На написание данной статьи меня подтолкнуло следующее видео:
Используемые в нём расчёты основаны на школьном курсе физики.
Начнём с того, что время t разгона до заданной скорости v (например, до 100 км/ч) определяется по формуле
t = v/a, (1)
где
a — ускорение.
Вообще говоря, в силу разных причин ускорение меняется по мере разгона, но мы можем оценить его максимальную величину a_max, тем самым найдя минимально возможное время разгона t_min.
Согласно второму закону Ньютона ускорение a любого тела прямо пропорционально приложенной к телу силе F и обратно пропорционально его массе m:
a = F/m. (2)
Как известно, на ровной дороге автомобиль ускоряется за счёт силы трения между шинами и поверхностью дороги. Максимальная величина силы трения F_max определяется по формуле
F_max = μ∙N, (3)
где
μ — коэффициент трения покоя (для большинства летних гражданских шин μ ≈ 1);
N — нормальная сила давления.
Заметим, что при пробуксовке ведущих колёс коэффициент трения покоя меняется на коэффициент трения скольжения, который приблизительно вдвое меньше. Поэтому при пробуксовке тяга, а в след за ней и ускорение, падают не менее чем вдвое.
Таким образом, зная силу N, приходящуюся на ведущие колёса автомобиля, можно определить максимальную тягу, создаваемую шинами, а уже по ней найти ускорение и время разгона.
1 ПОЛНОПРИВОДНЫЕ АВТОМОБИЛИ
Для полноприводных автомобилей эта сила N равна весу P автомобиля:
N = P = m∙g, (4)
где
m — масса автомобиля, кг;
g — ускорение свободного падения (9.81 м/с²).
Если подставить (2), (3) и (4) в (1), то получится
t_min = v/(μ∙g), (5)
что для v = 100 км/ч = 27.78 м/c даёт
t_min ≈ 27.78/9.81 = 2.83 с
2 МОНОПРИВОДНЫЕ АВТОМОБИЛИ
С моноприводными автомобилями ситуация иная. У них за счёт продольного переноса веса во время разгона сила N будет определяться по формуле
N = δ∙P ± m∙a∙H/B = m∙(δ∙g ± a∙H/B), (6)
где
δ — статическая доля веса автомобиля, приходящаяся на ведущую ось;
a — ускорение (2), с которым разгоняется автомобиль, м/с²;
H — высота центра тяжести автомобиля, мм;
B — колёсная база, мм.
При этом в случае заднеприводных автомобилей в формуле (6) используется знак “+”, а в случае переднеприводных — знак “−”.
Если подставить (3) и (6) в (2), то получится
a_max = μ∙(δ∙g ± a_max∙H/B),
откуда находим максимально возможное ускорение автомобиля:
a_max = δ∙μ∙g/(1 −+ μ∙H/B). (7)
Осталось подставить (7) в (1):
t_min = (1 −+ μ∙H/B)∙v/(δ∙μ∙g). (8)
В формулах (7) и (8) знак “−” уже используется для заднеприводных автомобилей, а знак “+” — для переднеприводных.
Из выражения (8) видно, что при равномерной загрузке осей заднеприводный автомобиль потенциально будет разгоняться быстрее переднеприводного.
Пример
Оценим минимально возможное время разгона а/м Lada Granta. Для этого автомобиля известно, что статическая развесовка составляет 60/40, а база равна 2476 мм. В качестве высоты центра тяжести примем ⅓ от полной высоты автомобиля, т.е. 500 мм. Тогда по формуле (8) получаем
t_min ≈ (1 + 500/2476)∙27.78/(0.6∙9.81) = 5.67 с
Видно, что по сравнению с полноприводным автомобилем это время оказалось вдвое дольше.
Теперь занизим центр тяжести нашей Гранты на 100 мм:
t_min ≈ (1 + 400/2476)∙27.78/(0.6∙9.81) = 5.48 с
С помощью такого занижения время разгона удалось сократить всего на 0.2 с
Посмотрим, что будет, если мы поставим гоночные шины с коэффициентом трения μ = 1.2:
t_min = (1 + 1.2∙400/2476)∙27.78/(0.6∙1.2∙9.81) = 4.70 с
Разница с исходным вариантом составляет уже почти 1 с, т.е. такая модификация сильнее влияет на сокращение времени разгона.
P.S. Дополнение по просьбе RomanSmirnov
Найдём оценку минимальной мощности, выдаваемой двигателем, при которой рассчитанное время разгона становится достижимым.
Кинетическая энергия T автомобиля (как и любого другого тела) определяется по формуле
T = m∙v²/2. (9)
Тогда мощность с колёс во время разгона не должна быть меньше:
W_min ≥ T/t_min. (10)
Здесь мы пренебрегли силами сопротивления качения и сопротивления воздуха.
Для рассмотренной выше Гранты со снаряженной массой 1160 кг на штатных шинах получается
W_min ≥ 1160∙27.78²/(2∙5.48) = 81.7 кВт = 110 л.с.
Обычно потери в трансмиссии составляют около 25%, что даёт оценку на минимальную мощность двигателя почти 140 л.с. К этому надо добавить мощность сил сопротивления, которые можно оценить в 10% от рассчитанной минимальной мощности с колёс.
Таким образом, если во время разгона мощность с колёс не будет падать ниже 120 л.с. (а мощность двигателя не будет падать ниже 150 л.с.), то минимально возможное время разгона становится достижимым.
