STUDIUL COMPORTAMENTULUI DINAMIC AL UNUI AUTOTURISM CARE TRACTEAZĂ O REMORCĂ [305824]

Licență

STUDIUL COMPORTAMENTULUI DINAMIC AL UNUI AUTOTURISM CARE TRACTEAZĂ O REMORCĂ [305824]

Byadmin ianuarie 1, 2024

STUDIUL COMPORTAMENTULUI DINAMIC AL UNUI AUTOTURISM CARE TRACTEAZĂ O REMORCĂ

-[anonimizat]:

Conf.Univ.Dr.Ing Adrian Sachelarie

Nume student: [anonimizat]2020

Cuprins

Cuprins 2

Listă de figuri 5

Listă de tabele 7

Listă de simboluri 8

Memoriu justificativ 9

CAP. 1 Introducere 10

1.1 Efectul Venturii și Pendul 10

1.1.1 Efectul Venturi 10

1.1.2 Forța x [anonimizat] 11

1.2 Încărcarea pe cârlig și legătura între viteză și sarcina de apăsare 14

CAP. 2 Dinamica autovehiculului 19

2.1 Calculul dinamic al unui autovehicul Vw Passat B6 încărcat cu MMA (Masa Maximă Autorizată) 19

2.2 Parametri constructivi ai autovehiculului 19

2.3 Determinarea greutății și repartiția ei pe punți 21

2.4 Determinarea razelor roților 21

2.4.1 Raza nominală rn 22

2.4.2 Raza liberă r0 22

2.4.3 Raza statică rs 22

2.4.4 Raza dinamică rd 22

2.4.5 Raza de rulare rr 22

2.5 Trasarea caracteristicii externe 23

2.5.1 Curba de putere 23

2.6 Determinarea rezistențelor la înaintare 26

2.6.1 Rezistența la rulare 26

2.6.2 Calculul rezistenței la rulare 27

2.6.3 Rezistența aerului 27

2.6.4 Calculul rezistenței aerului 27

2.6.5 Rezistența pantei 28

2.7 Calculul tracțiunii autovehicului 30

2.7.1 Determinarea raportului de transmitere al transmisiei principale 30

2.7.2 Determinarea rapoartelor de transmisie ale cutiei de viteze 31

2.7.3 Determinarea vitezelor minime și maxime în fiecare treaptă 32

2.8 Performanțele autovehiculului 33

2.8.1 Caracteristica forței la roată 33

2.8.2 Bilanțul de tracțiune și de putere 35

2.9 Determinarea factorului dinamic 36

2.9.1 Determinarea accelerațiilor în fiecare treaptă de viteză 38

2.9.2 Determinarea timpului și spațiului de demarare 40

2.10 Stabilitatea autovehiculului 43

2.10.1 Stabilitatea longitudinală 43

2.10.2 Unghiul limită de stabilitate longitudinală la răsturnare 43

2.10.3 Unghiul limită de stabilitate la alunecare 43

2.10.4 Stabilitatea transversală 44

2.10.5 Unghiul limită de înclinare transversală a căii de rulare 46

2.10.6 Viteza limită de bracare a roților de direcție la care este asigurată stabilitatea transversală la răsturnare și derapare 46

2.11 Parametri constructivi ai autovehiculului 48

2.12 Determinarea greutății și repartiția ei pe punți 49

2.13 Determinarea razelor roților 50

2.13.1 Raza nominală rn 50

2.13.2 Raza liberă r0 50

2.13.3 Raza statică rs 50

2.13.4 Raza dinamică rd 50

2.13.5 Raza de rulare rr 51

2.14 Trasarea caracteristicii externe 51

2.14.1 Curba de putere 52

2.15 Determinarea rezistențelor la înaintare 54

2.15.1 Rezistența la rulare 54

2.15.2 Calculul rezistenței la rulare 55

2.15.3 Rezistența aerului 55

2.15.4 Calculul rezistenței aerului 55

2.15.5 Rezistența pantei 56

2.16 Calculul tracțiunii autovehicului 58

2.16.1 Determinarea raportului de transmitere al transmisiei principale 58

2.16.2 Determinarea rapoartelor de transmisie ale cutiei de viteze 58

2.16.3 Determinarea vitezelor minime și maxime în fiecare treaptă 59

2.17 Performanțele autovehiculului 61

2.17.1 Caracteristica forței la roată 61

2.17.2 Bilanțul de tracțiune și de putere 63

2.18 Determinarea factorului dinamic 64

2.18.1 .Determinarea accelerațiilor în fiecare treaptă de viteză 66

2.18.2 Determinarea timpului si spatiului de demarare 68

2.19 Stabilitatea autovehiculului 70

2.19.1 Stabilitatea longitudinală 70

2.19.2 Unghiul limită de stabilitate longitudinală la răsturnare 70

2.19.3 Unghiul limită de stabilitate la alunecare 71

2.19.4 Stabilitatea transversală 71

2.19.5 Unghiul limită de înclinare transversală a căii de rulare 73

2.19.6 Viteza limită de bracare a roților de direcție la care este asigurată stabilitatea transversală la răsturnare și derapare 73

CAP. 3 Stadiu actual 76

3.1 Privire de ansamblu asupra remorcilor 76

3.1.1 Răsucirea 76

3.2 Masa, greutatea și inerția 77

3.2.1 Momente de-a lungul punții 77

3.2.2 Centrul de rulare 79

3.2.3 Forța vântului 83

3.2.4 Viteza critică 83

CAP. 4 Metodologie experimentală 85

4.1 Descrierea benzii de alergare 85

4.2 Proiectarea remorcii 85

CAP. 5 Concluzii 86

Anexe 88

Listă de figuri

Fig. 1.1 Efectele unei depașiri asupra rulotei……………………………………………………………………

Fig. 1.2 Diferențele de forțe dintre o rulotă lungă și una scurtă………………………………………….

Fig. 1.3 Forțele laterale la cârligul de remorcare……………………………………………………………..

Fig. 1.4 Două mașini cu distanțe diferite între axa spate și cârligul de remorcare………………..

Fig. 1.5 Efectul Pendul………………………………………………………………………………………………….

Fig. 1.6 Forțele asupra cârligului la două rulote lungi și mașini diferite………………………………

Fig. 1.7 Cântarul sarcinii verticale………………………………………………………………………………….

