvajanje strujanja je esta (normalna) pojava, uz mogue ponovo

povezivanje,

pad, zastoj tlaka (engl. pressure drag) je primarni u faktoru otpora

zraka,

velike turbulencije iza vozila esto u kombinaciji s uzdunim

vrtlozima,

jedan od ciljeva u aerodinamici vozila je sprijeiti ili kontrolirati

odvajanje strujanja.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka

Aerodinamike karakteristike znaajno utjeu na performanse,

upravljivost i stabilnost vozila:

nizak faktor otpora zraka izrazito je vaan za ekonominost potronje

goriva i nisku emisiju CO2 i tetnih plinova,

aerodinamike karakteristike utjeu na stabilnost vozila i buku,

hlaenje motore i ostalih komponenata pogonskog sustava, konica,

hlaenje, grijanje i ventiliranje putnikog prostora.

39

Mitschke, 2004.

a) strujanja oko vozila (pune linije) i kroz vozilo (isprekidane linije)

b) formiranje otpora zraka uslijed zastoja tlaka (pune linije) i uslijed trenja

(isprekidane strelice)

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka

40

Vozilo prilikom vonje 'odguruje' zrak oko sebe (dinamiki tlak zraka) i

stvara vrtloge.

Izmeu prednje eone povrine (pretlak) i stranjeg dijela vozila

(podtlak) postoji razlika tlakova.

Zrak djelomino i klizi po povrini vozila (trenje).

Jedan dio zraka mora proi kroz automobil (hladnjak motora, konice,

sustav ventilacije, itd).

Sve zajedno daje otpor zraka.

Ope znaajke aerodinamike cestovnih vozila:

nestlaivo strujanje (Ma < 0,3),

visoki Reynolds-ov broj (Re > 1,0e+06),

intenzivno odvajanje strujanja i generiranje velikih vrtloga,

nestacionarno strujanje!

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka

Udio otpora osnovnog oblika vozila,

otpora pojedinih dijelova vozila

(retrovizori, kotai, podnica, )

otpor zbog prolaska zraka kroz

prostor motora na ukupni otpora

zraka.

41

Udio u otporu

zraka koji

nastaje zbog

pada tlaka,

hlaenja i trenja

za razliite oblike

karoserije.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Aerodinamino / tupo tijelo

42

Katz, 1995.

Nii tlak na gornjoj strani i

vii tlak na donjoj strani

aeroprofila omoguuju

silu uzgona.

U sluaju sportskih

automobila aeroprofil se

okree.

Tipini vrijednosti faktora uzgona cL i faktora

otpora zraka cD (cw)

Katz, 1995.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Faktori uzgona i otpora zraka

43

Utjecaj vrijednosti faktora

uzgona (cL) na prednjoj

osovini cA,v, stranjoj osovini

cA,h na osovinsko optereenje.

Promjena faktora uzgona na prednjoj osovini cA,v, stranjoj

osovini cA,h i faktora otpora zraka cw.

cA,v = 0,107, cA,h = 0,095

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Utjecaj oblika na otpor zraka

44

Hucho, 2013.

Utjecaj oblika vozila na faktor otpora zraka cw.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Raspodjela tlaka

45

Katz, 1995.

Oblik strujanja i profil tlaka za

dvodimenzionalno strujanje oko vozila.

Hucho, 1998.

Profil faktora tlaka cp za

dvodimenzionalno strujanje oko

vozila.

Katz, 1995.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka

46

p - dinamiki tlak zraka, [Pa]

v - brzina vozila, [m/s]

v0 - brzina protuvjetra, [m/s]

z - gustoa zraka, [kg/m3]

cw - faktor otpora zraka, [-]

A - eona povrina vozila - popreni presjek, [m3]

A = 0,775BH (B - irina vozila, [m], H - visina vozila, [m])

AcpF w z

Otpor zraka rauna se prema izrazu:

Ac

vvF wz

2

2

0z

2

2

0vvp z

Hucho, 1998

[N]

[N]

[Pa]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Faktor otpora zraka

47

Hucho, 1998.