Обычно во время разгона обороты двигателя не опускаются ниже 3000 об/мин. При таких оборотах мощность мотора составляет приблизительно половину от максимальной. Следовательно, минимально возможное время разгона можно ожидать на Гранте с двигателем не менее 300 л.с.
P.P.S. Дополнение, касающееся минимально возможного времени заезда на четверть мили
При равноускоренном движении пройденный путь S вычисляется по формуле
S = a∙t²/2,
откуда легко выражается время
t = √[2S/a]. (11)
По этой формуле для полноприводного автомобиля получается
t ≈ √[2∙402/9.81] = 9.05 c,
а для Гранты на штатных шинах —
t ≈ √[2∙402∙(1 + 500/2476)/(0.6∙9.81)] = 12.81 c.
____________________________________________________
Радиус качения шины, скорость и КПП
Степень сжатия, бензин и избыточное давление
Оценка влияния R/S на работу мотора
Турбулизаторы или вихревые генераторы
Расчёт минимально возможного времени разгона
Фаза впрыска
Почему нельзя крутить мотор на заводских прошивках?
Оптимальные формы каналов ГБЦ. Часть 1
Оптимальные формы каналов ГБЦ. Часть 2
Влияние перекрытия распредвалов на ВСХ мотора
Влияние состава смеси на мощность мотора
Влияние угла опережения зажигания на мощность мотора
Расчёт ряда КПП
Время на прочтение
3 мин
Количество просмотров 9.6K
Немного теории.
Для начала разберемся с тем, что такое лошадиные силы и устроим небольшой экскурс в школьную физику.
1 л.с. – это мощность, затрачиваемая при вертикальном подъёме груза массой 75 кг со скоростью 1 м/с.
Как известно, мощность показывает, какую работу совершает тело в единицу времени:
Работа равна произведению силы на перемещение: A = F*S. Учитывая, что скорость V=S/t, получим:
Получаем формулу для перевода лошадиных сил в принятую в международной системе СИ единицу измерения мощности – Ватт:
Перейдем к основной части, а именно – к техническим характеристикам автомобиля.
Некоторые характеристики и расчёты будут приводиться приближенно, поскольку мы не претендуем на умопомрачительную точность расчетов, важнее понять физику и математику процесса.
m = 2 тонны = 2000 кг – масса автомобиля (масса авто 1940 кг, считаем что в ней водитель массой 60 кг и больше ничего/никого).
P = 670 л.с. (по паспорту 625 л.с., но реально мощность выше – измерено на динамометрическом стенде в ролике DSC OFF https://www.youtube.com/watch?v=ysg0Depmyjc. В этой статье мы ещё обратимся к замерам отсюда.)
Разгон 0-100 км/ч: 3.2-3.3 с (по паспорту, замерам)
Разгон 100-200 км/ч: 7.5-7.6 с (по паспорту, замерам)
Мощность двигателя генерируется на маховике, потом через сцепление передается в КПП, далее через дифференциалы, привода, карданный вал передается на колёса. В результате эти механизмы поглощают часть мощности и итоговая мощность, поставляемая к колесам, оказывается меньше на 18-28%. Именно мощность на колесах определяет динамические характеристики автомобиля.
У меня нет сомнений в гениальности инженеров БМВ, но, для начала, возьмем для удобства потери мощности 20%.
Вернемся к нашим физическим баранам. Для вычисления разгона нам нужно связать мощность со скоростью и временем разгона. Для этого воспользуемся вторым законом Ньютона:
Вооружившись этими знаниями, получим конечную формулу:
Выражая отсюда t, получим итоговую формулу для вычисления разгона:
На самом деле в паспорте автомобиля указывается максимальная мощность, достигаемая двигателем при определенном числе оборотов. Ниже приведена зависимость мощности двигателя от числа оборотов (синяя линия). Строго говоря, параметры этой кривой зависят от номера передачи, так что для определенности скажем, что график для 5й передачи.
Главное, что мы должны усвоить из этого графика – мощность автомобиля не постоянна во время движения, а увеличивается по мере роста оборотов двигателя.
Перейдем к расчету разгона от 0 до 100 км/ч. Переведем скорость в м/с:
При разгоне от 0 до 100 км/ч автомобиль практически сразу переключается с первой передачи на вторую, и при достижении около 90 км/ч переключается на третью. Будем считать, что на всём протяжении разгона автомобиль разгоняется на второй передаче, причем максимальная мощность будет меньше 670 л.с., поскольку передача ниже пятой. Возьмём в качестве начальной мощности при 0 км/ч мощность 150 л.с. (при 2000 об/мин), конечную – 600 л.с. (7000 об/мин):
Чтобы не считать сложные интегралы для вычисления средней мощности, скажем следующие слова: учитывая приближенный характер наших расчетов, проскальзывание авто при ускорении, а также сопротивление воздуха (хотя при разгоне от 0 до 100 оно играет не такую большую роль, как при разгоне до 200 км/ч), будем считать, что мощность зависит от скорости линейно, тогда средняя мощность при разгоне от 0 до 100 км/ч составляет:
Пришло время учесть потери мощности, о которых было сказано ранее, а заодно перевести мощность в кВт (1 кВт = 1000 Вт) для удобства. Потери мощности 20%, значит эффективность 80%=0.8:
Теперь подставляем всё в конечную формулу:
Получили довольно близкий к “паспортным” 3.3 с результат, ура! Специально не стал ничего дополнительно подгонять, дабы подчеркнуть приближенный характер расчёта, хотя это было довольно просто сделать, взяв, например, чуть больше мощность.
