2. NOŢIUNI SUMARE ASUPRA DEPLASĂRII AUTOMOBILULUI

2. NOŢIUNI SUMARE ASUPRA DEPLASĂRII AUTOMOBILULUI 2.1. Consideraţii generale Utilizarea automobilului constă în transportul pe drumuri al pasagerilor, încărcăturilor sau al utilajului special montat pe automobil. Automobilul trebuie să învingă rezistenţele, care apar la deplasarea lui, deci energia mecanică dezvoltată de motorul automobilului este folosită pentru învingerea rezistenţelor ce apar la deplasarea automobilului. Cantitatea de energie consumată în unitatea de timp pentru învingerea rezistenţelor la înaintarea automobilului determină puterea necesară în fiecare moment, la arborele cotit al motorului. Surse energetice de recuperare... Valoarea limită a puterii dezvoltate de motor, la o anumită turaţie a arborelui cotit, este limitată de parametrii motorului (tipul, construcţia şi dimensiunile sale) şi de valoarea rezistenţelor, care la o anumită viteză, pot fi învinse de un automobil având un anumit cuplu motor. Fiind cunoscute puterea efectivă P e în CP dezvoltată de motor şi turaţia efectivă arborelui cotit n e în rot/min se poate calcula cuplul motor (momentul efectiv) M e în danm la arborele cotit al motorului: Me = 716,2 * Pe /ne După cum s-a văzut puterea dezvoltată de motor se transmite, prin intermediul mecanismelor transmisiei, la roţile motoare ale automobilului, o anumită parte din putere realizată se consumă pentru învingerea frecărilor şi a celorlalte rezistenţe din mecanismele transmisiei (deformările elastice din cuplele cinematice). Din această cauză puterea la roţile motoare P R este mai mică decât puterea efectivă la arborele cotit al motorului P e. Raportul între puterea la roţile motoare ale automobilului P R şi puterea dezvoltată de motor P e se numeşte randamentul transmisiei şi caracterizează calitatea transmisiei în privinţa pierderilor la transmiterea puterii de la motor la roţile motoare (eficiența energetică). Randamentul transmisiei poate fi calculat cu relaţia: tr = PR/Pe = (Pe - Ptr)/Pe unde: P tr este puterea pierdută în transmisie. Conform relaţiei puterea la roţile motoare ale automobilului în funcţie de puterea motorului se poate calcula cu relaţia: P R tr P e Valoarea randamentului transmisiei depinde de construcţia mecanismelor transmisiei şi de condiţiile de lucru (ungere), fiind în medie egal cu 90%. Pentru învingerea rezistenţelor din mecanismele transmisiei se consumă în medie 10% din puterea motorului. Datorită prezenţei mecanismelor transmisiei, turaţia roţilor automobilului (pentru simplificare se consideră cazul de mişcare în linie dreaptă a automobilului când turaţia roţilor din dreapta şi din stânga este aceeaşi) este mai mică decât turaţia arborelui cotit al motorului. Pentru a ilustra acest lucru se notează cu i 0 raportul 1