Povijesni pregled: Iznos faktora otpora zraka cw (cD) osobnih

vozila u Europi u usporedbi s istraivakim vozilima

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Faktor otpora zraka

48

Hucho, 2013.

Povijesni pregled: Iznos faktora otpora zraka cw osobnih vozila u

Europi.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Faktor otpora zraka

O vrijednosti faktora zraka cw ovisi otpor zraka vozila i posredno potronja goriva i zagaenje okolia.

Otpor zraka pokuava se smanjiti promjenom oblika vozila (cw) i/ili smanjenjem eone povrine.

Prosjeni osnovni parametri vozila za pet klasa europskih osobnih vozila:

49

Hucho, 1998.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Utjecaj na potronju goriva

50

Hucho, 1998.

Usporedba utjecaja smanjenja faktora otpora zraka, mase vozila i

snage motora na potronju vozila:

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Faktor otpora zraka

Faktor otpora cw ovisi iskljuivo o obliku vozila (ne o

dimenzijama!). Odreuje se eksperimentalno (u zranom

tunelu) ili numeriki (raunalnim simulacijama).

51

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Mjerenja u zranim tunelima

52

Zrani tunel Audi, Ingolstadt

zatvorenog tipa,

veliina modela do 1:1,

ventilator snage 2600 kW,

temperature od -25C do

55C,

brzina zraka do 300 km/h.

Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Mjerenja u zranim tunelima

53

BMW Aerodynamic

Test Centre,

Forschungs und

Innovationszentrum

(FIZ), Munich

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Numerike simulacije

Numerike (CFD) simulacije s vrlo detaljnim modelom kompletnog vozila

mogu pruiti veliku koliinu korisnih podataka i uvid u problemu na nain

koji esto nije mogu prilikom klasinih mjerenja u zranom tunelu.

Ipak u praktinom smislu ti kompleksni modeli ne mogu dati kompletne

podatke o aerodinamici vozila koja ukljuuje i kretnja vozila, mijenjanje

smjera i zakretanje vozila oko sve tri osi,

CFD simulacije mogu usmjeriti razvoja prema pojedinim konceptima koji se

zatim provjeravaju u zranom tunelu. To skrauju potrebno vrijeme i

smanjuju broj ispitivanja u tunelu.

54

Strujanje oko bolida Sauber Petronas C22 2003 (Bienz, 2003)

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Numerike simulacije

55

strujanje oko i kroz vozilo

dvodimenzionalno strujanje

faktora otpora tlaka

vrtloenje iza vozila

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Numerike simulacije

56

faktora

otpora

tlaka

faktora

otpora

zraka

faktora

otpora

trenja

faktora

otpora

uzgona

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Numerike simulacije

Razlika u rezultatima faktora otpora zraka cw i faktora uzgona na

prednjoj osovini cA,v, stranjoj osovini cA,h odreenih eksperimentalno u

zranom tunelu i numeriki u raunalnim simulacijama.

57

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Aero utjecaj na razvoj oblika

58

A.L.F.A (Alfa Romeo) 40-60 HP

Aerodinamica prototip, 1914.

cw = 0,21

Tatra T 77, 1935.

cw = 0,29

Audi Alpensieger sa stranjim krajem u

obliku amca, 1913.

BMW 328, 1938.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Aero utjecaj na razvoj oblika

59

Hucho (1998)

cw = 0,15 Ford Probe IV, 1983.

Ford Probe V, 1985.

Oldsmobile Aerotech, 1987.

cw = 0,19

cw = 0,14

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Aero utjecaj na razvoj oblika

60

Mercedes E-Klasse, 2011.

cw = 0,19

ETH Zurich

PAC Car II, 2005.

Mercedes Benz

Bionic, 2005.

cw = 0,075

cw = 0,24

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Utjecaj duljine vozila

61

Hucho, 1998.

