Katedra za motore i vozila

MOTORNA VOZILA2008-2009 Ante oda, Kruno Ormu

Katedra za motore i vozila

A) TEORIJA MOTORNIH VOZILA MEHANIKA VONJE (STATIKA / KINEMATIKA / DINAMIKA)A.1 POGON VOZILA A.2 VUNE KARAKTERISTIKE A.3 OSNOVE TEORIJE KOENJA A.4 STABILNOST VOZILA A.5 UPRAVLJANJE AUTOMOBILOM

B) KONSTRUKCIJA VOZILAB.1 KONSTRUKCIJSKE OSOBINE POJEDINIH TIPOVA VOZILA B.2 GLAVNI SKLOPOVI VOZILA

2

Katedra za motore i vozila

A.1 POGON VOZILAA.1.1 A.1.2 A.1.3 A.1.4 A.1.5 A.1.6 A.1.7 Otpori vonje Vune sile Bone sile Vertikalne sile Raspodjela optereenja na osovine i kotae Mogunost realizacije performansi Utjecaj bonih sila na preraspodjelu optereenja

3

Katedra za motore i vozila

A.1.2 VUNE SILEVua vozila rezultat je trenja izmeu kotaa i podloge po kojoj kota putuje. Za vozila kod kojih se vuna sila prenosi na podlogu preko kotaa vuno trenje je pozitivan efekt. Najvea mogua vuna sila izmeu kotaa i podloge ovisi o: - osobinama materijala u dodiru, - makro- i mikroskopskoj geometriji na mjestu kontakta (hrapavost), - silama koje djeluju na mjestu dodira, - veliini dodirne plohe.www.weblite.com.au

www.autosport.com

4

Katedra za motore i vozila

A.1.2 VUNE SILEVuna sila rezultat je okretnog momenta motora, koji se preko elemenata prijenosa snage (transmisije) dovodi pogonskim kotaima :

FV =

Mp rd

M m i uk t = rd

FV ... Vuna sila prenesena na podlogu [N] Mp ... Moment doveden pog. kotau [Nm] Mm ... Moment motora [Nm] iuk = im i0 ... Ukupni prijenosni omjer

t ... Ukupna iskoristivost transmisijerd ... Dinamiki radijus kotaa [m]

Vuna sila, FV , raste poveanjem prijenosnog omjera u mjenjau, im .5

Katedra za motore i vozila

A.1.2 REALIZACIJA VUNE SILEZa realizaciju vune sile najvanija je sila trenja izmeu kotaa i podloge, tj. max. vuna sila ograniena je proklizavanjem :

FV = FT a GaNa uzbrdici :

FV = FT a Ga cos

FT ... Sila trenja na mjestu kontakta kotaa i podloge (ovo nije otpor kotrljanja!) [N]

a ... Adhezivni koeficijent trenja [-]Ga ... Optereenje kotaa na pogonskoj osovini ili adhezivno optereenje [N]

6

Katedra za motore i vozila

A.1.2 FAKTOR ADHEZIVNE TEINEPokazatelj vune sposobnosti vozila, faktor adhezivne teine :

ka

Ga = Gv

1 ... Pogon na sve kotae (4 x 4) 0.5 0.6 ... Dva pogonska kotaa (4 x 2) 0.7 0.75 ... etiri pogonska kotaa (6 x 4)

Ga ... Optereenje kotaa na pogonskoj osovini ili adhezivno optereenje [N] Gv ... Ukupna teina vozila [N]

Vuna vozila potrebno je dodatno opteretiti kako bi se poveala adhezijska sila (dodavanje utega na pogonsku osovinu, punjenje pogonskih kotaa vodom kod traktora, itd.).

7

Katedra za motore i vozila

A.1.2 ADHEZIVNI KOEFICIJENT TRENJAKoeficijent trenja, a , ovisi o :

a) b) c) d) e) f) g) h)

materijalu kolnika (podloge), povrinskom stanju kolnika, izvedbi protektorskog sloja gume, vrsti penumatika (radijalne, dijagonalne), tlaku zraka u gumi, temperaturi pneumatika, veliini kontaktne povrine, brzini klizanja kotaa.