Fig. 1.8 Roată de sprijin cu măsuratorul sarcinii verticale…………………………………………………

Fig. 1.9 Sarcina de încărcare a rulotei în regim static și în regim dinamic……………………………

Fig. 1.10 Verificarea încărcării pe cârlig…………………………………………………………………………..

Fig. 1.11 Bicicleta instalată direct pe vehiculul trăgător……………………………………………………..

Fig. 1.12 Suportul de bicicletă instalat pe haionul vehiculului trăgător……………………………….

Fig. 1.13 Suportul pentru bicicletă instalat în spatele rulotei………………………………………………

Fig. 1.14 Metodologia proiectului…………………………………………………………………………………..

Fig. 2.1 Dimensiunile principale ale autovehiculului studiat……………………………………………..

Fig. 2.2 Caracteristica de turație……………………………………………………………………………………..

Fig. 2.3 Caracteristica de turație a motorului…………………………………………………………………….

Fig. 2.4 Acțiunea momentului de rezistență la rulare asupra unei roți motoare………………………

Fig. 2.5 Variația rezistențelor la înaintare…………………………………………………………………………

Fig. 2.6 Variația puterilor de învingere a rezistențelor pe panta α=100………………………………..

Fig. 2.7 Determinarea treptelor de vitzeze………………………………………………………………………..

Fig. 2.8 Variația forței la roată în fiecare treaptă de viteză…………………………………………………..

Fig. 2.9 Variația puterii la roată în fiecare treaptă de viteză………………………………………………..

Fig. 2.10 Bilanțul de tracțiune a autovehiculului……………………………………………………………….

Fig. 2.11 Bilanțul de putere al autovehicului……………………………………………………………………..

Fig. 2.12 Caracteristica dinamică a autovehiculului…………………………………………………………….

Fig. 2.13 Diagrama limitelor de utilizare a autovehiculului………………………………………………….

Fig. 2.14 Diagrama accelerației autovehiculului…………………………………………………………………

Fig. 2.15 Diagrama inversului accelerațiilor…………………………………………………………………….

Fig. 2.16 Timpul de demarare al autovehiculului………………………………………………………………

Fig. 2.17 Spațiul de demarare al autovehiculului………………………………………………………………

Fig. 2.18 Variația vitezei de răsturnare transversală…………………………………………………………….

Fig. 2.19 Variația vitezei limită de stabilitate la derapare transversală pe drum orizontal…………

Fig. 2.20 Variația unghiulară limită de bracare a roților de direcție la răsturnare……………………..

Fig. 2.21 Variația unghiulară limită de bracare a roților de direcție la derapare………………………

Fig. 2.22 Caracteristica de turație……………………………………………………………………………………..

Fig. 2.23 Caracteristica de turație a motorului…………………………………………………………………….

Fig. 2.24 Acțiunea momentului de rezistență la rulare asupra unei roți motoare………………………

Fig. 2.25 Variația rezistențelor la înaintare……………………………………………………………………..

Fig. 2.26 Variația puterilor de învingere a rezistențelor pe panta α=100………………………………..

Fig. 2.27 Determinarea treptelor de vitzeze…………………………………………………………………….

Fig. 2.28 Variația forței la roată în fiecare treaptă de viteză……………………………………………….

Fig. 2.29 Variația puterii la roată în fiecare treaptă de viteză………………………………………………..

Fig. 2.30 Bilanțul de tracțiune a autovehiculului……………………………………………………………….

Fig. 2.31 Bilanțul de putere al autovehicului……………………………………………………………………..

Fig. 2.32 Caracteristica dinamică a autovehiculului…………………………………………………………….

Fig. 2.33 Diagrama limitelor de utilizare a autovehiculului………………………………………………….

Fig. 2.34 Diagrama accelerației autovehiculului…………………………………………………………………

Fig. 2.35 Diagrama inversului accelerațiilor……………………………………………………………………..

Fig. 2.36 Timpul de demarare al autovehiculului……………………………………………………………..

Fig. 2.37 Spațiul de demarare al autovehiculului……………………………………………………………..

Fig. 2.38 Variația vitezei de răsturnare transversală…………………………………………………………….

Fig. 2.39 Variația vitezei limită de stabilitate la derapare transversală pe drum orizontal…………

Fig. 2.40 Variația unghiulară limită de bracare a roților de direcție la răsturnare……………………..

Fig. 2.41 Variația unghiulară limită de bracare a roților de direcție la derapare………………………

Fig. 3.1 Direcțiile exercitate de către remorcă împreună cu vehiculul trăgător…………………………

Fig. 3.2 Efectul momentelor de-a lungul unei grinzi pivotante………………………………………………

Fig. 3.3 Efectul brațului momentului………………………………………………………………………………

Fig. 3.4 Osie reprezentată sub aspectul unei grinzi…………………………………………………………….

Fig. 3.5 Remorcă echipată cu sistem de brațe pentru balansare…………………………………………..

Fig. 3.6 Remorcă echipată cu sistem de suspensie independentă…………………………………………

Fig. 3.7 Linia centrului de rulare între două rulote proiectate diferit…………………………………..

Fig. 3.8 Rulota Phoenix proiectată de Barry Davidson……………………………………………………..

Listă de tabele

Tab. 1.1 Informații clasice privind încărcarea pe cârlig…………………………………………..x

Tab. 1.2 Diagrama Gantt…………………………………………………………………………………..xx

Tab. 2.1 Dimensiunile principale ale autovehiculului studiat…………………………………

Tab. 2.2 Valori pentru curba de moment și de putere…………………………………………..

Tab. 2.3 Valorile rezistențelor……………………………………………………………………….

Tab. 2.4 Valorile puterilor……………………………………………………………………………….

Tab. 2.5 Vitezele din fiecare treaptă în funcție de turație………………………………………

Tab. 2.6 Valorile forței la roată pentru fiecare treaptă de viteză…………………………….

Tab. 2.7 Valorile factorului dinamic în fiecare treaptă de viteză……………………………

Tab. 2.8 Valorile accelerațiilor în fiecare treaptă de viteză……………………………………

Tab. 2.9 Valorile timpului de demarare……………………………………………………………….