Odvajanje strujanja, profil s razliitim omjerima

duljina L/W: a) odvajanje na prednjoj povrini,

b) na stranjoj povrini

Omjer duljina l/d, l/d*

Hucho, 1998.

Bentley Speed 8,

klasa LMGTP,

Le Mans, 2003. Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod sportskih vozila

Utjecaj oblika stranjeg krila na

faktora uzgona cL (cA) i faktora

otpora zraka cD (cw).

62

Katz, 1995.

Utjecaj

faktora

uzgona cL

na

zaustavni

put prilikom

koenja.

Utjecaj

faktora

uzgona cL

na brzinu

vonje u

zavoju.

Katz, 1995.

Katz, 1995.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod sportskih vozila

63

Hucho, 1998.

911 Turbo 997 2010 2.05 0.31

Otvori za ulaz i izlaz zraka na Porsche

956 (Group C), 1982.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod sportskih vozila

64

Podignuti otvor

(engl. Raised air scoop),

kombinacija blagog

nagiba i zakrivljenosti

profila stjenki otvora,

osigurava nizak otpora i

nema odvajanja strujanja

koje se inae moe

pojaviti kod uzdignutih

otvora.

Peugeot 908, Le Mans, 2011.

Katz, 1995.

Ferrari F40, 1987. 1992.

NACA kanal ili otvor

(engl. NACA Duct),

naziva se i potopljeni

ulaz, jedan je od

najei oblik ulaznog

kanala, sastoji od plitkog

kanala sa zakrivljenim

rubovima. Omoguuje

ulaz zrak u unutarnje

kanale uz nizak otpor

odnosno uz minimalni

utjecaj na toka strujanja.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka cestovnih vozila

65

Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka cestovnih vozila

66

Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod autobusa

67

Potronja goriva za svladavanje

pojedinih komponenata otpora vonje,

za gradske i meugradske autobuse

Utjecaj faktora otpora zraka cD (cw)

na potronju goriva autobusa

Hucho, 1998. Hucho, 1998.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod autobusa

68

Utjecaj polumjera zaobljenja na

faktor otpora zraka cw

Hucho, 1998.

Utjecaj oblika prednjeg kraja

autobusa na faktor otpora zraka cw

Hucho, 1998.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod teretnih vozila

Ispitivanje modela u zranom tunelu za razliite prikolice.

69

Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod teretnih vozila

Razvoj MAN Concept S - aerodinamiki utjecaj.

70

Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod teretnih vozila

MAN Concept S ima faktor otpora zraka od 0,3. To otprilike odgovara

smanjenju faktora otpora zraka u odnosu na konvencionalni tegljae s

prikolicom od oko 45 %.

Smanjenje potronje goriva u izvan gradskoj vonji (autoceste) za oko 15 %.

Uz prosjenu potronju od 30 litara na 100 km, to je otprilike 4,5 l na 100 km.

71

Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka kod teretnih vozila

Renault Optifuel ostvaruje

smanjenje potronje goriva u

odnosu na konvencionalni tegljae

s prikolicom za 13%. (desno)

Konceptno teretno vozilo Scania

ima faktor otpora zraka od 0,25.

(dolje)

72

Hucho, 2013.

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.2. Otpor zraka

73

Potrebna snaga za savladavanje otpora zraka:

vAc

vvvAcpvFP wzw

2

2

0zz

p - dinamiki tlak zraka, [Pa]

v - brzina vozila, [m/s]

v0 - brzina protuvjetra, [m/s]

z - gustoa zraka, [kg/m3]

cw - faktor otpora zraka, [-]

A - eona povrina vozila - popreni presjek, [m3]

Acv

P wz 2

3

z

Bez protuvjetra:

[kW]

[kW]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Osnovni otpori vonje

74

Koliki postotak ukupne energije goriva se troi na savladavanje otpora

kotrljanja i otpora zraka? Mercedes-Benz C-Class, 1.8 l 4-cil., Otto

ATZ-2013-08

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Osnovni otpori vonje

75

Hucho, 2013.