8

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ PODLOGEa) Materijal i b) povrinsko stanje kolnika (podloge) :Vrlo je vana hrapavost, naroito ako je kolnik mokar. iljci hrapavosti probijaju vodeni sloj i ostvaruju dodir s gumom, vea hrapavost kolnika bolje prenoenje vune sile i sile koenja. Povrinsko stanje kolnika obzirom na atmosferske uvjete kolnik najskliskiji kad kia pone padati (prve kapi kie + praina = viskozno klizanje). Daljnjim padanjem kie sloj visk. klizanja se ispire i a poinje rasti.

a

Prag sigurnosti Kritino podruje

Praina je isprana 9

Katedra za motore i vozila

A.1.2 GLISIRANJEKritino podruje : radijalni pritisci podignu kota (vodeni klin) gubitak kontakta izmeu kolnika i pneumatika glisiranje (aquaplaning) na sloju vode !

http://www.khg-online.de

Opasno zbog naglog smanjenja trenja izmeu kotaa i podloge nemogunost skretanja, koenja i ubrzavanja !10

Katedra za motore i vozila

A.1.2 GLISIRANJEGlisiranje je karakteristino za brzine V > 60 km/h. Pojavljuje se samo u sluaju dovoljno ravne ceste, koja omoguuje nakupljanje dovoljno debelog sloja vode. Pri vonji s 80 km/h na mokroj cesti protektorski sloj gume mora odvesti do 25 l / s !http://www.khg-online.de

Teretna vozila : manja opasnost od glisiranja zbog veeg optereenja kotaa. Motorkotai i bicikli takoer znatno manje osjetljivi na glisiranje zbog klinastog oblika presjeka pneumatika.11

Katedra za motore i vozila

A.1.2 GLISIRANJEGranina brzina glisiranja (za teretna vozila) :

Vglis = 80 pVglis ... Granina brzina glisiranja [km/h] p ... Tlak pneumatika [bar] p = 2 bar Vglis = 113 km/h

12

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ PROTEKTORSKOG SLOJA GUMEc) Izvedba i materijal protektorskog sloja gumeOblici utora, irina i dubina utora Meke gume : vei adh. koef. trenja ( a 1.2 ) ali i vei Rk !

http://www.carbibles.com/tyre_bible.html

13

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ PROTEKTORSKOG SLOJA GUMERasprostranjenost utora :

=

Au 100 A

[%]

Au ... Povrina pod utorima [m2] A ... Ukupna povrina gume [m2]

Popreni utori najbolje odvode vodu ali izazivaju vibracije pneumatika !http://www.tyres-online.co.uk

http://www.carbibles.com/tyre_bible.html

14

Katedra za motore i vozila

A.1.2 PROTEKTORSKI SLOJ GUME( a )bV = 110 km/h hv = 0.2 mm hv = 1 mm

Utjecaj visine stojee vode, hv , na boni koeficijent adhezivnog trenja, ( a )b : Dubina utora mijenja se troenjem pneumatika :

hv = 2 mm

=

h 100 h0

[%]

... Relativna dubina utora [-]h ... Stvarna dubina utora [mm] h0 ... Dubina utora nove gume [mm] hv ... Visina sloja stojee vode na kolniku [mm]

Propis : hmin > 2 mm ... Ljetne gume hmin > 4 mm ... Zimske gume15

Katedra za motore i vozila

A.1.2 PROTEKTORSKI SLOJ GUMETroenjem gume ( padom ) adhezivna svojstva se poboljavaju ( ) ali raste i opasnost od glisiranja ( ).

( a )b

V = 90 km/h h0 = 7 mmSuha cesta

hv = 0.2 mm hv = 1 mm hv = 2 mm

hmin = 2 mm za ljetne gume16

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ VRSTE PNEUMATIKAd) Radijalne gume imaju bolje prianjanje na podlogu od starijihdijagonalnih guma.Dijagonalne Radijalne

http://www.michelinag.com

http://www.carbibles.com/tyre_bible.html

17

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ TLAKA PNEUMATIKAe)Promjena tlaka u gumi uvjetuje promjenu kontaktne povrine. Suhi kolnik promjena tlaka ne utjee bitno na a Mokar kolnik padom tlaka u gumi pada i pritisak na podlogu, pa se istiskuje manje vode ispod gume smanjuje se a !