de transmitere al reductorului autovehiculului, care arată de câte ori turaţia roţilor motoare este mai mică decât turaţia arborelui cardanic sau de câte ori cuplul motor la roţile motoare este mai mare decât cuplul motor al arborelui cardanic. De asemenea se notează cu i cv raportul de transmitere al cutiei de viteze, care arată de câte ori turaţia arborelui cardanic este mai mică decât turaţia arborelui cotit al motorului sau, de câte ori cuplul motor al arborelui cardanic este mai mare decât cuplul motor al arborelui cotit al motorului. Cu notaţiile adoptate, turaţia roţilor motoare n R poate fi exprimată prin turaţia n e a arborelui cotit al motorului, în modul următor: n R =n e /(i 0 *i cv ) Cunoscând turaţia roţilor automobilului, se poate calcula viteza de înaintare a acestuia. Pentru aceasta se notează cu r în m raza roţilor automobilului, rază la determinarea căreia se ţine seama de deformaţia cauciucului montat pe roată, deci la o rotire a roţii automobilul parcurge un drum de 2* *r. Dacă roata face n R în rot/min, drumul parcurs de automobil pe minut în metri va fi egal cu 2* *r*n R. Drumul parcurs într-o secundă, adică viteza automobilului va fi de 60 de ori mai mică. Folosind relaţia anterioara se obţine viteza automobilului: Cuplul motor la roţile motoare ale automobilului se poate calcula cunoscând puterea la roţile motoare şi turaţia lor cu relaţia următoare: M R = 716,2*P R /n R Introducând în această relaţie valorile determinate anterior pentru P R şi n R şi ţinând seama de relaţia de calcul a cuplului motor se obţine: Împărţind momentul la roţile motoare la raza lor, se obţine forţa periferică la roţile motoare, care se notează cu F R şi se determină formula: Forţa periferică F R este îndreptată în sens invers deplasării automobilului şi reprezintă acţiunea roţilor motoare ale automobilului asupra drumului în punctele lor de contact aşa după cum se poate observa şi din figura următoare. 2

Acţiunea reciprocă a drumului asupra roţilor motoare se exprimă prin forţa de reacţie T aplicată de drum pe roţile motoare şi este îndreptată în sensul de deplasare a automobilului. Deci, T reprezintă o forţă mobilă, numită forţă de tracţiune. Dacă nu se ţine seama de rezistenţa relativ mică de rostogolire a roţilor motoare, atunci forţa de tracţiune este egală în valoare absolută cu forţa periferică. T=F R. Aceasta permite ca la rezolvarea unor probleme practice să se considere în locul forţei de tracţiune, forţa periferică, ce se poate calcula uşor cu relaţia forţei periferice la roţile motoare. Mărimea forţei periferice la roţile motoare este limitată de aderenţa acestor roţi cu suprafața drumului şi este funcţie de coeficentul de frecare se poate determina cu relaţia: unde: φ - coeficientul de aderenţă dintre roată şi drum, care depinde de starea drumului; Z m - reacţiunea normală la roţile motoare. Pentru un drum uscat, cu acoperire artificială tare, coeficientul de aderenţă este în medie φ=0,6. Pe un drum alunecos, coeficientul de aderenţă scade de 2...3 ori, adică ajunge la valori 0,2...0,3. Dacă roţilor motoare ale automobilului li se transmite o forţă periferică în valoare mai mare decât forţa de aderenţă, forţa de tracţiune nu creşte, iar roţile încep să patineze pe suprafața drumului. Mărimea reacţiunii normale Z m depinde de schema şi construcţia automobilului. La un automobil cu două punţi, cu roţile motoare în spate Z m = Z 2, iar dacă are roţile motoare în faţă Z m = Z 1. Dacă automobilul are toate roţile motoare Z m = Z 1 + Z 2 = Ga (unde Z 1 este reacţiunea statică pe puntea din faţă, iar Z 2 reacţiunea statică pe puntea din spate). 2.2. Forţele de rezistenţă la înaintarea automobilului Ca rezultat al acţiunii drumului şi aerului asupra automobilului aflat în mişcare, apar o serie de rezistenţe la înaintare, a căror sumă este echilibrată de forţa de tracţiune. Aceste rezistenţe determină caracterul mişcării şi valoarea vitezei dezvoltate de automobil. Forţa totală la roată obţinută prin însumarea forţelor tangenţiale de la toate roţile motoare se utilizează la învingerea rezistenţelor la înaintare formate din: rezistenţa la rulare F r, rezistenţa la urcarea pantei F p, rezistenţa aerului F a şi rezistenţa la accelerare F i accel decel sau rezistenţa la demaraj F d, după cum se prezintă şi în figura următoare. 3

Rezistenţa la rulare F r şi rezistenţa aerului F a sunt totdeauna forţe care se opun mişcării automobilului. Rezistenţa datorită pantei F p se opune mişcării numai în cazul urcării automobilului pe un drum înclinat, la coborârea pantei devine forţă activă, iar la deplasarea pe drum orizontal este egală cu zero. Rezistenţa la accelerare sau rezistenţa la demarare F d acţionează asupra automobilului numai în timpul mişcării cu regim variabil, nestaţionar (V diferit de const.) şi este totdeauna de sens opus acceleraţiei. Astfel, la accelerarea automobilului (demarare) ea acţionează ca forţă de rezistenţă, iar la frânare ca forţă activă. Rezistenţa totală F la înaintarea automobilului, în cazul cel mai general al mişcării (drum înclinat şi viteză variabilă) este dată de relaţia: F = F r ± F p + F a ± F d Deoarece rezistenţa totală la înaintare în timpul deplasării este echilibrată de forţa totală la roţile motoare, se poate scrie: F R = F = F r ± F p + F a ± F d Forţa de rezistenţă la rulare F r este condiţionată de pierderile datorită rulării roţii elastice pe suprafeţe tari sau deformabile ale drumului. Pentru calcularea forţei de rezistenţă la rulare a automobilului se consideră un coeficient mediu de rezistenţă la rulare f, pentru toate roţile automobilului. Astfel, forţa de rezistenţă la rulare pe un drum orizontal a unui automobil sau a unei remorci se calculează cu relaţiile: iar în cazul unui autotren cu n remorci, relaţia anterioară devine: unde: G a este greutatea totală a automobilului sau autotractorului, G r este greutatea unei remorci, iar f este coeficientul mediu de rezistenţă la rulare. Pe un drum înclinat cu unghiul α, relaţiile anterioare devin: 4

Valoarea coeficientului de rezistenţă la rulare, pe drum cu acoperire tare, artificială, variază în medie între limitele 0,02 0,03, iar pe drumurile de pământ, cu acoperire moale între limitele 0,06...0,1. Forţa de rezistenţă la urcarea pantei F p este dată de componenta greutăţii automobilului paralelă cu suprafaţa drumului, adică: F p = G a *sinα unde: α este unghiul de înclinare longitudinală a drumului. În cazul în care automobilul lucrează în agregat cu remorcă, forţa de rezistenţă la urcarea pantei se calculează cu relaţia: Forţa de rezistenţă a aerului F a este forţa la înaintarea automobilului exercitată asupra acestuia de mediul de aer în care circulă automobilul. Din totalul puterii consumate de un autoturism obişnuit, care s-ar deplasa cu o viteză de circa 100 km/h, aproape două treimi se datorează forţei de rezistenţă a aerului. Forţa de rezistenţă a aerului constă dintr-o rezistenţă de frecare, determinată de dimensiunile şi calitatea suprafeţei automobilului şi dintr-o rezistenţă de presiune şi formare a turbioanelor, determinată de forma automobilului. Forţa de rezistenţă a aerului poate fi calculată cu relaţia: unde: K este coeficientul aerodinamic, caracterizat îndeosebi de forma caroseriei, S în m 2 este secţiunea transversală perpendiculară pe direcţia de deplasare a automobilului, V a în m/s este viteza de deplasare a automobilului. Dacă în relaţia forţei de rezistenţă a aerului viteza se introduce în km/h, ea devine: Forţa de rezistenţă la demaraj F d este o forţă care acţionează asupra automobilului atunci când el se deplasează în regim tranzitoriu, confundându-se în ultimă instanţă cu forţa disponibilă pentru accelerare. Această forţă se poate calcula cu relaţia: unde: δ este coeficientul maselor automobilului în mişcarea de translație sau rotaţie, dv a /dt este acceleraţia automobilului. 5

În concluzie se poate arăta că echilibrul tuturor forţelor care acţionează asupra automobilului la mişcarea rectilinie pe un drum oarecare, reprezintă ecuaţia bilanţului de tracţiune, adică relaţia... propr drum... F R = F = F r ± F p + F a ± F d. Prin analogie cu ecuaţia bilanţului de tracţiune se poate scrie şi ecuaţia bilanţului de putere. 6