Koliki postotak ukupne energije goriva se troi na savladavanje otpora

kotrljanja i otpora zraka? Mercedes-Benz Actros, 12 l, 6-cil., Diesel

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Otpori vonje

76

Otpori vonje su:

A.1.1.1. Otpor kotrljanja (Fk)

A.1.1.2. Otpor zraka (Fz)

A.1.1.3. Otpor uspona (Fu)

A.1.1.4. Otpor ubrzanja, tj. inercije (Fa)

A.1.1.5. Ostali otpori (vonja u zavoju, vua prikolice, )

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.3. Otpor uspona

Za otpor uspona (ili otpor svladavanja uspona) najvanija je

komponenta teine vozila paralelna s nagibom kosine.

Na iznos otpora uspona utjeu:

teina vozila,

nagib podloge (kolnika).

77

GV

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.3. Otpor uspona

Otpor uspona rauna se prema izrazu:

78

GV

mv - masa vozila (prazno vozilo + optereenje), [kg]

g - ubrzanje (9,81), [m/s2]

Gv - teina vozila, [N]

- kut uspona podloge, []

sinvu GF

sinvu gmF

Poveanjem kuta uspona otpori uspona se poveavaju.

[N]

[N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.3. Otpor svladavanja uspona

Uspon u postocima, s [%]

79

100 m

10 m 100

tans

U cestovnom prometu usponi

rijetko prelaze 10 % ( 5,7)

100tansin

s

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.3. Otpor svladavanja uspona

Snaga potrebna za savladavanje uspona odreenom

konstantnom brzinom:

80

vgmvFP sinvuu

Otpor uspona rauna se prema izrazu:

)100

sin(arctanvus

gmF

100vu

sgmF za s < 10 %

vs

gmP 100

vu

Odnosno:

[N]

[N]

[kW]

[kW]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Otpori vonje

81

Otpori vonje su:

A.1.1.1. Otpor kotrljanja (Fk)

A.1.1.2. Otpor zraka (Fz)

A.1.1.3. Otpor uspona (Fu)

A.1.1.4. Otpor ubrzanja, tj. inercije (Fa)

A.1.1.5. Ostali otpori (vonja u zavoju, vua prikolice, )

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.4. Otpor ubrzanja

Ovaj otpor se javlja u nestacionarnim uvjetima rada, tj.

posljedica je inercijskih sila kod ubrzavanja.

82

Prilikom ubrzanja pogon vozila mora translatorno ubrzati

masu vozila i rotaciono ubrzati sve rotirajue dijelove

(kotai, prijenosnici snage, ):

m - stvarna masa vozila (m = mv), [kg]

m - dodatak masi vozila uslijed utjecaja rotirajuih dijelova

a - translatorno ubrzanje vozila (tangencijalno ubrzanje na obodu kotaa),

[m/s2]

Mogunost ubrzanja vozila odreuje se iz snage koja je

preostala nakon savladavanja stacionarnih otpora.

''

a

'

a

'''

a )( FFammamF [N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.4. Otpor ubrzanja

Otpor translatornom ubrzanju mase vozila:

83

amamF v''

a

d

ukmm

2

d

k''

a r

iJa

r

JF

Otpor ubrzanju rotirajuih masa

vezanih uz koljenasto vratilo motora

(sve mase svedene na obod kotaa)

Otpor ubrzanju rotirajuih masa

vezanih uz osovinu kotaa (sve

mase svedene na obod kotaa)

Otpor ubrzanju rotirajuih masa:

Jk - moment inercije kotaa, [kgm2]

Jm - moment inercije motora i njemu pridruenih dijelova, [kgm2]

m - kutno ubrzanje koljenastog vratila, [rad/s2]

iuk - ukupni prijenosni omjer, [-]

rd - dinamiki radijus kotaa, [m]

[N]

