Download pdf - Motorna Vozila

Katedra za motore i vozila

MOTORNA

VOZILA2008-2009

Ante Šoda, Kruno Ormuž


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


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


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


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 .


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 ≤=


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]


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


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


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


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.


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


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


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 !



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


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


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



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 !


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.


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


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


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

!


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).


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


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]


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.


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


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

−===


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 =+=+=


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.


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.


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


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 :


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


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


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


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% ).


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


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)