Tab. 2.10 Valorile spațiului de demarare……………………………………………………………..

Tab. 2.11 Valorile unghiului limită la alunecare……………………………………………………

Tab. 2.12 Valorile pentru răsturnarea transversală pentru 3 unghiuri diferite……………

Tab. 2.13 Valori pentru coeficientul de aderență………………………………………………….

Tab. 2.14 Valori pentru viteza limită la bracare a roților………………………………………

Tab. 2.15 Dimensiunile principale ale autovehiculului studiat…………………………………

Tab. 2.16 Valori pentru curba de moment și de putere…………………………………………..

Tab. 2.17 Valorile rezistențelor……………………………………………………………………….

Tab. 2.18 Valorile puterilor……………………………………………………………………………….

Tab. 2.19 Vitezele din fiecare treaptă în funcție de turație………………………………………

Tab. 2.20 Valorile forței la roată pentru fiecare treaptă de viteză…………………………….

Tab. 2.21 Valorile factorului dinamic în fiecare treaptă de viteză……………………………

Tab. 2.22 Valorile accelerațiilor în fiecare treaptă de viteză……………………………………

Tab. 2.23 Valorile timpului de demarare……………………………………………………………….

Tab. 2.24 Valorile spațiului de demarare……………………………………………………………..

Tab. 2.25 Valorile unghiului limită la alunecare……………………………………………………

Tab. 2.26 Valorile pentru răsturnarea transversală pentru 3 unghiuri diferite……………

Tab. 2.27 Valori pentru coeficientul de aderență………………………………………………….

Tab. 2.28 Valori pentru viteza limită la bracare a roților………………………………………

Listă de simboluri

Es Ecartament spate

A Ampatament

L Lățime

Memoriu justificativ

Tema propusă în lucrarea de licență urmărește explicarea metodei de încărcare în condiții de siguranță a unei remorci, lucru extrem de important în ceea ce privește traficul și siguranța rutieră.

Conform institutului național de statistică numărul remorcilor înmatriculate în România este în continuă creștere, lucru care subliniază și mai mult importanța înțelegerii acestor reguli de siguranță.

Fie că tractăm o remorcă, transportăm o mașină pe platformă sau remorcăm o caravană pentru camping, echilibrarea corectă a sarcinii și pregătirea remorcii și a vehiculului de remorcare sunt esențiale pentru o conducere în siguranță.

Întâlnim două cauze principale ale accidentelor cu remorci și anume faptul că proțapul remorcii nu are un procent suficient de mare din greutatea totală a acesteia iar o altă cauză este nerespectarea repartiției greutății pe remorcă. Pe măsură ce remorca este încărcată, trebuie ca 60% din greutate să fie repartizată în partea din față a remorcii iar restul de 40% în dreptul axei remorcii.

Produsele grele trebuie distribuite cât mai în față și la baza remorcii iar cele ușoare deasupra acestora, de asemenea dacă remorca este deschisă produsele mici nu ar trebui să fie încărcate peste înălțimea laturilor deoarece există riscul să fie împrăștiate la o rafală de vânt mai puternică.

Rapoartele în curs ale accidentelor cu rulote sugerează probleme cu proiectarea sau utilizarea acestora. Problema de bază: modul în care interacționează remorcile și vehiculele de remorcare a fost înțeles de industria transporturilor încă din primul război mondial, dar aproape toate au fost descrise în lucrări de inginerie și substanțial în termeni matematici, greu de înțeles de către oamenii de rând.

Cu toate acestea, pentru a fi exprimat în termeni simpli, legile fizicii nu pot fi depășite de „abilitatea” șoferului, odată ce un trailer începe să se învârtă și se balansează într-o manieră „haotică”.

Scopul final al lucrării este ca după lecturarea ei toată lumea să înțeleagă importanța repartiției corecte a greutății pe remorcă și efectele negative ale neglijării acestora.

Introducere

Rapoartele în curs ale accidentelor cu rulote sugerează probleme cu proiectarea sau utilizarea acestora. Problema de bază: modul în care interacționează remorcile și vehiculele de remorcare a fost înțeles de industria transporturilor încă din primul război mondial, dar aproape toate au fost descrise în lucrări de inginerie și substanțial în termeni matematici.

Cu toate acestea, pentru a fi exprimat în termeni simpli, legile fizicii nu pot fi depășite de „abilitatea” șoferului, odată ce un trailer începe să se învârtă și se balansează într-o manieră „haotică”.

În continuare se vor prezenta fenomenele care apar între vehiculul trăgător și remorca acestuia.

Efectul Venturii și Pendul

În continuare se prezintă faptul că trebuie înțelese 3 principii logice pentru a vă putea projeta, pe dumneavoastră dar și pe restul participanților la trafic.

efectul Venturi

fizica de clasa VII MOMENTUL = FORȚA x BRAȚUL FORȚEI

Pendulul

Efectul Venturi

Prin efectul Venturi se înțelege reducerea presiunii fluidului care rezultă atunci când acesta curge printr-o secțiune.

Fig. 1.1. Efectele unei depașiri asupra rulotei

Am prezentat în schița de mai sus o săgeata roșie reprezentânt fluxul maxim de aer ce va circula (curge) între cele (auto+rulotă și camion) suma între 50% verde și 50% albastru (procentele sunt doar pentru a ușura înțelegerea).

Pe măsură ce presiunea este mai mică, partea din spate a caravanului este trasă spre vehiculul care depășește, împingând colțul din spate, punctul de rotire fiind axa rulotei. Se simte că rulota este “aspirată către camion”.

Efectul Venturi depinde:

foarte mult de înălțimea camionului și de lățimea acestuia

de lungimea rulotei, asamblului auto + rulotă, axa rulotei fiind punctul de pivotare

numărul de axe ale rulotei

De reținut faptul că:

efectul se produce când suntem depășiți dar și când depășim

cu cât este viteza de deplasare mai mare mare sau diferența de viteze mai mare, cu atât se amplifică efectul

cu cât distanța între camion/ autocar și asamblul rulotă + mașină este mai mică, efectul va fi mai puternic

Pentru a reduce efectele depășirii este important să țineți cont de oglinzile retrovizoare și să urmăriți traficul. Cunoașterea exactă a momentului în care un vehicul vă depășește va permite să vă pregătiți pentru mișcarea laterală. Oferindu-vă un spațiu lateral mai mare între dumneavoastră și vehiculul de depășire prin trecerea în banda dumneavoastrăn va reduce, de asemenea, efectele.