Теперь, ради интереса и проверки самих себя, вычислим разгон 100-200 км/ч.
С ростом скорости растёт трение воздуха, для движения используются более высокие передачи КПП (3-я, 4-я, 5-я), но при этом уменьшается проскальзывание колес. Так что оставим среднюю мощность 375 л.с.
Так делать конечно же нельзя! После 2-й передачи двигатель работает на “комфортных” для себя оборотах 4000-7000 об/мин, поэтому средняя мощность будет гораздо выше, поскольку выше будет начальная мощность для каждой передачи. Здесь уже не получится считать, что автомобиль едет только на 4-й передаче на всем протяжении разгона, но можно считать, что он проехал одинаковые промежутки времени на 3-й, 4-й и 5-й передаче, и пусть график зависимости мощности от числа оборотов для них одинаков, поэтому построим общую условную кривую зависимости мощности от скорости:
Опять же, считаем для простоты зависимость мощности от скорости линейной, тогда получаем среднюю и реальную мощность:
Тогда итоговое время разгона 100-200 км/ч:
![t = dfrac{m (V^2 - V_0^2)}{2P} = dfrac{2 cdot 10^3 text{ кг}cdot left[left(56 dfrac{м}{с} right)^2 - left(28 dfrac{м}{с} right)^2 right]}{2cdot 300 cdot 10^3 text{ Вт}} simeq 7.8 text{ с}](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6d8/4d4/6ae/6d84d46ae2709c0005f27dea37f6fecc.svg)
Время разгона “по паспорту” 7.6 с. И снова мы оказались близко к истине!
P.S. не хочу объяснять, откуда взялось (V^2 – V_0^2), можете повыводить на досуге 🙂
Ну и в общем-то всё. Приведенные рассуждения и вычисления не претендуют на истину в последней инстанции и большую точность, но показывают, что зная “школьные” формулы по физике, можно решать такие интересные задачки, связанные с жизнью.
Ускорение автомобиля
Одним из важнейших показателей
динамических качеств автомобиля является
интенсивность разгона – ускорение.
При изменении
скорости движения возникают силы
инерции, которые автомобилю необходимо
преодолеть для обеспечения заданного
ускорения. Эти силы вызваны как
поступательно движущимися массами
автомобиля m, так и моментами инерции
вращающихся деталей двигателя, трансмиссии
и колес.
Для удобства
проведения расчетов пользуются
комплексным показателем – приведенными
силами инерции:
где δвр
– коэффициент учета вращающихся масс.
Величина
ускорения j = dv/dt, которое может
развить автомобиль при движении по
горизонтальному участку дороги на
заданной передаче и с заданной скоростью,
находится в результате преобразования
формулы для определения запаса мощности,
которая расходуется на разгон:
,
или по
динамической характеристике:
D = f +
.
Отсюда:
j = 
.
Для определения
ускорения на подъеме или спуске пользуются
формулой:
.
Способность
автомобиля к быстрому разгону особенно
важна в условиях городской езды.
Увеличенные ускорения для автомобиля
могут быть получены за счет увеличения
передаточного числа u0главной передачи и соответствующего
выбора характеристики изменения
крутящего момента двигателя.
Максимальное
ускорение при разгоне находится в
пределах:
– для легковых автомобилей на первой
передаче 2,0…3,5 м/с2;
– для легковых
автомобилей на прямой передаче 0,8…2,0
м/с2;
– для грузовых
автомобилей на второй передаче 1,8…2,8
м/с2;
– для грузовых
автомобилей на прямой передаче 0,4…0,8
м/с2.
Время и путь разгона автомобиля
Величина ускорения в ряде случаев не
является достаточно наглядным показателем
способности автомобиля к разгону. Для
этой цели удобно применять такие
показатели, как время и путь разгонадо заданной скорости и графики,
отображающие зависимость скорости от
времени и пути разгона.
Так как j
= 
, тоdt =
.
Отсюда путем
интегрирования полученного уравнения
находим время разгона tв заданном
интервале изменения скоростей отv1доv2:
.
Определение
пути разгона Sв заданном интервале
изменения скоростей осуществляют
следующим образом. Так как скорость
является первой производной пути по
времени, то дифференциал путиdS=v·dt,
или путь разгона в интервале изменения
скоростей отv1доv2равен:
.
В условиях
реальной эксплуатации автомобиля
затраты времени на операции переключения
передач и буксование сцепления увеличивают
время разгона по сравнению с теоретическим
(расчетным) его значением. Время,
затрачиваемое на переключение передач,
зависит от конструкции коробки передач.
При применении автоматической коробки
передач это время практически равно
нулю.
Кроме того,
разгон не все время происходит при
полной подаче топлива, как это
предполагается в изложенном методе.
Это также увеличивает реальное время
разгона.
При применении
механической коробки передач важным
моментом является правильный выбор
наиболее выгодных скоростей переключения
передач v1-2, v2-3и т.д. (см. раздел «Тяговый расчет
автомобиля»).
Для оценки
способности автомобиля к разгону в
качестве показателя используют также
время разгона после трогания с места
на пути в 100 и 500 м.
Построение графиков ускорений
В практических
расчетах принимают, что разгон происходит
на горизонтальной дороге с твердым
покрытием. Сцепление включено и не
пробуксовывает. Орган управления режимом
работы двигателя находится в положении
полной подачи топлива. При этом обеспечено
сцепление колес с дорогой без
пробуксовывания. Предполагается также,
что изменение параметров двигателя
происходит по внешней скоростной
характеристике.