18

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ TEMPERATURE PNEUMATIKAf)Zagrijana guma daje vei a i vei Rk . Temperatura je posebno bitna na poledici :

-

Poledica pri 0 C ( a 0.05 ) led nije toliko opasan sam po sebi, ve sloj vode koji nastaje taljenjem leda uslijed pritiska kotaa guma pliva na vodi (glisiranje)! Poledica pri -10 C ( a 0.15 ) nema brzog otapanja

-

leda ispod kotaa tangencijalne sile su vee.

19

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ KONTAKTNE POVRINEg)Tangencijalna sila nastaje zbrojem klasinog trenja i sile odsjecanja materijala : FT = A + Ga = Fod + Ga FT ... Tangencijalna sila (sila trenja) [N] Mp ... Pogonski moment [Nm] A ... Povrina otiska [m2]

... vrstoa zemljina odsjecanjaGa ... Optereenje kotaa na pogonskoj osovini(adhezivno optereenje) [N]

FT

... Keoficijent adhezivnog trenjaFod = A ... Sila odsjecanja materijala [N]

Ga A Ga20

= arc tan ... Nagib porasta tangencijalne sile []

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ KLIZANJA KOTAAh)Brzina klizanja kotaa (razlika izmeu obodne brzine i translatorne brzine) bitno utjee na efikasnost prenoenja sila pogona i sila koenja na podlogu.

http://www.hockenheimring.com

21

Katedra za motore i vozila

A.1.2 UTJECAJ RELATIVNE BRZINE KOTAAAko postoji razlika izmeu periferne obodne brzine kotaa, VO , i translatorne brzine osi kotaa (ili brzine vozila), V klizanje kotaa tangencijalna sila na obodu kotaa, FV .

a

| VO V |

Porastom vrijednosti | VO V | opada adhezivni koeficijent trenja !22

Katedra za motore i vozila

A.1.2 FUNKCIJE KOTAADvije osnovne funkcije kotaa : a) pokretni oslonac vozila i b) pretvaranje mehanike energije motora u rad potreban za savladavanje otpora kretanja.

Vueni kota Pokretni oslonac vozila, kotrlja se prisilno, tako to se potrebna sila F prenosi na osovinu kotaa ( nema M ).

Pogonski kota Pokretni oslonac vozila + osigurava kretanje vozila, pogonski moment Mp na osovini savladava otpore vonje i silu inercije.

Koeni kota Pokretni oslonac vozila + osigurava koenje vozila, moment koenja Mk na osovini zaustavlja vozilo (savladava inercijsku silu).23

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KINEMATIKA KOTAAAnaliza kotrljanja idealnog kotaa po ravnini (obod kotaa i ravnina kruti, kontaktna povrina reducirana na toku) :

Kotrljanje kotaa = okretanje oko toke kontakta kota / podloga(trenutne osi okretanja) O1

Okretanje kotaa oko O1 = translacija brzinom V + rotacija oko osikotaa O kutnom brzinom

O ... Os kotaa O1 ... Toka kontakta kota / podlogaTrenutna os okretanja kotaa

... Kutna brzina vrnje kotaa [1/s]VO ... Obodna brzina kotaa [m/s] V ... Translatorna brzina osi kotaa [m/s]

24

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KINEMATIKA KOTAAVektor translatorne brzine usmjeren je u pravcu kretanja i uvijek paralelan s podlogom : V = rk Vektor obodne brzine usmjeren je u smjeru okretanja kotaa, tj. tangencijalno na toku oboda kotaa : VO = rd Rezultantna brzina, VR , bilo koje toke oboda kotaa odreuje se geometrijskim zbrojem vektora brzine u toj toki. ... Brzina vrnje kotaa [1/s]rd ... Dinamiki radijus kotaa [m] rk ... Radijus kotrljanja, tj. radijus kotaa razvijen na podlogu za onoliko koliki je put preao kota [m]25

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KINEMATIKA KOTAAZa sluaj V = VO nema klizanja kotaa ( rd = rf = r ) Poloaj trenutne osi okretanja tono u O1 . Toka A ( = 0 ) :

r r r VA = V + VO = 2 r cos = 2 r 2

r r r VB = V + VO = 2 r cos 2 r r r VO1 = V + VO = 2 r cos = 0 2Kontaktna toka ostaje nepokretna u toku beskonano malog vremena apsolutna brzina toke O1 jednaka nuli.26