Forța x brațul forței-Pendul

După cum se observă, combinația rulotă lungă și masină standard sedan, cu lungime mare între axul din spate și cârlig remorcare devine mai instabilă în momentul în care sunteți depășiți sau depășiți compadând cu varianta o rulotă scurtă și un 4×4 sau 4×2 cu distanță mică între axa spate și punctul de remorcare.

Pentru ușurință am aplicat o forță perpendiculară pe peretele rulotei la mijlocul distanței între cuplă și axul rulotei în valoarea de 100 kg (100 Kilogram-forță = 0.980665 Kilonewtons)

Fig.1.2 Diferențele de forțe dintre o rulotă lungă și una scurtă

Considerăm axul rulotei ca fiind punctul de rotire și aplicăm formula matematică din clasa a VII – forța x brațul forței și avem rezultatul forța laterală la cârligul de remorcare este mai mare cu 20% la rulota mai lungă.

Fig. 1.3 Forțele laterale la cârligul de remorcare

Acum se prezintă 2 mașini cu distanțe între puntea din față și spate egale (pentru ușurința exemplului) iar distanța între axa din spate și cârligul de remorcare fiind diferită.

Fig. 1.4 Două mașini cu distanțe diferite între axa spate și cârligul de remorcare

Efectul Venturi va mișca rulota stânga/dreapta, axul de pivotare fiind axul rulotei. Această mișcare se transmite cârligului rulotei și se formează un pendul.

Aplicăm același principiu-forța x brațul forței.

Fig.1.5 Efectul Pendul

Se observă că:

-cu cât distanța între puntea din spate a autoturismului și cârlig este mai mare, cu atât efectul venturi se simte mai puternic;

-cu cât rulota este mai lungă, cu atât se aplifică efectul venturi – diferența de 20% rezultă din calcul (vedeți rezultatele de mai sus și cele de mai jos).

Fig. 1.6 Forțele asupra cârligului la două rulote lungi și mașini diferite

Concluzie: efectul venturi/pendul va fi maxim în combinația rulotă lungă + autoturism cu distanță mare între puntea din spatele mașinii și cârligul de remorcare.

Încărcarea pe cârlig și legătura între viteză și sarcina de apăsare

Un subiect care este mai puțin luat în considerare este reprezentat de verificarea încărcării/sarcinii la cupla rulotei pe cârligul de remorcare, un element extrem de important din punct de vedere legislativ dar și din punct de vedere al uzurii axei din spatele mașinii.Datele privind sarcina verticală maximă autorizată ale autoturismului sunt trecute în cartea tehnică a autoturismului.

Pentru măsurarea sarcinii verticale pe cârligul de remorcare se poate utiliza cântarul sarcinii verticale (Fig. 1.7), sau roata de sprijin cu măsurătorul sarcinii verticale (Fig. 1.8).

Se știe că media forței de apăsare a cuplei pe cârligul rulotei trebuie să fie între 5% și 7% din greutatea rulotei goale + încărcătura.

Fig. 1.7 Cântarul sarcinii verticale

Fig. 1.8 Roată de sprijin cu măsuratorul sarcinii verticale

Vă prezint următorul tabel cu informațiile clasice disponibile.

Tab. 1.1

Sarcina de încărcare se verifică în momentul staționării rulotei deoarece în timpul deplasării aceasta suferă dezechilibre majore cauzate de rezistența aerului care crește cu pătratul vitezei.

Fig.1.9 Sarcina de încărcare a rulotei în regim static și în regim dinamic

În timpul deplasării, forța aplicată panoului central al rulotei face ca greutatea/sarcina de apăsare pe cârlig să scadă, rulota având tendința de a se “roti” în jurul axului propriu.

Cum se masoară corect cu ajutorul cântarului încărcarea pe cârlig este prezentat în continuare.

În timpul procesului de cântărire se produc o serie de greșeli:

Înălțimea cuplei în timpul măsurării trebuie să fie identică cu înălțimea bilei cărligului (imaginați-vă că, cupla este deja prinsă pe cârligul mașinii).

După ce se instalează cântarul sub proțapul rulotei se decuplează frâna de mână, în caz contrar, tamburii sunt blocați iar rotirea naturală în jurul axei rulotei nu mai poate avea loc, rezultatul fiind impropriu.

Regimul dinamic al asamblului rulotă și mașină se schimbă în funcție de viteza de deplasare. Apăsarea pe cârlig este maximă în timpul frânării și scade în regim staționar și minimă la viteaza maximă a asamblului versus dinamica mișcării (sau în momentul plecării de pe loc, dacă plecarea se realizeaza brusc).

Există mai multe metode de verificare a încărcării pe cârlig, cu cântarul poziționat direct vertical sub cuplă dar și cântărirea sub poziția roții din față a rulotei.

Fig.1.10 Verificarea încărcării pe cârlig

Trebuie să înțelegem foarte bine ce anume înseamnă stabilitatea ansamblului.

Se știe că media forței de apăsare a cuplei pe cârligul rulotei trebuie să fie cuprinsă între 5% și 7% din greutatea rulotei reale (masa proprie + greutatea bagajelor).

Pentru o exemplificare ușoară considerăm:

greutate autoturism 1500 kg (cu bagaje și șofer, fără accesoriu suport și bicicletă)

greutate rulota 1000 kg

greutate suport bicicletă – 10kg

greutate 1 bicicletă – 15 kg

greutate 2 biciclete – 30 kg

Fig.1.11 Bicicleta instalată direct pe vehiculul trăgător

Acest tip de prindere oferă un avantaj și anume creșterea raportului masă autoturism-greutate rulotă, adică crește stabilitatea asamblului.

O altă opțiune foarte bună este și prinderea cu suport de haionul mașinii.

Fig. 1.12 Suportul de bicicletă instalat pe haionul vehiculului trăgător

Varianta cea mai plauzibilă este montarea suportului pentru bicicletă în spatele rulotei deoarece se observă cum raportul de greutate scade de la 1.54 la 1.44, dar și aici trebuie respectată legislația în vigoare care impune o limită de maxim 45 de cm pentru suport în spatele rulotei.