Полагают,
что разгон для легковых автомобилей
начинается с минимально устойчивой
скорости на низшей передаче порядка v0= 1,5…2,0м/сдо значенийvт= 27,8м/с(100км/ч). Для грузовых
автомобилей принимают:vт= 16,7м/с(60км/ч).
Последовательно,
начиная со скорости v0=
1,5…2,0м/сна первой передачи и
последующих передачах, на динамической
характеристике (рис.1) для выбранных по
оси абсциссvрасчетных точек (не
менее пяти) определяют запас динамического
фактора при разгоне как разность ординат
(D – f)на различных передачах.
Коэффициент учета вращающихся масс
(δвр) для каждой передачи
подсчитывают по формуле:
δвр= 1,04 + 0,05·iкп2.
Ускорения
автомобиля определяют по формуле:
j = 
.
По полученным
данным строят графики ускорений j=f(v)(рис.2).
Рис.2.
Характеристика ускорений автомобиля.
При правильном расчете и построении
кривая ускорений на высшей передаче
пересечет абсциссу в точке максимальной
скорости. Достижение максимальной
скорости происходит при полном
использовании запаса динамического
фактора: D – f = 0.
Построение графика времени разгона
t = f(v)
Этот график
строят, используя график ускорения
автомобиля j=f(v)(рис.2). Шкалу скоростей
графика разгона разбивают на равные
участки, например, через каждый 1м/с,
и из начала каждого участка проводят
перпендикуляры до пересечения с кривыми
ускорения (рис.3).
Площадь каждой из полученных элементарных
трапеций в принятом масштабе равна
времени разгона для данного участка
скорости, если считать, что на каждом
участке скорости разгон происходит с
постоянным (средним) ускорением:
jср= (j1
+ j2)/2,
где j1
, j2– ускорения соответственно
в начале и в конце рассматриваемого
участка скоростей,м/с2.
В данном расчете не учитывается время
на переключение передач и другие факторы,
приводящие к завышению времени разгона.
Поэтому вместо среднего ускорения
принимают ускорение jiв
начале произвольно взятого участка
(определяют по шкале).
С учетом
сделанного допущения время разгонана каждом участке приращения скоростиΔvопределится как:
ti=Δv/ji,с.
Рис. 3. Построение
графика времени разгона
По полученным
данным строят график времени разгона
t = f(v). Полное время разгона отv0до значенийvтопределяют
как сумму времени разгона (с нарастающим
итогом) по всем участкам:
t1=Δv/j1 ,t2=t1 +(Δv/j2),t3= t2 +(Δv/j3)и так далее доtтконечного
времени разгона:
.
При построении
графика времени разгона удобно
пользоваться таблицей и принять Δv= 1м/с.
|
Участки скорости |
||||||||
|
№ участков |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
и |
|
ji |
||||||||
|
ti |
||||||||
|
Врем |
Напомним,
что построенный (теоретический) график
разгона (рис.4) отличается от действительного
тем, что не учтено реальное время на
переключение передач. На рис.4 время
(1,0 с) на переключение передач
отображено условно для иллюстрации
момента переключения.
При
использовании механической (ступенчатой)
трансмиссии на автомобиле действительный
график времени разгона характеризуется
потерей скорости в моменты переключения
передач. Это также увеличивает время
на разгон. У автомобиля с коробкой
передач с синхронизаторами интенсивность
разгона выше. Наибольшая интенсивность
у автомобиля с автоматической
бесступенчатой трансмиссией.
Время разгона отечественных легковых
автомобилей малого класса с места до
скорости 100 км/ч(28м/с) составляет
порядка 13…20с. Для автомобилей
среднего и большого класса оно не
превышает 8…10с.
Рис.
4. Характеристика разгона автомобиля
по времени.
Время разгона грузовых автомобилей до
скорости 60 км/ч(17м/с) составляет
35…45си выше, что свидетельствует
о недостаточной их динамичности.
Путь разгона для легковых автомобилей
до скорости 100 км/чсоставляет 500…800м.
Сравнительные данные по времени разгона
автомобилей отечественного и зарубежного
производства приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4.
Время разгона
легковых автомобилей до скорости 100км/ч
(28 м/с)
|
Автомобиль |
Время, |
Автомобиль |
Время, |
|
ВАЗ-2106 |
17,5 |
Alfa |
9,0 |
|
ВАЗ-2121 |
25 |
Audi |
9,5 |
|
Москвич |
11,5 |
BMW-320i |
9,9 |
|
ЗИЛ-117 |
13 |
Cadillac |
7,2 |
|
ГАЗель-3302 |
24 |
Mercedes |
11,0 |
|
ЗАЗ-1102 |
16,2 |
Peugeot-406 |
7,9 |
|
ВАЗ-2110 |
12,0 |
Porsche-911 |
5,2 |
|
Ford |
9,2 |
VW |
17,4 |
|
Fiat |
8,8 |
Honda |
8,0 |
Примечание:
Рядом с типом автомобиля указан рабочий
объем (л)
и мощность (в скобках) двигателя (л.с.).
Построение графика пути разгона
автомобиля S
= f(v)
Аналогичным
образом проводится графическое
интегрирование раннее построенной
зависимости
t
= f(V)
для получения зависимости пути разгона
S
от скорости автомобиля.