[N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.4. Otpor ubrzanja rotirajuih masa

Odnos izmeu kutnog ubrzanja koljenastog vratila motora i

osovine kotaa:

84

uk

d

ukkm ir

ai

m - kutno ubrzanje koljenastog vratila, [rad/s2]

k - kutno ubrzanje osovine kotaa, [rad/s2]

a - tangencijalno ubrzanje na obodu kotaa, [m/s2]

iuk - ukupni prijenosni omjer, [-]

im - prijenosni omjer u mjenjau, [-]

i0 - prijenosni omjer osovinske redukcije, [-]

rd - dinamiki radijus kotaa, [m]

0muk iii

Ukupni prijenosni omjer:

[rad/s2]

[-]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.4. Otpor ubrzanja

Otpor ubrzanju rotirajuih masa:

85

ar

iJa

r

JF

2

d

2

ukm

2

d

k''

a

aiJJr

F )](1

[ 2ukmk2d

''

a

Ukupni otpor ubrzanja:

aiJJr

mammFFamF )](1

[)( 2ukmk2d

v

'''''

a

'

aa

[N]

[N]

[N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.4. Otpor ubrzanja

Pojednostavljeni izraz:

86

km - faktor rotirajuih masa, [-]

akmaiJJr

mF mv2

ukmk2

d

va )](1

[

Bosch, 2000.

[N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Otpori vonje

87

Otpori vonje su:

A.1.1.1. Otpor kotrljanja (Fk)

A.1.1.2. Otpor zraka (Fz)

A.1.1.3. Otpor uspona (Fu)

A.1.1.4. Otpor ubrzanja, tj. inercije (Fa)

A.1.1.5. Ostali otpori (vonja u zavoju, vua prikolice, )

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1.5. Ostali otpori

Otpori vonje u zavoju:

pri vonji u zavoju poveava se otpor kotrljanja,

otpor ovisi o polumjeru zavoja i o brzini prolaza kroz zavoj,

izraunavanje otpora u praksi gotovo neprovedivo,

udio otpora zavoja u ukupnim otporima malen.

Otpori vue prikolice:

izraunavaju se kao i kod vozila koje vue prikolicu,

osim otpora zraka zbog promijenih uvjeta strujanja,

pribrajaju se otporima vozila koje vue prikolicu.

Otpori vonje na mokroj podlozi:

pri vonji po mokroj podlozi poveava se otpor kotrljanja zbog istiskivanja vode,

ovisi o visini sloja vode, brzini vonje i irini gume,

pribrajaju se otporima kotrljanja za suhu podlogu.

88

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Ukupni otpori vonje

89

auzkR FFFFF

akmgmAc

vvgmfF wz

mvv

2

0vkR sin

2cos

Ac

vv

g

ak

sfGF wz

2)

100cos(

2

0mkvR

Ukupni otpori vonje:

[N]

[N]

[N]

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Ukupni otpori vonje

Uobiajena krivulja snage motora prikazuje rad samo motora kod

punog optereenja (lijevo), iako on moe raditi u bilo kojoj toki ispod

krivulje.

Putem prijenosnika s vie stupnjeva (u sredini), ta se snaga prenosi

na pogonske kotae, umanjena za gubitke u prijenosniku.

Raspoloiva snaga na kotaima Pkot (desno) raspodjeljuje se na snagu

otpora kotrljanja Pk, snagu otpora zraka Pz i snagu uspona Pu, a

ostatak stoji na raspolaganju za ubrzanje.

90

Pkot

Motorna vozila

Pogon vozila - Otpori vonje 2014./2015.

A.1.1. Ukupni otpori vonje

Raspoloiva snaga P(1), ..., P(6) na pogonskim kotaima u 1., ..., 6.

stupnju prijenosa.

Rezerva snage P ovisi o ukljuenom stupnju prijenosa i stoji na

raspolaganju vozau za ubrzavanje, uspon i druge dodatne gubitke.

91