Fig. 1.13 Suportul pentru bicicletă instalat în spatele rulotei

Metodologia proiectului este prezentată în figura 1.14:

Fig. 1.14 Metodologia proiectului

În continuare se poate observa diagrama Gantt a proiectului. Aceasta urmărește etapele desfășurării unui proiect și ilustrează grafic programul de activitate al acestuia care ajută la planificarea și coordonarea sarcinilor unui proiect.

Tab. 1.2 Diagrama Gantt

Dinamica autovehiculului

Dinamica autovehiculelor rutiere reprezintă studiul mișcării autovehiculelor rutiere sub acțiunea forțelor și momentelor externe și interne acestora.

Calculul dinamic al unui autovehicul Vw Passat B6 încărcat cu MMA (Masa Maximă Autorizată)

În cadrul acestui capitol s-a realizat un studiu dinamic pentru un autovehicul VW PASSAT B6. Motorul are următoarele caracteristici tehnice, atât preluate din specificații cât și calculate anterior:

Capacitatea cilindrică .

Puterea nominală .

Turația la putere maximă .

Cuplul maxim .

Turația la cuplu maxim .

Plecând de la aceste caracteristici tehnice ale sistemului de propulsie se stabilesc principalii parametri constructivi ai autovehiculului considerat.

Parametri constructivi ai autovehiculului

Parametrii constructivi joacă un rol important în ceea ce privește gradul de adaptabilitate al autovehiculului la cerințele de exploatare și asigurarea unor condiții de securitate , eficiență și confort. Acești parametrii se pot grupa în două categorii pincipale:

Dimensiunile principale.

În această categorie se regăsesc următoarele:

Dimensiunile de gabarit:

lungimea autovehiculului: reprezintă distanța dintre două plane verticale perpendiculare pe axa longitudinală a autovehiculului și tangente la punctele extreme ale acestuia din față , respectiv din spate.

lățimea autovehiculului: reprezintă dinstanța dintre două plane verticale paralele cu planul longitudinal de simetrie al autovehiculului și tangent la punctele extreme de o parte și de alta a acestuia.

înălțmea autovehiculului: reprezintă distanța dintre planul de bază și un plan orizontal tangent la partea superioară a autovehiculului gol.

Ampatamentul: reprezintă distanța dintre axele geometrice ale punților autovehiculului.

Ecartamentul roților din față și ecartamentul roților din spate: reprezintă distanța dintre planele mediane ale roților care aparțin aceleiași punți.

Consolele față și spate: reprezintă dinstanța dintre planul vertical care trece prin centrele roților din față și punctul cel mai avansat al autovehiculului, respectiv dinstanța dintre planul vertical care trece prin centrele roților din spate și punctul cel mai din spate al acestuia.

Capacitatea de trecere. În această categorie se regăsesc acei parametri care determină posibilitatea autovehiculului de a se deplasa pe teren accidentat și de a trece peste obstacole de orice natură. Aceștia sunt următorii:

Lumina sau garda la sol: reprezintă distanța verticală dintre partea cea mai de jos a șasiului complet încărcat și planul căii de rulare.

Raza longitudinală de trecere: reprezintă raza unui cilindru imaginar tangent la roțile din față, roțile din spate și punctul cel mai de jos al autovehiculului dintre punți.

Raza transversală de trecere: reprezintă raza unui cilindru imaginar tangent la suprafețele interioare ale pneurilor aceleiași punți și punctul cel mai de jos al autovehiculului dintre cele două roți.

Unghiul de trecere față (unghiul de atac): reprezintă unghiul dintre planul de susținere al autovehiculului și planul tangent la roțile din față și punctul cel mai de jos al părții frontale din caroseria autovehiculului.

Unghiul de trecere spate (unghiul de fugă): reprezintă unghiul dintre planul de susținere al autovehiculului și planul tangent la roțile din spate și punctul cel mai de jos al părții posterioare din caroseria autovehiculului.

Parametrii constructivi ai autovehiculului studiat sunt prezentați în figura următoare și centralizați în tabelul 2.1.

Fig. 2.1. Dimensiunile principale ale autovehiculului studiat

Tab. 2.1. Dimensiunile principale ale autovehiculului studiat.

Determinarea greutății și repartiția ei pe punți

Greutatea proprie a autovehiculelor se referă la greutatea vehiculului complet echipat și alimentat, fără încărcătură și fără persoane la bord. Ea depinde de categoria căreia aparține autovehiculul, cât și de caracteristicile constructive proprii, care reprezintă o largă diversitate.

Greutatea proprie a autoturismelor se apreciază în funcție de capacitatea cilindrică a motorului și de tipul autoturismului.

Greutatea proprie reală a autovehiculelor, G0, se masoară prin determinarea alternativă a încărcăturilor pe punțile autovehiculului, în poziție orinzontală, însumarea acestora reprezentând greutatea proprie:

G0=Gf+Gs

unde:

Gf – Încărcarea pe puntea față

Gs – Încărcarea pe puntea spate

Această măsurătoare, a repartiției greutății proprii pe punțile autovehiculului, servește și la determinarea poziției centrului de greutate al vehiculului pe verticală.

Din datele inițiale avem:

M0=2100 kg G0=2100 N

Ma=16225kg Ga=25750 N

Ms=1416.25 kg Gs= 14162.5 N

Mf=1158.95 kg Gf=11587.5 N

a=1219.05 mm

b=1489.95 mm

Determinarea razelor roților

Datorită solicitărilor, pneul elastic se deformează în direcțiile: radial, longitudinal și lateral. Raportul dintre creșterea forței care acționează asupra pneului și deformația determinată de această creștere reprezintă rigiditatea pneului.

Rigiditatea pneului depinde de materialul anvelopei, de construcția ei, de presiunea interioară a aerului din pneu și de duritatea suprafeței de sprijin. Datorită rigidității variabile, la o roată de autovehicul se deosebesc următoarele raze:

Raza nominală rn

Raza nominală a unei roți este raza cercului exterior al pneului dedusă prin calcul sau luată din tabelele întreprinderilor producătoare și din standardul de pneuri.