В
данном случае кривая графика
времени разгона автомобиля
(рис. 5) разбивается на интервалы по
времени,
для каждого из которых находятся
соответствующие значения Vcр
k.
Рис.5. Схема,
поясняющая использование графика
времени разгона автомобиля
t
= f(V)
для
построения графика пути разгона S
= f(V).
Площадь
элементарного прямоугольника, например,
в интервале Δt5
есть
путь, который проходит автомобиль от
отметки t4
до отметки t5,
двигаясь
с постоянной скоростью Vcр
5.
Величина
площади элементарного прямоугольника
определяется следующим
образом:
ΔSk
= Vcр
k
(t
k
– t
k-1)
= Vcр
k
·
Δt
k
.
где k
= l…m
– порядковый номер интервала, m
выбирается произвольно, но считается
удобным для расчета, когда m
= n.
Например (рис. 5), если Vср5
=12,5 м/с;
t
4 =10 с;
t5
=14 с,
то ΔS5
= 12,5(14 – 10) = 5 м.
Путь разгона от скорости
V0
до скорости V1
: S1
= ΔS1;
до скорости V2
: S2
= ΔS1
+ ΔS2;
…
до скорости Vn
: Sn
= ΔS1
+ ΔS2
+ … + ΔSn
=
.
Результаты расчета заносятся
в таблицу и представляются в виде
графика (рис. 6).
Путь разгона для легковых автомобилей
до скорости 100 км/чсоставляет 300…600м. Для грузовых автомобилей путь
разгона до скорости 50км/чравен
150…300м.
Рис.6. Графика
пути
разгона автомобиля.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Вот как официально измеряется разгон автомобиля с 0-100 км/час.
Вы смотрите на технические характеристики автомобиля перед покупкой? На что вы в первую очередь обращаете внимание? Конечно, большинство из нас после стоимости авто интересует динамика разгона машины и ее расход топлива. Но задумывались ли вы, как происходят замеры динамики автомобиля при разгоне с 0 до 100 км/ч? Как вы считаете, реальны ли цифры, указанные в технической спецификации на автомобиль? Давайте разбираться.
Каждый автопроизводитель, перед тем как запустить автомобиль в серию, проводит множество различных тестов, с помощью которых проверяет его на надежность, качество и безопасность. В случае выявления каких-то проблем инженеры вносят изменения в устройство машины. Далее перед самым серийным производством автомобили проходят тестирование для составления технических характеристик. Наибольший интерес, конечно, представляют тесты, которые замеряют расход топлива того или иного автомобиля в городском режиме и при движении по шоссе.
Затем производитель вычисляет средний расход топлива. Также для полных данных технической спецификации каждый автомобиль проходит тесты, определяющие динамику машины при разгоне с 0-100 км/час. В некоторых случаях, например для спорткаров, автомобили проходят тесты на скорости 0-200 км/час и даже 0-300 км/час.
Как определяется динамика автомобиля, и как она связана с расходом топлива?
Как правило, динамику разгона в большинстве случаев определяет автопроизводитель во время специальных тестов. Обычно испытание на скорость разгона проходит на специальной динаметрической автодороге. Во время этого испытания тестируемый автомобиль проезжает определенную дистанцию, разгоняясь до 100 км/час. Сначала движение осуществляется в одну сторону, затем в другую.
Естественно, показатель динамики разгона зависит и от класса автомобиля, и от мощности двигателя. Не последнюю роль играет и тип коробки передач, которая передает крутящий момент на колеса. Также на скорость разгона автомобиля влияют аэродинамические характеристики кузова.
Итак, мощность двигателя в первую очередь влияет на максимальный крутящий момент (сила). И, как правило, чем больше мощность мотора, тем выше в нем крутящий момент. Таким образом, автомобили с более мощными двигателями более динамичные.
Кстати, тип двигателя не влияет обычно на динамику разгона. То есть неважно, какой двигатель стоит под капотом вашего авто – дизель или бензин. Если мотор имеет большую мощность, то автомобиль будет более динамичным.
Что касаемо коробки передач, то раньше считалось, что механическая коробка передач быстрее автоматической передает крутящий момент от двигателя на колеса. Соответственно, раньше автомобили с МКПП разгонялись быстрее с 0-100 км/час.
Сегодня утверждать это нельзя. Дело в том, что современные автоматические или полуавтоматические трансмиссии – сложные электронные устройства, управляющиеся компьютером, который по реакции значительно опережает реакцию даже профессионального водителя. То есть современные АКПП быстрее переключают передачи, чем человек. Следовательно, многие новые автоматические трансмиссии опережают переключение передач в механических коробках.
Самыми быстрыми по разгону автомобилями, как правило, являются спорткары и различные люксовые седаны и внедорожники, которые зачастую комплектуются новейшими мощными моторами и сложными коробками передач. В основном в таких автомобилях мощность двигателей начинается от 200 л. с.
Особый класс автомобилей с мощными двигателями начинается с мощности 250 л. с. Правда, автомобили с такой мощностью подлежат немаленькому налогообложению. Например, ставка транспортного налога на автомобили мощностью более 250 л. с. самая высокая в стране. Но, как правило, тех, кто может себе позволить купить автомобиль мощностью 250 л. с., не особо волнует ставка транспортного налога. Ведь купить мощный люксовый автомобиль могут сегодня только состоятельные водители.
В большинстве своем автомобили мощностью более 250 л. с. имеют динамику разгона с 0-100 км/час в среднем от 4 до 7 секунд. Автомобили, которые разгоняются быстрее 4 секунд, имеют очень большую мощность и стоят огромных денег. В этом диапазоне разгона представлены в основном одни премиальные спорткары.
Что касаемо динамики разгона обычных автомобилей, которые массово используются большинством автолюбителей, то в среднем такие автомобили разгоняются с места до 100 км/час примерно от 9 до 11 секунд. В секундах это небольшая разница, если сравнивать с более дорогими премиальными автомобилями. Но на дороге это огромная разница. Хотя для среднестатистического движения в городе динамики разгона в 10 секунд вполне достаточно. Больше и не нужно.
А как насчет минивэнов и внедорожников? Какой разгон у этого типа автомобилей? Большинство внедорожников и минивэнов не отличаются какой-то особо быстрой динамикой. В целом у реальных недорогих внедорожников и минивэнов разгон достаточно спокойный. Средний диапазон разгона до “сотни” – 11-13 секунд. Но этому классу автомобилей этого вполне достаточно, поскольку они предназначены для неторопливой езды в городе. Для внедорожников важна не динамика разгона, а возможности на бездорожье, по которому зачастую нужно передвигаться на небольшой скорости.
Правда ли, что стоимость обслуживания мощных автомобилей дороже?
Да, это действительно так. Большинство мощных машин обходятся владельцам намного дороже, чем менее мощные авто. Все дело в том, что более мощные автомобили оснащаются более сложными по конструкции двигателями. Также более мощные машины оснащаются более сложной тормозной системой, усиленной подвеской, более дорогими колесными дисками и резиной.
И самое важное, что большинству мощных автомобилей требуется более совершенное, дорогое моторное масло. А самое плохое то, что на более дорогих мощных автомобилях техническое обслуживание рекомендуется проходить чаще, чем на обычных современных авто.
Как динамика разгона влияет на расход топлива?
Как правило, в основное время мы не вжимаем педаль газа в пол, для того чтобы тронуться с места со светофора. Но если вам необходимо разогнаться с места за минимальное количество времени, то необходимо с большей силой надавить на педаль газа. В этом случае машина начнет разгоняться динамичнее. Но, как говорится, в жизни за все нужно платить. Помните, что при максимально возможной для вашей машины динамике разгона вы расплатитесь рублем. Нет-нет, мы не о штрафах за превышение скорости. Речь идет о расходе топлива, который вырастает чуть ли не в 2 раза при быстром разгоне с места.
Самое интересное, что производители в своих технических характеристиках стараются не указывать расход топлива при динамичном разгоне автомобиля с 0-100 км/ч, скрывая этот показатель своими обычными спецификациями потребления топлива в городе, на шоссе и в смешанном цикле.
Как динамика разгона автомобиля влияет на безопасность?
Как ни странно, динамика разгона автомобиля напрямую влияет на безопасность. Знаете, почему? Все дело в том, что очень часто на дороге происходят аварии по причине того, что какой-то автомобиль не успел завершить маневр. Но почему многие водители не успевают завершить маневр на дороге? Например, обгон. Как раз причина – в динамике разгона машины. Просто многие водители в момент начала обгона часто ошибочно полагают, что успеют его завершить, но в итоге их самоуверенность играет с ними злую шутку.
Да, быстрая динамика разгона в современном мире требуется не часто. Особенно в городе. Но чем мощнее и динамичнее автомобиль, тем меньше рисков аварии из-за маневров на дороге. Особенно при обгоне.
Кстати, в современном мире большинство автопроизводителей предлагают нам более широкий выбор автомобилей. Сегодня вы можете выбрать одну и ту же модель, но с разными моторами. Естественно, чем меньше мощность мотора, тем дешевле будет стоить машина. То есть в наши дни производители предлагают нам одинаковые модели под разный размер кошелька и разные предпочтения автолюбителей.
Так что при покупке автомобиля думайте, что вам важнее: экономичность или мощность. Ведь чем меньше мощность машины, тем меньше она будет расходовать топлива. Но за это вы расплатитесь динамикой разгона. Советуем вам при выборе автомобиля учитывать свой стиль вождения. Если вы предпочитаете более динамичный стиль управления транспортным средством, то советуем брать машину помощней. Если для вас неважна динамика разгона с 0 до 100 км/час и для вас самый важный показатель авто – это потребление топлива, то тогда покупайте автомобиль с немощным мотором. Он не только обойдется вам дешевле, но и сэкономит деньги при обслуживании и при заправке на АЗС.
Красный свет светофора сменился желтым, затем зеленым. С напряженным ревом срываются с места машины, затем звук двигателей на мгновение стихает — это водители отпустили педаль подачи топлива и переключают передачи, снова разгон, снова момент затишья и опять разгон. Только метров через 100 после перекрестка поток машин как бы успокаивается и плавно катит до следующего светофора. Лишь один старый автомобиль «Москвич» прошел перекресток ровно и бесшумно. На рисунке видно, как он обогнал все автомобили и вырвался далеко вперед. Этот автомобиль подъехал к перекрестку как раз в тот момент, когда зажегся зеленый сигнал светофора, водителю не пришлось тормозить и останавливать машину, не пришлось после этого снова брать разгон. Как же получается, что один автомобиль (да еще маломощный «Москвич» старого выпуска) легко, без напряжения движется со скоростью около 50 км/час, в то время как другие с явным напряжением постепенно набирают скорость и достигают скорости 50 км/час далеко после перекрестка, когда «Москвич» уже приближается к следующему светофору? Очевидно, что для равномерного движения требуется значительно меньше усилий и расхода мощности, чем при разгоне или, как говорят, при ускоренном движении.
Рис. Сравнительно слабый автомобиль может обогнать более мощные, если он подходит к перекрестку в момент включения зеленого света и не затрачивает усилий на трогание с места и разгон.
Но прежде чем изучать разгон автомобиля, нужно вспомнить некоторые понятия.
Ускорение автомобиля
Если автомобиль проходит в каждую секунду одинаковое число метров, движение называется равномерным или установившимся. Если пройденный автомобилем путь в каждую секунду (скорость) изменяется, движение называется:
- при увеличении скорости — ускоренным
- при уменьшении скорости — замедленным
Приращение скорости в единицу времени называют ускорением, уменьшение скорости в единицу времени — отрицательным ускорением, или замедлением.
Ускорение измеряют приростом или убыванием скорости (в метрах в секунду) за 1 сек. Если за секунду скорость увеличивается на 3 м/сек, ускорение равно 3 м/сек в секунду или 3 м/сек/сек или 3 м/сек2.
Ускорение обозначают буквой j.
Ускорение, равное 9,81 м/сек2 (или округленно, 10 м/сек2), соответствует ускорению, которое, как известно из опыта, имеет свободно падающее тело (без учета сопротивления воздуха), и называется ускорением силы тяжести. Его обозначают буквой g.
Разгон автомобиля
Разгон автомобиля обычно изображают графически. На горизонтальной оси графика откладывают путь, а на вертикальной — скорость и наносят точки, соответствующие каждому пройденному отрезку пути. Вместо скорости на вертикальной шкале можно откладывать время разгона, как это показано на графике разгона отечественных автомобилей.
Рис. График пути разгона.
График разгона представляет собой кривую с постепенно убывающим углом наклона. Уступы кривой соответствуют моментам переключения передач, когда ускорение на какой-то момент падает, однако их часто не показывают.
Инерция
Автомобиль не может с места развить сразу большую скорость, потому что ему приходится преодолевать не только силы сопротивления движению, но и инерцию.
Инерция — это свойство тела сохранять состояние покоя или состояние равномерного движения. Из механики известно, что неподвижное тело может быть приведено в движение (или скорость движущегося тела изменена) только под действием внешней силы. Преодолевая действие инерции, внешняя сила изменяет скорость тела, иначе говоря, придает ему ускорение. Величина ускорения пропорциональна величине силы. Чем больше масса тела, тем большей должна быть сила для придания этому телу нужного ускорения. Масса — это величина, пропорциональная количеству вещества в теле; масса т равна весу тела G, деленному на ускорение силы тяжести g (9,81 м/сек2):
m = G / 9,81, кг/(м/сек2)
Масса автомобиля сопротивляется разгону с силой Pj, эту силу называют силой инерции. Чтобы разгон мог произойти, на ведущих колесах нужно создать дополнительно силу тяги, равную силе инерции. Значит, сила, необходимая для преодоления инерции тела и для придания телу определенного ускорения j, оказывается пропорциональной массе тела и ускорению. Эта сила равна:
Pj = mj = Gj / 9,81, кг
Для ускоренного движения автомобиля требуется дополнительная затрата мощности:
Nj = Pj*Va / 75 = Gj*Va / 270*9,81 = Gj*Va / 2650, л.с.
Для точности расчетов в уравнения (31) и (32) следует включить множитель б («дельта») — коэффициент вращающихся масс, учитывающий влияние вращающихся масс автомобиля (особенно маховика двигателя и колес) на разгон. Тогда:
Pj = Gi*б, кг
и:
Nj = Gj*Va*б / 2650, л.с.
Рис. Графики времени разгона отечественных автомобилей.
Влияние вращающихся масс заключается в том, что, кроме преодоления инерции массы автомобиля, необходимо «раскрутить» маховик, колеса и другие вращающиеся части машины, затратив на это часть мощности двигателя. Величину коэффициента б можно считать приблизительно равной:
б = 1,03 + 0,05*ik^2
где ik — передаточное число в коробке передач.
Теперь, взяв для примера автомобиль с полным весом 2000 кг, нетрудно сравнить силы, необходимые для поддержания движения этого автомобиля по асфальту со скоростью 50 км/час (пока без учета сопротивления воздуха) и для трогания его с места с ускорением около 2,5 м/сек2, обычным для современных легковых автомобилей.
Согласно уравнению:
Pf = 2000*0,015 = 30, кг
Для преодоления сопротивления инерции на высшей передаче (ik = 1) потребуется сила:
Pj = 2000*2,5*1,1 / 9,81 = 560, кг
Такой силы на высшей передаче автомобиль не может развить, нужно включить первую передачу (с передаточным числом ik = 3).
Тогда получим:
Pj = 2000*2,5*1,5 / 9,81 = 760, кг
что для современных легковых автомобилей вполне возможно.
Итак, сила, необходимая для трогания с места, оказывается в 25 раз больше силы, необходимой для поддержания движения с постоянной скоростью 50 км/час.
Чтобы обеспечить быстрый разгон автомобиля, требуется устанавливать двигатель большой мощности. При движении с постоянной скоростью (кроме максимальной) двигатель работает не в полную мощность.
Из сказанного выше понятно, почему при трогании с места нужно включать низшую передачу. Попутно отметим, что на грузовых автомобилях обычно следует начинать разгон на второй передаче. Дело в том, что на первой передаче (ik примерно равно 7.) очень велико влияние вращающихся масс и тяговой силы не хватит, чтобы сообщить автомобилю большое ускорение; разгон получится очень медленным.
На сухой дороге при коэффициенте сцепления ф, равном около 0,7, трогание с места на низшей передаче не вызывает никаких затруднений, так как сила сцепления все еще превышает тяговую силу. Но на скользкой дороге может часто оказаться, что тяговая сила на низшей передаче больше силы сцепления (особенно при ненагруженном автомобиле), и колеса начинают буксовать. Из этого положения есть два выхода:
- уменьшить силу тяги троганием с места при малой подаче топлива или на второй передаче (для грузовых автомобилей — на третьей);
- увеличить коэффициент сцепления, т. е. подсыпать под ведущие колеса песок, подложить ветки, доски, тряпки, надеть на колеса цепи и т. д.
При разгоне особенно сказывается разгрузка передних колес и дополнительная нагрузка задних. Можно наблюдать, как в момент трогания с места автомобиль заметно, а иногда и очень резко «приседает» на задние колеса. Это перераспределение нагрузки происходит и при равномерном движении автомобиля. Оно объясняется противодействием вращающему моменту. Зубья ведущей шестерни главной передачи давят на зубья ведомой (коронной) и как бы прижимают заднюю ось к земле; при этом возникает реакция, отталкивающая ведущую шестерню вверх; происходит небольшое поворачивание всего заднего моста в направлении, обратном направлению вращения колес. Закрепленные на картере моста рессоры своими концами приподнимают переднюю часть рамы или кузова и опускают заднюю. Между прочим отметим, что именно вследствие разгрузки передних колес их легче повернуть во время движения автомобиля с включенной передачей, чем во время движения накатом, а тем более чем на стоянке. Это знает каждый водитель. Однако вернемся к дополнительно нагруженным задним колесам.
Дополнительная, прибавочная нагрузка на задние колеса Zd от передаваемого момента тем больше, чем больше момент Мк, подведенный к колесу и чем короче колесная база автомобиля L (в м):
Zd = Мк/L, кг
Естественно, что эта нагрузка особенно велика при движении на низших передачах, так как подводимый к колесам момент увеличен. Так, на автомобиле ГАЗ-51 дополнительная нагрузка на первой передаче равна:
Zd = 316/3,3 = 96, кг
Во время трогания с места и разгона на автомобиль действует сила инерции Pj, приложенная в центре тяжести автомобиля и направленная назад, т. е. в сторону, обратную ускорению. Так как сила Pj приложена на высоте hg от плоскости дороги, она будет стремиться как бы опрокинуть автомобиль вокруг задних колес. При этом нагрузка на задние колеса увеличится, а на передние — уменьшится на величину:
Zd = Pj*hg/L, кг
Рис. При передаче усилий от двигателя нагрузка на задние колеса увеличивается, а на передние — уменьшается.
Таким образом, при трогании с места на задние колеса и шины приходится нагрузка от веса автомобиля, от передаваемого увеличенного вращающего момента и от силы инерции. Эта нагрузка действует на подшипники заднего моста и главным образом на шины задних колес. Чтобы сберечь их, нужно троганье с места осуществлять как можно более плавно. Следует напомнить, что на подъеме задние колеса еще более нагружены. На крутом подъеме при трогании с места, да еще при высоком расположении центра тяжести автомобиля, может создаться такая разгрузка передних колес и перегрузка задних, которая приведет к повреждению шин и даже к опрокидыванию автомобиля назад.
Рис. Кроме нагрузки от тягового усилия, при разгоне на задние колеса действует дополнительная сила от инерции массы автомобиля.
Автомобиль двигается с ускорением, и скорость движения его увеличивается, пока тяговая сила больше силы сопротивления движению. С увеличением скорости сопротивление движению возрастает; когда установится равенство тяговой силы и сопротивления, автомобиль приобретает равномерное движение, скорость которого зависит от величины нажима на педаль подачи топлива. Если водитель до отказа нажимает на педаль подачи топлива, эта скорость равномерного движения является одновременно и наибольшей скоростью автомобиля.
Работа по преодолению сил сопротивления качению и воздуха не создает запаса энергии — энергия расходуется на борьбу с этими силами. Работа по преодолению сил инерции при разгоне автомобиля переходит в энергию движения. Эту энергию называют кинетической энергией. Создающийся при этом запас энергии можно использовать, если после некоторого разгона отсоединить ведущие колеса от двигателя, установить рычаг переключения коробки передач в нейтральное положение, т. е. дать возможность автомобилю двигаться по инерции, накатом. Движение накатом происходит до тех пор, пока запас энергии не израсходуется на преодоление сил сопротивления движению. Уместно напомнить, что на одном и том же отрезке пути расход энергии на разгон гораздо больше расхода на преодоление сил сопротивления движению. Поэтому за счет накопленной энергии путь наката может быть в несколько раз больше пути разгона. Так, путь наката со скорости 50 км/час равен для автомобиля «Победа» около 450 м, для автомобиля ГАЗ-51 — около 720 м, в то время как путь разгона до этой скорости равен соответственно 150—200 м и 250—300 м Если водитель не стремится ехать на автомобиле с очень большой скоростью, он может значительную часть пути вести автомобиль «накатом» и экономить таким образом энергию и, тем самым, топливо.