Toka B ( 0 < < 180 ) :

Toka O1 ( = 180 ) :

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KINEMATIKA KOTAAZakret kotaa za kut : os kotaa O O' , toka B B Kako se giba toka B ? x = B' O1 C O1 B' O1 = B O1 = r C O1 = r sin y = C B = O1 D = O1 O D O O1 O = r D O = r cos

y x

Jednaba kretanja toke B u parametarskom obliku : x = r r sin = r ( sin ) y = r r cos = r ( 1 cos ) Cikloida27

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KINEMATIKA KOTAABrzina toke B derivacija jednadbi gibanja po vremenu t (uz d / dt = = const.)x = r r sin = r ( sin ) VH = r r cos = r ( 1 cos

)

d d d d (r sin ) = r (sin ) = r (sin ) = r cos dt dt dt dt d d (r ) = r = r dt dt

d x = VH dt

y = r r cos = r ( 1 cos )

VV = r sin

d d d d (r cos ) = r (cos ) = r (cos ) = r sin dt dt dt dt

dr = 0 dtd y = VV dt28

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KINEMATIKA KOTAAUbrzanje toke B za kota koji se giba po ravnom putu konstantnom brzinom ( = const. ) derivacija jednadbi brzine po vremenu t

aH =

d d d d (r r cos ) = (r ) (r cos ) = r 2 sin VH = dt dt dt dt

d d (r sin ) = r 2 cos av = VV = dt dtRezultanta ubrzanja :

a =

(aH )2

+ (aV )2 = r 2

(cos )2 + (sin )2 = r 2

29

Katedra za motore i vozila

A.1.2 PROKLIZAVANJE KOTAAIdealni (kruti) kota, bez klizanja : VO = V ( rd = rk = r ) , poloaj trenutne osi okretanja O1 u toki dodira kotaa i podloge. Radijalno optereen elastini kota u mirovanju ( V = 0 ) : Kotrljanje radijalno optereenog pog. elastinog kotaa ( V > 0 ) :

Tangencijalne deformacije simetrine unutranja naprezanja uravnoteena.

Tangencijalne deformacije nesimetrine na prednjem dijelu sabijanje vlakana, na stranjem istezanje vlakana.30

Katedra za motore i vozila

A.1.2 PROKLIZAVANJE KOTAAKotrljanje radijalno optereenog pogonskog elastinog kotaa ( V > 0 ) :

Rapodjela deformacija po obodu kotaa : sabijanje, istezanje.

Prije nego se kota okrene, dolazi do malog zakretanja osovine prema obodu kotaa, tj. do zakanjenja translatorne brzine u odn. na kutnu brzinu osovine. Ako Mp i djeluju u istom smjeru, elementi pneumatika koji stupaju u kontakt s tlom se sabijaju ( ), a oni koji naputaju kontakt se isteu ( ). Poetak okretanja (pri V = 0 ) : jedan dio pneumatika na kontaktnoj povrini klizi po podlozi, dok drugi dio ostaje nepokretan (prvi izvor klizanja kotaa, tj. razlike izmeu VO i V ) elastino proklizavanje kotaa.31

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KLIZANJE KOTAAPri V > 0 porastom Mp raste i dio kontaktne povrine na kojoj se ostvaruje klizanje pneumatika u odnosu na tlo (proklizavanje postaje snanije). Pri odreenoj vrijednosti Mp ( Mp, max ) poinje istovremeno klizanje svih toaka kontakne povrine elastino klizanje kotaa.Povrina nepokretnih dijelova pneumatika u kontaktu s podlogom Povrina klizanja

Mp = 0 Mp = 0.46 Mp, max Mp = 0.50 Mp, max Mp = Mp, maxJankovi (2001)

Kanjenje translatorne brzine za kutnom brzinom poveava se porastom Mp (drugi izvor klizanja).32