Pe baza notațiilor de pe anvelope se poate calcula diametrul jantei, al pneului și mărimea razei nominale cu relațiile:

Tip pneu: 205/55 R16

Du=d+2H Du=0,510 m

r=0,294 m

Între înălțimea profilului H și lățimea Bu există relația:

Limita inferioară se întâlnește la pneurile de autoturisme, la unele pneuri acest raport este mai mic, iar limita superioara la pneurile pentru automobilele grele de transport.

Raza liberă r0

Raza liberă a unei roți este raza cercului exterior a benzii de rulare a pneului la presiune normală, măsurată fără nici un fel de încărcare și în stare de repaus. Pentru calcule aproximative se poate considera

r0=rn.

Raza statică rs

Raza statică a unei roți este distanța dintre centrul roții și suprafața de sprijin, în cazul în care roata este încărcată cu sarcina nominală și se află în repaus. Mărimea razei statice scade odată cu creșterea sarcinii sau cu reducerea presiunii aerului din pneu.

Raza dinamică rd

Raza statică a unei roți este distanța dintre centrul roții și suprafața de sprijin în timpul mișcării automobilului încărcat cu sarcina nominală. În timpul rulării distanța dintre centrul roții și suprafața de sprijin variază, fiind influențată de regimul de mișcare prin forțele centrifuge care provoacă o creștere a diametrului exterior al pneului, precum și de momentul de antrenare sau de frânare aplicat roții care provoacă o reducere a diametrului exterior. Dintre cele două influențe, ultima predomină, astfel că raza dinamică va rezulta cu valori mai mici decât raza statică.

Raza de rulare rr

Raza de rulare este raza unei roți imaginare, nedeformabile, care rulează fără alunecări și patinări, având însă aceeași viteză de rotație și de translație cu a roții reale.

Dacă se notează cu S deplasarea centrului roții în timpul unei rotații, atunci raza de rulare rezultă din relația:

Raza de rulare se poate obține și când se cunoaște viteza cu care se deplasează centru roții V și viteza unghiulară a roții ωR cu relația:

Raza de rulare se poate determina în funcție de raza liberă a roții r0 și de un coeficient de deformare λ:

rr= λ·r0

Coeficientul de deformare λ depinde de presiunea interioară a aerului din pneu și are următoarele valori:

λ=0,930 . . . 0,935 – pentru pneurile de joasă presiune

λ=0,945 . . . 0,950 – pentru pneurile de înaltă presiune

Se alege: λ=0,933

Rezultă: rr=0,294 m

Trasarea caracteristicii externe

Caracteristica externă a motorului cu ardere internă reprezintă dependența dintre puterea efectivă Pe, momentul efectiv Me, consumul orar C și specific Ce de combustibil în funcție de turația arborelui cotit n, pentru admisie maximă de combustibil. În acest mod se exprimă performanțele maxime ale automobilului funcție de turație.

Pentru determinarea caracteristicii exterioare se folosește calea analitică, folosindu-se formule cunoscute, ce permit construirea curbelor cât mai exact folosind parametrii caracteristicii de turație exterioară performanțele maxime ale automobilului funcție de turație.

Curba de putere

Una din cele mai răspândite formule de calcul a puterii este:

[kw]

unde :

ni – turația la un moment dat

Pi – puterea la ni

,α1=1,72

unde :

Ce – coeficient de elasticitate

Ca – coeficient de adaptabilitate

Curba momentului motor este dată de relația:

Tab. 2.2

Fig. 2.3 Caracteristica de turație a motorului

Determinarea rezistențelor la înaintare

Rezistența la rulare

Datorită proceselor care au loc la interacțiunea dintre pneu și calea de rulare, în toate regimurile de mișcare se manifestă o forță opusă sensului deplasării roții. Această forță, determinată numai de rularea roții pe cale, se numește rezistența la rulare.

Rezistența Rr la rularea roților autovehiculelor depinde de un număr mare de factori, acțiunea acestora neputând fi uneori separată, ceea ce sporește dificultatea determinării analitice a valorii acestei rezistențe.

Cauzele acestor rezistențe la înaintare sunt:

deformarea pneurilor

frecările superficiale dintre pneu și cale

frecarea roților cu aerul ambient

frecările în lagarele roților (rulmenți)

deformarea drumului

percuția dintre elementele pneului și microneregularitățile căii de rulare

lipirea coamei pneului sau sculpturi de contur închis pe șoselele asfaltate

Fig. 2.4 Acțiunea momentului de rezistență la rulare asupra unei roți motoare

Coeficientul de rezistență la rulare

În calculul dinamicii autovehiculelor, rezistența la rulare este luată în considerare prin coeficientul de rezistență la rulare f, care reprezintă raportul dintre forța de rezistență la rulare Rr și reacțiunea verticală Zr a căii, ca urmare a exprimării condiției de echilibru a roții în procesul rulării:

Mrul=Zr·a=Rr·rd

de unde:

Alegem un coeficient de rezistență la rulare pentru asfalt:

f=0,018

Calculul rezistenței la rulare

Rezistența totală la rulare a unui autovehicul este suma rezistențelor la roțile din față și din spate:

Rr=Rrf+Rrs=f·Ga·cosα

Rr=440.8 N

Puterea pentru învingerea rezistenței la rulare va fi:

Rezistența aerului

Aerodinamica autovehiculelor

Aerodinamica autovehiculelor studiază fenomenele care se produc la interacțiunea dintre autovehicule și aerul înconjurător. În cadrul aerodinamicii autovehiculelor se stabilesc forțele și momentele ce acționează, din partea aerului în repaus sau în mișcare, asupra autovehiculelor aflate în mișcare.

Aerodinamica autovehiculelor studiază cu precădere următoarele aspecte:

– rezistența la înaintare datorită aerului și căile pentru micșorarea acesteia;

– efectele interacțiunii cu aerul asupra stabilității autovehiculelor cu calea și metode de creștere a acesteia;

– efectele interacțiunii cu aerul asupra aderenței autovehiculelor cu calea și metode de creștere a acesteia;

– mișcarea aerului în interiorul autovehiculului și alegerea adecvată a diferitelor orificii de absorbție și evacuare a aerului în vederea ventilării caroseriei și a răcirii diferitelor organe.

Calculul rezistenței aerului

Rezistența aerului este dată de relația:

[daN]

unde:

k=0,02 kg/m2 – coeficient aerodinamic

A=kA·E·H– aria secțiunii transversale

unde:

kA=0,95 – coeficient de corecție

E – ecartamentul automobilului

H – înălțimea autovehiculului

A=3,98 m2

Se definește factorul aerodinamic:

K=k·A= 0,665[kg/m]

Puterea pentru învingerea rezistenței aerului va fi :

kW

Tab. 2.3

Rezistența pantei

În deplasarea autovehiculului pe pantă, greutatea Ga al cărei punct de aplicație se află în centrul de masă Cg se descompune după două direcții, una normală pe calea de rulare Ga·cosα și una paralelă cu calea Ga·sinα.

Componenta paralelă cu calea de rulare se numește forța rezistentă în pantă, deoarece se opune deplasării autovehiculului, expresia ei fiind:

Rp= Ga·sinα Rp=2129.21 N

Puterea consumată la deplasarea în pantă:

Pp=Rp·V= Ga ·V·sinα

Tab. 2.4

Fig. 2.5 Variația rezistențelor la înaintare

Fig. 2.6 Variația puterilor de învingere a rezistențelor pe panta α=100

Calculul tracțiunii autovehicului

Determinarea raportului de transmitere al transmisiei principale

Stabilirea raportului de transmitere al transmisiei principale i0, se face din condiția obținerii vitezei maxime, plecând de la egalitatea:

ωm=ωR·i0

unde:

Rezultă:

de unde:

unde:

nvmax=(1,05…1,25)·np

nvmax=4600 rot/min

Rezultă: i0=2,19

Determinarea rapoartelor de transmisie ale cutiei de viteze

Alegerea rapoartelor de transmitere din cutia de viteze comportă următoarele etape:

– determinarea raportului de transmitere ik1 al primei trepte din cutia de viteze;

– determinarea rației pentru serie după care se face împărțirea în trepte

– stabilirea numărului de trepte și aflarea rapoartelor de transmitere

Raportul de transmitere ik1 al primei trepte din cutia de viteze, se calculează în funcție de panta maximă, neglijându-se rezistența aerului, a cărei valoare este neînsemnată din cauza vitezei reduse.

Rr+Rp=Ga(f·cosαmax+ sinαmax)=Ga·ψmax

Fiind vorba de panta maximă, urcarea trebuie să aibă loc la valoarea maximă a momentului motor Mmax și la turația corespunzătoare nM.

PRI=ηtr·PM=Ga·ψmax·VcrI

unde:

PRI – puterea la roata motoare în treapta întâi, la urcarea pantei

PM – puterea corespunzătoare momentului maxim MM și turație nM

VcrI – viteza critică în treapta întâi

Rezultă:

Pentru treapta întâi avem:

De unde rezultă:

=2.59

Cunoscând raportul de transmitere pentru treapta întâi a cutiei de viteze se pot determina și rapoartele de transmitere ale celorlalte trepte din cutia de viteze. Pentru aceasta se consideră că motorul funcționează tot timpul pe caracteristica exterioară, adică la admisiunea plină.

Treptele cutiei de viteze se aleg în așa fel încât demarajul să se facă într-un timp cât mai scurt și pentru acesta este necesar ca motorul să funcționeze într-o zonă cât mai apropiat de puterea lui maximă. La alegerea rapoartelor de transmitere pentru treptele intermediare între prima treapta și priza directă se poate pleca de la considerația că la fiecare treaptă caracteristica exterioară a motorului trebuie utilizată în același interval de turații din zona de funcționare stabilă a motorului.

Considerând că schimbarea treptelor se face instantaneu, rapoartele de transmitere ale cutiei de viteze formează o serie geometrică a cărei rație este q.

=1,518

Cu ajutorul acestei relații se pot determina rapoartele de transmitere pentru toate treptele unei cutii de viteze.

ik2=1.88

ik3=1.37

ik4=1

Determinarea vitezelor minime și maxime în fiecare treaptă

La alegerea rapoartelor de transmitere pentru treptele intermediare între prima treaptă și priza directă se poate pleca de la considerația că la fiecare treaptă, caracteristica exterioară a motorului trebuie utilizată în același interval de turații din zona de funcționare stabilă a motorului, adică limita inferioară să nu fie mai mică decât turația corespunzătoare valorii maxime a momentului motor.

Rapoartele de transmitere în fiecare treaptă:

itr1=i0∙ik1=5.67

itr2=i0∙ik2=4.11

itr3=i0∙ik3=3

itr4=i0∙ik4=2.19

Vitezele minime, critice și maxime se calculează cu relația:

Vitezele în fiecare treaptă în funcție de turație sunt prezentate în tabelul 2.5

Tab. 2.5

Fig. 2.7 Determinarea treptelor de vitzeze

Performanțele autovehiculului

Caracteristica forței la roată

Caracteristica forței la roată sau caracteristica de tracțiune reprezintă curbele de variație ale acesteia în funcție de viteza autovehiculului pentru fiecare treaptă de viteză.

Tab. 2.6

Fig. 2.8 Variația forței la roată în fiecare treaptă de viteză

Puterea la roată se calculează cu relația:

Fig. 2.9 Variația puterii la roată în fiecare treaptă de viteză

Bilanțul de tracțiune și de putere

Bilanțul de tracțiune al autovehiculului reprezintă echilibrul tuturor forțelor care acționează asupra acestuia la mișcarea rectilinie, pe un drum oarecare, având admisiunea plină a motorului.

Bilanțul de putere al autovehiculului reprezintă echilibrul dintre puterea la roată PR și suma puterilor necesare învingerii rezistențelor la înaintare.

Fig. 2.10 Bilanțul de tracțiune a autovehiculului

Fig. 2.11 Bilanțul de putere al autovehicului

Determinarea factorului dinamic

Factorul dinamic este o forță excedentară specifică, deci un parametru adimensional dat de raportul dintre forța de tracțiune excedentară și greutatea totală a autovehiculului.