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KOEFICIJENT KLIZANJA KOTAAPogonski kota posljedica proklizavanja & klizanja put ostvaren jednim okretom kotaa manji je nego u sluaju kotrljanja bez klizanja porastom Mp opada efektivni radijus kotrljanja rk ! Koeficijent klizanja pogonskog kotaa :

=

s s r (r r ) r = = s r r

Efektivni radijus kotrljanja :

rk = r r = r r = r (1 )s ... Put koji napravi kota bez klizanja [m] s ... Preeni put kotaa s klizanjem [m]rk ... Efektivni radijus kotrljanja [m] r ... Radijus kotaa [m]

... Kut zakreta kotaa [deg]O1 ... Trenutna os okretanja kotaa33

Katedra za motore i vozila

A.1.2 KOEFICIJENT KLIZANJA KOTAAPrilikom koenja sitacija je obrnuta smjer djelovanja M suprotna od put ostvaren tijekom jednog okretaja kotaa vei je nego bez klizanja poveanjem Mk raste rk ! Koeficijent klizanja koenog kotaa :

=

s s (r + r ) r r = = s r r

Efektivni radijus kotrljanja :

rk = r + r = r + r = r (1 + ) = 20% u vremenu dok seobod kotaa zavrti za 1 m, os kotaa (vozilo) pree 1.2 m.

34

Katedra za motore i vozila

A.1.2 BRZINA KLIZANJAOvisnost rk o M :Elastino proklizavanje kotaa Proklizavanje : Mp > 0 kota se bre okree nego to napreduje translatorno ( VO > V ).

Klizanje : Mk > Mk, max kota blokira ( VO = 0 ) i klizi po podlozi ( V > 0 ).

Translatorno klizanjeProklizavanje : Mk > 0 kota se sporije vrti nego to se giba translatorno ( VO < V ).

Kutno klizanjeKlizanje : Mp okretanje kotaa u mjestu ( V = 0 ) .

Jankovi (2001)

Koenje

Ubrzavanje

35

Katedra za motore i vozila

A.1.2 BRZINA KLIZANJAVklizanja

Ubrzavanje : Koenje

=

VO V 100 [%] VO

PogonVO < V VO > V

=

-

=0isto kotrljanje

=1isto kutno klizanje

>1?

isto translatorno klizanje

Koenje :

=

V VO 100 [%] V36

Katedra za motore i vozila

A.1.2 FAKTOR TRENJASuh kolnik < 10%

=

FT Ga

Mokar kolnik

> 50%

Najvee usporenje kotaa je obino kod = 10 30% . Prekoraenje max. mogue sila koenja smanjuje se efekt koenja ( opada, posebno na mokrom kolniku ). U ekstremnom sluaju dolazi do potpunog blokiranja koenih kotaa (isto translatorno klizanje, = 100% ).37

Katedra za motore i vozila

A.1.2 SPREAVANJE BLOKIRANJA KOENIH KOTAABlokiranje koenih kotaa ( = 100% ) :

rapidno smanjena mogunost prenoenjabonih sila nemogue skretanje,

smanjen smanjena mogunostkoenja, dui zaustavni put,

razliito stanje podloge ispod koenihkotaa razliite sile koenja vozilo gubi bonu stabilnost (zanoenje) !

- split koenjehttp://de.wikipedia.org

38

Katedra za motore i vozila

A.1.2 SPREAVANJE BLOKIRANJA KOENIH KOTAABlokiranje koenih kotaa ( = 100% ) treba smanjiti silu koenja ( ), sve dok se kotai ponovno ne ponu okretati ( ). Elektronski sistem protiv blokiranja koenih kotaa ABS regulira (naizmjenino smanjuje i poveava) silu koenja na svakom kotau posebno ( = const. ) omoguuva optimalan tijek koenja. Sistem protiv blokiranja koenih kotaa (Anti-Blockier-System) najvei efekt ima upravo na mokrom kolniku gdje poveava bonu stabilnost. ABS konice, povijest : 1920 G. Voisin (FR), zrakoplovni inenjer 1936 Bosch (D), patent 1966 Jensen FF (UK), prvi serijski automobil s ABS konicama (mehaniki princip) 1969 prvi elektroniki regulirani ABS (ITT Automotive, USA) 1978 serijska prouizvodnja elektronikog ABS sistema (Bosch, D)39