Pentru o treaptă de viteze oarecare, cu raportul de transmitere ik, pentru aceeași turație a motorului, forța la roată FR se multiplică de trei ori și viteza autovehiculului se micșorează de ik ori și atunci factorul dinamic Dk la treapta respectivă este:

Valorile factorului dinamic în fiecare treaptă de viteze sunt trecute în tabelul 2.7

Tab. 2.7

Fig. 2.12 Caracteristica dinamică a autovehiculului

Fig. 2.13 Diagrama limitelor de utilizare a autovehiculului

Determinarea accelerațiilor în fiecare treaptă de viteză

Accelerația autovehiculului caracterizează, în general, calitățile lui dinamice, în condițiile egale, cu cat acceleratia autovehiculului este mai mare cu atat creste viteza medie de exploatare.

Valoarea accelerației autovehiculului se poate determina cu ajutorul caracteristicii dinamice utilizând relația:

δ – coeficientul maselor de rotație

Valorile accelerațiilor în fiecare treaptă de viteză sunt prezentate în tabelul 2.8

Tab. 2.8

Fig.2.14 Diagrama accelerației autovehiculului

Fig.2.15 Diagrama inversului accelerațiilor

Determinarea timpului și spațiului de demarare

Capacitatea de demarare a autovehiculelor este caracterizată de accelerație, însă pentru a avea indici de apreciere mai ușor de utilizat în compararea diferitelor tipuri de autovehicule este necesară determinarea timpului și spațiului de demarare.

Prin timp de demarare se înțelege timpul în care autovehiculul, plecând de pe loc, atinge viteza maximă sau mai precis 0,9 din valoarea acesteia.

Spațiul parcurs de autovehicul în timpul de demarare se numește spațiu de demarare.

Valorile timpului de demarare sunt trecute în tab 2.9.

Tab. 2.9

Fig. 2.16. Timpul de demarare al autovehiculului

Valorile spațiului de demarare sunt prezentate în tabelul 2.10.

Tab. 2.10

Fig. 2.17 Spațiul de demarare al autovehiculului

Stabilitatea autovehiculului

Stabilitatea unui autovehicul reprezintă capacitatea acestuia de a se opune alunecării, derapării , patinării și răsturării în timpul deplasării .

Principalii factori care produc pierderea stabilității autovehiculului sunt :

– forțele care actionează asupra autovehiculului ( forța de tracțiune , forța de frânare, forțele de inerție , forța laterală datorată vântului , etc.) ;

– caracteristicile geometrice ale căii de rulare (înclinările longitudinale sau transversale , denivelări , neregularități, curbe etc.) ;

– oscilațiile autovehiculelor ( tangaj, ruliu, girație , s.a).

După modul cum se produc mișcările în raport cu axele principale ale autovehiculului se deosebesc stabilitatea longitudinală și stabilitatea transversală fiecare dintre ele putându-se referi la atingerea limitei de aderență sau la răsturnare.

Stabilitatea longitudinală

Stabilitatea longitudinală la răsturnarea autovehiculului este capacitatea autovehiculului de a se opune răsturnării în raport cu o axă transversală. La urcarea unei pante autovehiculul poate să-și piardă stabilitatea prin alunecare către piciorul pantei , sau prin răsturnarea în raport cu axa roților din spate.

Răsturnarea este condiționată de poziția centrului de masă și de regimul de mișcare, respectiv viteza și de accelerație.

Unghiul limită de stabilitate longitudinală la răsturnare

Pentru un regim de mișcare dat , există un unghi limită de răsturnare αr la care începe să se producă răsturnarea. Având în vedere că aceasta se produce , de regulă, la unghiuri α mari când forța de tracțiune se consumă în cea mai mare parte pentru învingerea rezistenței la pantă, accelerația și viteza sunt mici astfel încât efectele lor se pot neglija.

În aceste condiții unghiul limită de răsturnare se calculează cu relația:

Unghiul limită de stabilitate la alunecare

Se ia în considerare faptul că puntea motoare este puntea spate. Se calculeaza pentru 3 valori ale coeficientului de aderență. Relația de calcul este:

Valorile unghiului limită la alunecare se trec în tabelul 2.11

Tab. 2.11

Viteza limită la limita de stabilitate la răsturnare longitudinală față de axa punții spate în cazul deplasării rectiliniii pe o cale de rulare longitudinală

În particular , pentru drumul orizontal și regim uniform viteza de răsturnare este dată de relația:

Stabilitatea transversală

Stabilitatea transversală la răsturnare

Răsturnarea transversală se produce în momentul când roțile de pe aceeași parte a autovehiculului încep să piardă contactul cu calea.

Se calculează cu relația:

var 11,3 .

Se calculează pentru trei unghiuri diferite ale înclinării transversale a căii de rulare și pentru diferite raze ale curbei iar valorile sunt trecute în tabelul 2.12.

Fig. 2.18 Variația vitezei de răsturnare transversală în funcție de raza curbei și a unghiului de înclinare transversală a căii de rulare

Viteza limită de stabilitate la derapare transversală pe drum orizontal

Viteza limită de stabilitate la derapare transversală pe drum orizontal se calculează cu relația:

vad 11,3 .

Fig. 2.19 Variația vitezei limită de stabilitate la derapare transversală pe drum orizontal

Unghiul limită de înclinare transversală a căii de rulare

Condiția de stabilitate transversală la răsturnare

Condiția de stabilitate transversală la răsturnare este dată de relația:

Condiția de stabilitate transversală la derapare

Condiția de stabilitate transversală la derapare se calculează cu relația:

și se va calcula pentru trei valori diferite ale coeficientului de aderență iar valorile se vor trece în tabelul 2.13.

Tab. 2.13

Viteza limită de bracare a roților de direcție la care este asigurată stabilitatea transversală la răsturnare și derapare

Pentru evitarea răsturnării

Pentru evitarea derapării

Se va calcula pentru 3 coeficienți de aderență diferiți φy=0,56 φy=0,28 φy=0,12

Tab. 2.14

Fig. 2.20 Variația unghiulară limită de bracare a roților de direcție la răsturnare

Fig. 2.21 Variația unghiulară limită de bracare a roților de direcție la derapare

În continuare se va prezenta un studiu dinamic pentru un autovehicul VW PASSAT B6 încărcat cu masa maximă admisibilă și cuplată la o remorcă încărcată cu masa maximă remorcabilă . Motorul are următoarele caracteristici tehnice, atât preluate din specificații cât și calculate anterior: