Сила тяги

Устройство автомобилей

Сила тяги


Скоростная характеристика двигателя определяется зависимостями эффективной мощности Ne и крутящего момента Mк от частоты вращения n коленчатого вала.

Ведущие колеса автомобиля приводят его в движение в результате возникновения силы тяги, которая возникает при приложении крутящего момента к полуосям ведущих колес со стороны трансмиссии:

Pт = Mт/r,          (1)

где Pт – сила тяги, Н;
Mт – крутящий (тяговый) момент на ведущем колесе, Нм;
r – радиус колеса, м.

Крутящий момент на ведущих колесах зависит от величины момента, развиваемого двигателем на коленчатом валу, передаточного числа iтр трансмиссии и ее КПД – ηтр:

Мт = Мкiтрηтр.          (2)

Сила тяги Pт на ведущих колесах может быть определена не только по формуле (1), но и с учетом скорости vi движения автомобиля на i-й передаче и развиваемой двигателем эффективной мощности Nе:

Pт = 3600Nеηтр/vi.          (3)

Скорость vi движения автомобиля на i-й передаче пропорциональна частоте n вращения коленчатого вала, радиусу r ведущего колеса и обратно пропорциональна передаточному числу iтрi трансмиссии на i-й передаче:

vi = 0,377nr/iтрi.          (4)

Таким образом, частота вращения n коленчатого вала является определяющим параметром для показателей эффективной мощности Nе, крутящего момента Mк и силы тяги на ведущих колесах Pт.

На рисунке 1 приведена внешняя скоростная характеристика двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке, которая определяет предельные возможности двигателя при значениях частоты вращения коленчатого вала от nmin до nmax.

Анализ графика показывает, что максимальная эффективная мощность и максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, доступен в узком интервале частот вращения коленчатого вала.

При небольшой частоте вращения коленчатого вала величина этих динамических показателей недостаточна для появления на ведущих колесах требуемой для движения автомобиля силы тяги, а при превышении частотой вращения коленвала некоторого максимального порога двигатель начинает терять мощность и тяговые показатели, или, как говорят механики, начинает работать «вразнос».
По этой причине эффективная эксплуатация двигателя внутреннего сгорания возможна лишь в некотором узком диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Скоростная характеристика двигателя во многом зависит от типа двигателя: чем круче кривая эффективной мощности Nе, тем большей приемистостью обладает двигатель.

***

Тяговая характеристика автомобиля

Тягово-скоростные свойства автомобиля удобно оценивать с помощью тяговой характеристики, т. е. зависимостью силы тяги на ведущих колесах от скорости движения на различных передачах (рис. 2).

Используя скоростную характеристику и задавая частоты вращения коленчатого вала от nmin до nmax при соответствующих значениях эффективной мощности или крутящего момента для каждой передачи по формуле (4) находят значения скорости v, а по формуле (3) находят значение тяговой силы Pт.

Число кривых на тяговой характеристике (рис. 2) соответствует числу ступеней в коробке передач.

Тяговая характеристика позволяет быстро определить максимальное значение силы тяги на ведущих колесах, которая может быть обеспечена при данной скорости движения автомобиля, поскольку она рассчитывается по наибольшей для данной частоты вращения коленчатого вала мощности двигателя. Меньшее значение силы тяги получается при недоиспользовании мощности двигателя, т. е. при неполной подаче топлива. Следовательно, с помощью тяговой характеристики можно оценить предельные тяговые возможности автомобиля в фактическом интервале скоростей его движения.

***



На ведущие колеса автомобиля действуют силы со стороны автомобиля (т. е. со стороны двигателя посредством агрегатов трансмиссии), а также силы со стороны дороги. Обозначим силы, действующие со стороны автомобиля, буквой Р, а со стороны дороги – буквой R (рис. 3).

***

Реактивные силы, действующие на колеса

Тяговый момент Мт на ведущих колесах стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия, в результате чего со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила Rx – горизонтально направленная касательная реакция дороги.

Так как на автомобиле используются эластичные пневматические шины, то неизбежна частичная потеря момента Мт, поэтому продольную (горизонтальную) реакцию со стороны дороги, обеспечивающую качение колеса, можно записать как разность между силой тяги и потерями в шине:

Rx = Рт – Рш,

где Рш – сила, учитывающая потери энергии в шинах ведущих колес.

Таким образом, касательная реакция дороги создает силу тяги.

Автомобиль своим весом G действует на каждое колесо, передавая усилие на дорогу, и, соответственно, вызывая нормальную реакцию дороги Rz. Следует учитывать, что при наличии на колесе крутящего момента нормальная реакция Rz прикладывается не к оси симметрии опорной площадки колеса, а на некотором расстоянии αш от нее, поскольку имеет место смещение центра давления из-за эластичности шины.

Эпюра элементарных нормальных реакций дороги, показанная на рисунке 4, объясняет причину смещения точки приложения реакции Rz.

Это происходит из-за того, что нормальные реакции на переднем и заднем участках опорной площадки колеса различны по величине, так как силы, возникающие в упругом материале шины при приложении и снятии нагрузки неодинаковы.

Это объясняется действием сил внутреннего трения между взаимно перемещающимися частицами материала шины. При приложении нагрузки эти силы и силы упругости направлены в одну и ту же сторону, а при снятии – в противоположные стороны.

Боковая сила Рy значительно увеличивается при криволинейном движении автомобиля или при движении по косогору. Боковая реакция Ry со стороны дороги удерживает колеса автомобиля от бокового скольжения (заноса) при движении автомобиля поперек косогора или при выполнении маневра.

***

Сила тяги на ведущих колесах

Сила тяги Рт на ведущих колесах может быть определена, как отношение крутящего (тягового) момента Mт, подводимого к колесам, к их радиусу r:

Pт = Mт/r.

При этом не учитываются затраты энергии на деформацию дорожного покрытия, трение внутри шины и силы инерции, обусловленные ускорением вращающихся масс колес и деталей трансмиссии в случае неравномерного движения.

Следует учитывать, что радиус колеса вследствие эластичности шины является переменной величиной.
Различают следующие радиусы автомобильных колес:

  • статический радиус колеса rст – расстояние от поверхности дороги до оси неподвижного колеса, воспринимающего вертикальную нагрузку, обусловленную силой тяжести, действующей на автомобиль (т. е. его весом G). Значения статического радиуса приводятся заводом-изготовителем шины в технических характеристиках;
  • динамический радиус колеса rд – расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса. Динамический радиус колеса во время движения может превышать его статический радиус, поскольку в результате нагрева шины давление внутри нее увеличивается. Кроме того, под действием центробежных сил с возрастанием скорости автомобиля шина растягивается в радиальном направлении, вследствие чего динамический радиус увеличивается. Динамический радиус, также, зависит от величины вертикальной нагрузки Pz.
  • радиус качения колеса rк – радиус условного недеформирующегося катящегося без скольжения колеса, которое имеет с данным эластичным колесом одинаковую угловую и линейную скорости.

Радиус качения колеса определяется по формуле:

rк = S/(2πnк),

где S – путь, пройденный колесом; nк – число оборотов колеса на пути S.

Если проскальзывание колеса относительно дороги отсутствует, что характерно для ведомого колеса, то радиусы rд и rк почти равны между собой.

В случае полного буксования колеса его пройденный путь будет равен нулю, и тогда (согласно приведенной выше формуле) его радиус качения тоже будет равен нулю.

В случае движения колеса юзом (скольжение без вращения) число оборотов будет равно нулю, и, соответственно, радиус качения rк будет стремиться к бесконечности.

Различают еще и свободный радиус колеса rсв, который является половиной диаметра ненагруженного колеса при отсутствии его контакта с опорной поверхностью.

На дорогах с сухим покрытием скольжение ведущих колес и изменение радиуса незначительны. Поэтому радиусы статический rст, динамический rд и качения rк при расчетах считаются одинаковыми и обозначаются буквой r.

***

Силы, действующие на автомобиль



Олимпиады и тесты

Источник: http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.01/7_teoria_avto_3/index.shtml

9.2: Трение и тяга

Сила тяги

Одна из наиболее важных основ, которую ученики должны изучить перед тем, как приступить к проектированию ходовой части, это трение.

ТРЕНИЕ — это сила, сопротивляющаяся движению, когда две поверхности притираются друг к другу.

Это исключительно противодействующая сила, возникающая, когда две поверхности находятся в контакте друг с другом и под действием силы, заставляющей их скользить друг относительно друга.

Если на объект не воздействует сила, провоцирующая его к попытке движения, трение также отсутствует. Отсутствие воздействующей силы означает отсутствие противодействующей силы.

Существуют два типа трения: статическое трение и кинетическое трение.

Статическое трение представляет собой силу трения, действующую между двумя объектами, которые НЕ перемещаются друг относительно друга. Для того, чтобы сдвинуть что-либо, требуется предварительное усилие. Если значение силы, пытающейся сдвинуть объект, меньшее значения силы статического трения, объект не сможет сдвинуться с места.

Кинетическое трение — это сила трения, действующая между двумя поверхностями, перемещающимися (скользящими) друг относительно друга.

Как только объект преодолел статическое трение и начал движение, он попадает под воздействие кинетического трения, сопротивляющегося движению.

На графике выше показана обратная взаимосвязь между приложенной силой и трением. С увеличением приложенной силы, противодействующая сила трения также увеличивается. Вплоть до момента, когда объект сдвинется с места, на него действует статическое трение.

Как только значение приложенной силы превысит максимальное статическое трение, масса начнет двигаться. Сразу после начала движения объект окажется под действием кинетического трения.

Статическое трение больше кинетического трения, поэтому если масса уже сдвинулась, для дальнейшего скольжения ей потребуется меньше силы.

Оба типа трения можно имитировать, уперев ладонь одной руки в ладонь другой руки и попробовав подвигать ими скользящим движением. Этому движению будет противодействовать текстура кожи и величина приложенной силы. Чем плотнее ладони прижаты друг к другу, тем сложнее ими двигать. Это статическое трение.

По мере увеличения скользящей силы, руки начинают скользить и двигаться друг относительно друга. Это кинетическое трение. Можно заметить, что как только руки преодолели статическое трение, двигать ими стало проще.

Существует два фактора, определяющих максимальную силу трения, возникающую между двумя поверхностями: «цепкость» поверхностей (известная как коэффициент трения поверхностей), а также плотность прижатия поверхностей друг к другу (известная как нормальная сила).

Максимальная сила трения (Ff) между двумя поверхностями равна коэффициенту трения (Cf) этих поверхностей, умноженному на нормальную силу (N), удерживающую поверхности вместе.

Максимальная сила трения = (Коэффициент трения) х (Нормальная сила)

Ff = Cf x N

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ:

Как уже говорилось выше, коэффициент трения является постоянной величиной, отражающей «цепкость» двух поверхностей, скользящих друг относительно друга. Необходимо обратить внимание на то, что это трение не одной скользящей поверхности, а двух. Например, покрышка сама по себе НЕ ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения, но покрышка, скользящая по мостовой, ОБЛАДАЕТ коэффициентом трения.

Коэффициент трения скользких объектов чрезмерно мал, тогда как коэффициент трения липких объектов — очень велик. Эта постоянная величина определяется для пары поверхностей (не для единственной поверхности). Каждая пара материалов обладает коэффициентами статического и кинетического трения.

При этом нельзя путать чистое трение с действительно липкими поверхностями, такими как, например, изолента или покрытия с большим коэффициентом трения, связывающиеся с другими поверхностями. Подобные поверхности, соединяясь, должны выглядеть как одна. Например, изолента сопротивляется скольжению даже в том случае, когда нормальная сила отсутствует или имеет отрицательное значение.

НОРМАЛЬНАЯ СИЛА:

Сила, прижимающая две скользящие поверхности друг к другу, называется нормальной силой.

Действие нормальной силы всегда направлено перпендикулярно двум поверхностям (в противном случае эта сила может действовать как нормальная сила лишь частично).

Зачастую нормальная сила, воздействующая на две поверхности, является массой одного объекта, располагающегося сверху на другом объекте. В этом случае действие нормальной силы спровоцировано гравитацией.

Как показано на схеме выше, если объект лежит на наклонной поверхности, гравитация действует на две скользящие поверхности не под прямым углом. В этом случае, только часть массы объекта действует как нормальная сила.

ТЯГА:

ТЯГА может быть определена как трение между ведущим колесом и поверхностью, по которой оно катится. Это количество силы, которое колесо прикладывает к поверхности перед тем, как соскользнуть. Колесо обладает разной тягой на различных поверхностях. Как описывалось выше, значение коэффициента трения определяется для любых двух поверхностей.

Из Блока 7 и схемы, представленной выше, видно, что колесо прикладывает силу к поверхности под действием крутящего момента. Тем не менее, если бы колесо катилось по льду, оно просто проскальзывало бы, не двигаясь с места. Трение, возникающее между колесом и поверхностью земли, необходимо для создания линейного движения. Это тяговое усилие, или сила тяги.

Необходимо обратить внимание на то, что сила тяги равна силе трения между колесом и поверхностью. Если колесо катится по поверхности, а не скользит, сила тяги равна статическому трению. Если приложенная сила превышает максимальное статическое трение, колесо начинает скользить, и теперь сила тяги равна максимальному кинетическому трению.

Увеличение тяги:

Так как тяга зависит от трения между поверхностью и колесом, чтобы увеличить ее значение, необходимо увеличить трение.

Как говорилось выше, трение между объектами зависит от коэффициента трения между ними (в данном случае, между колесом и поверхностью, по которой оно катится) и нормальной силы (массы робота, прижимающей колеса к поверхности).

Чтобы увеличить тягу, увеличить либо коэффициент трения (сцепление колес), либо нормальную силу, действующую на колеса (массу робота).
 

Сборка толкающего робота:

Чтобы собрать робота, способного толкать или тянуть с большой силой, необходимо включить в конструкцию два элемента: колеса повышенной проходимости и значительный крутящий момент для приведения их в движение.

 Трение — это противодействующая сила. Если нет приложенной силы, сила трения также отсутствует.

Чтобы увеличить тягу, к колесам необходимо приложить крутящий момент, достаточный для достижения максимального статического трения колес.

Автомобиль может обладать огромной тягой, но при малых размерах двигателя он не сможет толкать или тянуть что либо. Поэтому маленькие автомобили не могут тянуть за собой трейлеры или катера на прицепах.

Трение в системе VEX:

В системе проектирования VEX Robotics Design System используется множество элементов, которые могут применяться для получения трения, включая различные типы колес. Каждый из них обладает характеристиками, необходимыми для использования на различных поверхностях. Для проектировщика очень важно экспериментальным путем определить тип колес, требуемый для каждой отдельной задачи.

Трение между колесами и поверхностью пола — не единственный вид трения, применяемый в конструкции робота VEX. Существует также трение, притормаживающее вращающиеся компоненты робота и уменьшающее количество мощности на выходе электромотора.

В системе проектирования VEX Robotics Design System есть ряд частей, предназначенных для уменьшения трения. Использовать соединения типа «металл к металлу» в подвижных системах не рекомендуется.

Пластиковые части, например, опорные блоки, прокладки и шайбы, позволяют снизить значение трения в точках контакта подвижных частей.

Источник: http://vex.examen-technolab.ru/lessons/unit_9_drivetrain_design/92/

3.2.1. Классификация сил тяги — Теория тяги поездов и тяговые расчеты

Сила тяги

Монография «ТЯГОВЫЕ РАСЧЕТЫ»

3. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПОЕЗД

3.2. Сила тяги

3.2. СИЛА ТЯГИ

3.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛ ТЯГИ

[ТРГреб] Сила тяги – управляемая внешняя сила, создаваемая двигателем локомотива во взаимодействии с рельсами и приложенная к движущим колесам локомотива в направлении его движения.

[ТРИса, ТПТР] Любой локомотив можно рассматривать как преобразователь энергии во внешнюю работу силы тяги, причем в зависимости от его вида может иметь место несколько стадий преобразования и соответственно несколько преобразователей энергии.

Электрическая энергия, необходимая для питания электровозов, вырабатывается на стационарных электрических станциях и, после преобразования ее на подстанциях, подается по питающим проводам (фидерам) в контактную сеть. Из сети через токоприемник (пантограф) и различные электромагнитные устройства (электрические аппараты, полупроводниковые приборы и т.д.

) электроэнергия поступает в тяговые электродвигатели. В электродвигателях электрическая энергия трансформируется во внутреннюю механическую работу вращения якорей (роторов) и зубчатых передач движущих колес.

Затем эта внутренняя механическая работа в экипаже за счет сцепления колес с рельсами преобразуется во внешнюю механическую работу на ободе движущих колес, которая расходуется на передвижение электровоза.

В тепловозе источником энергии является подводимое к нему топливо.

В двигателе внутреннего сгорания (дизеле) термохимическая энергия топлива превращается непосредственно во внутреннюю механическую работу на валу двигателя, которая затем при помощи передаточного механизма (электрического, гидромеханического, механического или какого-либо иного) трансформируется во внутреннюю работу вращения движущих колес и далее, как и в электровозе, преобразуется во внешнюю механическую работу на ободе движущих колес.

В паровозе, так же как и в тепловозе, источником энергии является топливо, забрасываемое периодически в топку. В паровозном котле термохимическая энергия топлива преобразуется в потенциальную энергию сжатого пара.

Эта последняя в машине паровоза (в его паровых цилиндрах) превращается во внутреннюю механическую работу, которая при помощи шатунно-кривошипного механизма затрачивается на вращение движущих колес, и далее преобразуется во внешнюю механическую работу на ободе движущих колес.

Таким образом, во всех локомотивах существуют различные преобразователи энергии, причем, каждый из них может переработать определенное количество энергии. Наиболее совершенным является такой локомотив, все трансформаторы энергии которого имеют примерно одинаковую мощность, т.е.

могут преобразовать одинаковое количество энергии; в противном случае меньший по мощности трансформатор энергии является ограничивающим.

Например, сильно развитый котел паровоза по сравнению с мощностью паровой машины при достаточном сцепном весе не может быть признан целесообразным, ибо возможная паропроизводительность котла не будет полностью использована; следовательно, машина в данном случае ограничивает мощность такого паровоза.

Напротив, если паровоз имеет недостаточно развитый котел, то мощность паровой машины и сцепной вес паровоза окажутся неиспользованными полностью, и котел будет ограничивать мощность паровоза.

В зависимости от стадий преобразования энергии, имеющих место в различных видах локомотивов, для них установлены следующие понятия о силе тяги.

В электровозах:

1) сила тяги по тяговым электродвигателям, соответствующая развиваемой этими двигателями мощности;

2) сила тяги по сцепному весу, или сила тяги по сцеплению.

Для электровозов не имеется ограничения силы тяги по генератору энергии, т.к. мощность электростанций позволяет снабжать электродвигатели энергией практически без ограничений.

В тепловозах:

1) сила тяги по дизелю;

2) сила тяги по передаточному механизму (передаче);

3) сила тяги по сцеплению.

В паровозах:

1) сила тяги по котлу, под которой подразумевается сила тяги при условии, что машина паровоза расходует в час определенное постоянное количество пара;

2) сила тяги по машине;

3) сила тяги по сцеплению.

Необходимо отметить, что для всех локомотивов наименьшая по своему значению сила тяги ограничивает использование мощности локомотива в целом. Поэтому очень важно в эксплуатации установить возможный максимум для силы тяги по каждому из указанных выше признаков, что обычно производится для каждого вида локомотива в виде соответствующих расчетных норм, помещаемых в ПТР.

Кроме указанной классификации, силу тяги локомотивов различают также по месту ее приложения:

1) индикаторная сила тяги Fi;

2) касательная сила тяги (действительная сила тяги, сила тяги на ободе движущих колес) Fк;

3) сила тяги на сцепке (полезная сила тяги) Fп;

4) динамометрическая сила тяги Fд.

Индикаторной силой тяги называется сила тяги, определяемая из условия, что ее работа за один оборот движущих колес равна механической работе за тот же оборот на валах тяговых двигателей электровоза, или полной работе (без потерь) газа в цилиндрах дизеля тепловоза, или пара в цилиндрах паровой машины паровоза.

Индикаторной она названа потому, что работа газа или пара в цилиндрах измеряется при помощи индикатора. Применительно к электровозу понятием об индикаторной силе тяги не пользуются, а его заменяют понятием электромагнитная сила тяги Fэм.

Действительным местом приложения индикаторной силы тяги являются для электровоза валы электродвигателей, для тепловоза и паровоза — поршни их двигателей. В теории тяги точка приложения индикаторной силы искусственно переносится с действительного места ее приложения на обод движущих колес.

При этом предполагается, что такой перенос совершается без всяких потерь, которые неизбежно имеют место в передаточных механизмах всех видов локомотивов: в электровозах — в зубчатой передаче, в тепловозах — в электрической, гидравлической или механической передаче, и в паровозах — в шатунно-кривошипном механизме.

Таким образом, при производстве расчетов по индикаторной силе тяги в полное сопротивление поезда должно входить сопротивление локомотива как машины в тяговом режиме.

Касательная сила тяги — сила, приложенная к центрам осей движущих колес или к ободу движущих колес и определяемая из условия, что ее работа за один оборот движущих колес равна:

а) для электровоза — полной механической работе на валах тяговых электродвигателей за вычетом работы сил сопротивлений в передаточном механизме (зубчатой передаче) за тот же оборот движущих колес;

б) для тепловоза — работе газа во всех цилиндрах дизеля за вычетом работы сил сопротивления (главным образом сил трения) в самом дизеле на вспомогательные нужды (компрессор, холодильник, зарядка аккумуляторной батареи и др.) и работе, затрачиваемой на преодоление сил сопротивления в передаточном к ободу движущих колес механизме;

в) для паровоза — полной работе пара во всех цилиндрах паровой машины за вычетом сил сопротивлений (трений) в движущем и парораспределительном механизме.

Таким образом, за оборот движущих колес работа касательной силы тяги меньше работы индикаторной силы тяги на величину затрат энергии на вспомогательные нужды и потери работы, связанной с передачей внутренней механической работы двигателя на обод движущих колес. Если обозначить через Wм среднее значение условной силы, эквивалентную указанным затратам энергии и потерям работы, то

Fк = Fi — Wм,     (3.2.1-1)

или

,     (3.2.1-2)

где – механический коэффициент полезного действия локомотива.

Различают касательную силу тяги локомотива Fк и двигателя Fкд

Fк = Fкд.     (3.2.1-3)

Сила тяги на сцепке приложена к сцепке между локомотивом и первым вагоном. Она определяется из условия, что ее работа за один оборот движущих колес равна работе касательной силы тяги за вычетом работы сил сопротивлений, возникающих при движении локомотива «как повозки».

Понятие об этих силах дает движение электровоза или тепловоза при снятых зубчатых передачах от тяговых двигателей к колесам, или движение паровоза при разобранном движущем механизме, например, при снятом шатуне.

В указанных случаях локомотив из самодвижущегося экипажа обращается в «повозку», наподобие вагона, которую теперь надо двигать при помощи посторонней силы. Отсюда и название «сопротивление локомотива как повозки».

Из этого следует, что при равномерном движении на прямом горизонтальном пути

Fп = Fк — W’о,     (3.2.1-4)

где Fп – сила тяги на сцепке;
Fк – касательная сила тяги;
W’о – сопротивление локомотива как повозки или основное сопротивление движению локомотива.

В случае неравномерного движения сила тяги на сцепке будет меньше при ускоренном движении и больше при замедленном движении по сравнению со значениями силы тяги, определяемым формулой 3.2.1-4, т.к.

часть силы будет расходоваться на повышение или понижение кинетической энергии локомотива.

Действительная сила тяги, измеряемая динамометром на сцепном приборе первого вагона, называется динамометрической

Fд = Fп — Мл а, (3.2.1-5)    

где Мл – масса локомотива, т;
а – ускорение локомотива, м/с2.

Очевидно, что при равномерном движении (а = 0 м/с2), сила тяги на сцепке и динамометрическая сила тяги равны.

При производстве тяговых расчетов можно пользоваться любым выражением силы тяги — индикаторной, касательной и силой тяги на сцепке; необходимо только соответствующим образом определять действующую на поезд силу сопротивления.

В случае использования индикаторной силы тяги в общее сопротивление поезда должны войти сопротивление состава (вагонов), сопротивление локомотива как повозки и сопротивление машины локомотива при тяговом режиме; при расчетах по касательной силе тяги общая сила сопротивления поезда должна состоять из сопротивления состава и сопротивления локомотива как повозки и, наконец, при расчетах по силе тяги на сцепке в качестве общей силы сопротивления будет фигурировать, очевидно, только сопротивление состава.

Вся система тяговых расчетов, принятая на отечественных железных дорогах, изначально ориентируется на проведение расчетов с горизонтальными силами, отнесенными именно к точке касания колес с рельсами.

Это требование зафиксировано во всех изданиях ПТР. В частности, в издании 1985 г. прямо указано: «1.1.5. Порядок расчетов.

Тяговые расчеты выполнять по силе тяги на ободах движущих колес (по касательной силе тяги Fк)».

назад          вперед

Источник: https://www.sites.google.com/site/tagapoezd/monografia/power/power_force/power_force_class

Лошадиная сила

Сила тяги

ТЯГА НА КРЮКЕ

Этот тракторный параметр не вписывают в технические характеристики автомобиля, заменяя его лукавым градусом преодолеваемого подъема. На первый взгляд этого достаточно — землю на машине не пахать. Зато для буксировки прицепа или вызволения застрявшего автомобиля тяговая сила тягача едва ли не самое главное.

Обычная лощадь показала весьма достойный результат —ее тяга (500 кгс) равна собственному весу.Обычная лощадь показала весьма достойный результат —ее тяга (500 кгс) равна собственному весу.

На практике ориентироваться на эти градусы особо не стоит: они — для идеальных условий сцепления с покрытием. Уж коли под колесами асфальт, то есть какая-никакая дорога, возможностей любого современного авто для преодоления подъемов должно хватить за глаза.

Другое дело, если нужно взобраться по заснеженному, обледенелому или просто грязному склону — тут расклад иной. Тяги на колесах может быть и с избытком, а машина не едет — скользит, сползает под откос.

Не хватает той самой «тяги на крюке», да и на крюк-то никого не зацепишь — самому мало! Таким образом, развиваемая сила зависит не только от самого автомобиля, но и от условий, в которых он оказался, — сцепления с покрытием и уклона дороги.

Электронная блокировка дифференциала заставляет работать оба ведущих колеса.Электронная блокировка дифференциала заставляет работать оба ведущих колеса.

Даже на интуитивном уровне все водители представляют, какой автомобиль обладает большими тяговыми возможностями при прочих равных.

Случись нужда в тягаче, ищут технику помощнее, потяжелее и, желательно, полноприводную. Главное — реализовать как можно больший момент на колесах.

Чем же он ограничен? С одной стороны, так сказать, «изнутри» —характеристиками двигателя и трансмиссии (не забудем, что момент, приходящий на колесо, определяется не только передаточным числом трансмиссии, но и схемой привода и наличием блокировок). С другой, «снаружи», реализация его зависит от коэффициента сцепления колес с дорогой.

Вытаскивая свой или чужой автомобиль, водитель стремится найти золотую середину, то есть дать достаточно «газу», чтобы сдвинуть машину с места, не сорвав при этом колеса в пробуксовку. Только так можно достичь максимальной «тяги на крюке».

Хорошие цепи противоскольжения позволяют двигаться по укатанному снегу и льду почти как по асфальту.Хорошие цепи противоскольжения позволяют двигаться по укатанному снегу и льду почти как по асфальту.

Конечно, зная момент двигателя, передаточное отношение трансмиссии, радиус качения ведущих колес и сцепной вес, эту силу можно вычислить.

Но результат будет приблизительным. Для более точных расчетов нужно знать КПД трансмиссии, коэффициент сцепления ведущих колес с дорогой, скоростную характеристику двигателя и другие «мелочи». Интересующиеся могут найти методику расчета в учебниках, в разделе «Тяговая динамика автомобиля».

Но суха теория и даже самый тщательный расчет не даст точной цифры — исходные параметры изменчивы.

Каковы же реальные тяговые возможности легковых автомобилей в разных дорожных условиях? Зная их, легко определить допустимую загрузку машины и вес прицепа для любого маршрута и состояния дороги. Особенно актуально это зимой, когда под колесами промерзший асфальт, гололед и укатанный снег.

Силу тяги, развиваемую автомобилями на разных покрытиях, определяли лабораторным динамометром.Силу тяги, развиваемую автомобилями на разных покрытиях, определяли лабораторным динамометром.

Мы проверили динамометром развиваемое автомобилями усилие на разных покрытиях. Среди подопытных — представители разных классов: задне-, передне- и полноприводные, мини-вэн и фургон.

Результаты эксперимента приведены в таблице, а к ним — наши комментарии.

СИЛЬНЫЙ, НО ЛЕГКИЙ

В абсолютных чемпионах по развиваемой тяге, конечно же, полноприводники.

Достаточно мощный двигатель, понижающий ряд в трансмиссии, блокировка мостов и стопроцентная реализация сцепного веса позволяют развить тягу, почти равную фактическому весу машины.

Почти — потому, что у обычных шин даже на отличном сухом и чистом асфальте коэффициент сцепления около 0,9. На практике же он редко превышает 0,8. Укатанный снег в морозы дает около 0,4, а в оттепель лишь немного превосходит гололед.

Буксование на снегу очень быстро приводит к образованию обледенелой лунки, выбраться из которой без пары лопат песка будет невозможно.Буксование на снегу очень быстро приводит к образованию обледенелой лунки, выбраться из которой без пары лопат песка будет невозможно.

Снег, особенно чуть подтаявший, не только исключает возможность движения с прицепом, но даже без него делает автомобиль беспомощным. Малейший подъем становится непреодолимым препятствием. Дать небольшой шанс могут шипованные шины.

А вот хорошие цепи противоскольжения (в нашем эксперименте работали «Кегель» — с продольными и поперечными ветвями и звеньями из проволоки квадратного сечения) обеспечивают вполне уверенную езду по самому скользкому льду.

Передне- и заднеприводные автомобили по-разному проявляют свои особенности тяги. На первые почти не влияет их загрузка, разве что передний пассажир может добавить немного сцепного веса. Зато вторые, особенно при достаточной мощности двигателя, лучший результат показывают с пассажирами на заднем сиденье и загруженным багажником — весь дополнительный вес идет на ведущие колеса.

Отсюда еще один вывод: если застряли на переднеприводной машине, выбираться своим ходом лучше на пустой. У классической больше шансов, если загрузить багажник. Выталкивать же и ту, и другую руками легче, разумеется, пустую.

Однако если на ровной дороге наибольшую тягу развивает груженая машина, то на подъеме лишний вес только во вред, особенно для переднеприводного автомобиля. В первом приближении на подъеме в 10% каждая тонна собственного веса машины вычитает из тяги 100 кгс. А если еще прицеп сзади, что останется на преодоление подъема?

Отметим, максимальная тяга развивается перед самым срывом колес в буксование (если, конечно, на них приходит достаточный момент). Разница весьма существенная, особенно на снегу, когда буксующие колеса успевают растопить снег и выбрать под собой лунки с обледенелыми краями. Из них без пары лопат песка уже не выберешься.

Кстати, в нашем эксперименте участвовала и самая обыкновенная крестьянская лошадь — конь по кличке Марс, «оборудованный» на тот момент летними (нешипованными) подковами. Так вот, при собственном весе около 500 кг, он на подмерзшем заснеженном грунте легко реализовал все 100% сцепного веса — динамометр показал 500 кгс.

Но самое забавное, что, почувствовав невыполнимость задачи (утащить заторможенный УАЗ ему не удалось), Марс не стал попусту буксовать, а просто сбавил «обороты». Оказывается, даже лошадь знает, что в натяг — эффективнее. И если поблизости не оказалось тягача, крестьянская лошадка вполне заменит пусть не «Беларусь», но уж «Ниву» — точно.

И колеи — не испортит!

Лошадиная силаЛошадиная сила

Источник: https://www.zr.ru/content/articles/15752-loshadinaja_sila/

Что такое сила тяги и по какой формуле её находить ?

Сила тяги

Разберёмся в вопросе, что такое сила тяги. Как следует из самого названия – это сила, которую необходимо прикладывать к телу, чтобы оно находилось в состоянии постоянного движения.

Если её убрать, то тело, будь то автомобиль, электровоз, космическая ракета или санки, со временем остановится. Это произойдёт потому, что на тело всегда действуют силы, которые заставляют его стремиться к состоянию покоя:

  • силы трения (покоя, качения, скольжения),
  • сопротивления воздуха (газа),
  • сопротивления воды и др.

Первый и второй законы Ньютона

Обратимся к законам Ньютона, которые хорошо описывают механическое движение тел. Из школьной программы мы знаем, что есть первый закон Ньютона, который описывает закон инерции.

Он гласит, что любое тело, если на него не действуют силы, или если их равнодействующая равна нулю, движется прямолинейно и равномерно, или же находится в состоянии покоя.

Это означает, что тело, пока на него ничто не действует, будет двигаться с постоянной скоростью v=const или пребывать в состоянии покоя сколько угодно долго, пока какое-то внешнее воздействие не выведет тело из этого состояния. Это и есть движение по инерции.

Надо сказать, что этот закон справедлив лишь в так называемых инерциальных системах отсчёта. В неинерциальных системах отсчёта этот закон не действует и нужно использовать второй закон Ньютона. В таких системах отсчёта тело тоже будет двигаться по инерции, но оно будет двигаться с ускорением, стремясь сохранять своё движение, т.е.

на него также не будут действовать никакие внешние силы, кроме силы инерции, стремящейся двигать тело в том направлении, в каком оно двигалось до воздействия. Тут мы приходим к рассмотрению второго закона Ньютона, который также справедлив в инерциальных системах отсчёта, т. е.

в таких системах отсчёта, в которых тело движется с постоянной скоростью либо находится в покое.

Этот закон утверждает, что для того, чтобы вывести тело из состояния покоя или равномерного движения, к нему необходимо приложить силу, равную F=m•a, где m — это масса тела, a — ускорение, сообщаемое телу. Зная эти законы, можно рассчитать силу тяги (двигателя автомобиля, ракетного двигателя или, например, лошади, тянущей нагруженную повозку).

Насколько вы сильны?

Рассмотрим простейший пример. Ваш ребёнок сел на санки и просит вас его покатать. С какой силой вам нужно тянуть эти санки, чтобы ребёнок остался доволен быстрой ездой ? Пока санки с ребёнком остаются в состоянии покоя, все силы, действующие на них, уравновешены.

Состояние покоя — это частный случай инерции. Здесь на санки действуют две силы: тяжести Fт = m•g, направленная вертикально вниз, и нормального давления N, направленная вертикально вверх. Поскольку санки не движутся, то N – m•g = 0.

Тогда из этого равенства следует, что N = m•g.

Когда вы решили покатать своего ребёнка, вы прикладываете силу тяги (Fтяги) к санкам с ребёнком. Когда вы начинаете тянуть санки, возникает сопротивление движению, вызванное силой трения (Fтр.), направленной в противоположную сторону.

Это так называемая сила трения покоя. Когда тело не движется, она равна нулю. Стоит потянуть за санки — и появляется сила трения покоя, которая меняется от нуля до некоторого максимального значения (Fтр. max). Как только Fтяги превысит Fтр.

max, санки с ребёнком придут в движение.

Чтобы найти Fтяги, применим второй закон Ньютона: Fтяги – Fтр.max = m•a, где a – ускорение, с которым вы тянете санки, m – масса санок с ребёнком. Допустим, вы разогнали санки до определённой скорости, которая не изменяется.

Тогда a = 0 и вышеприведённое уравнение запишется в виде: Fтяги – Fтр. max = 0, или Fтяги = Fтр.max. Есть известный закон из физики, который устанавливает определённую зависимость для Fтр.max и N. Эта зависимость имеет вид: Fтр.

max = fmax • N, где fmax – максимальный коэффициент трения покоя.

Если в эту формулу подставить выражение для N, то мы получим Fтр.max = fmax•m•g. Тогда формула искомой силы тяги примет вид: Fтяги = fmax•m•g = fск•m•g, где fск = fmax – коэффициент трения скольжения, g – ускорение свободного падения. Допустим, fск = 0,7, m = 30 кг, g = 9,81 м/с², тогда Fтяги = 0,7 • 30 кг • 9,81 м/с² = 206,01 Н (Ньютона).

Насколько силён ваш автомобиль?

Рассмотрим ещё пример. У вас есть автомобиль, мощность двигателя которого N. вы едете со скоростью v.

Как в этом случае узнать силу тяги двигателя вашего автомобиля ? Поскольку скорость автомобиля не меняется, то Fтяги уравновешена силами трения качения, лобового сопротивления, трения в подшипниках и т. д. (первый закон Ньютона).

По второму закону Ньютона она будет равна Fтяги = m•a. Чтобы её вычислить, достаточно знать массу автомобиля m и ускорение a.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v за какое-то время t, проехав расстояние s. Тогда Fтяги будет легко рассчитана по формуле: Fтяги = m•v/t. Как и в примере с санками, справедлива также такая формула: Fтяги = f•m•g, где f – коэффициент трения качения, который зависит от скорости автомобиля (чем больше скорость, тем меньше этот коэффициент).

Но что делать, если масса автомобиля m, коэффициент трения качения f и время разгона t неизвестны ? Тогда можно поступить по-другому. Двигатель вашего автомобиля при разгоне совершил работу A = Fтяги • s.

Поскольку формула расстояния имеет вид s = v•t, то выражение для работы будет таким: A = Fтяги • v • t. Разделив обе части этого равенства на t, получим A/t = Fтяги • v. Но A/t = N – это мощность двигателя вашего автомобиля, поэтому N = Fтяги • v.

Отсюда уже получим искомую формулу: Fтяги =N/v.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v = 180 км/ч, а мощность его двигателя N = 200 л. с. (лошадиных сил). Чтобы вычислить Fтяги двигателя, необходимо прежде перевести указанные единицы измерения в единицы СИ, т. е. международной системы измерения.

Здесь 1 л. с. = 735,499 Вт, поэтому мощность двигателя составит N = 200 л. с. • 735,499 Вт/л. с. = 147099,8 Вт. Скорость в системе СИ будет равна v = 180 км/ч = 180 • 1000 м/3600 с = 50 м/с.

Тогда искомое значение будет равно Fтяги = 147099,8 Вт/50 (м/с) = 2941,996 Н ~ 2,94 кН (килоньютона).

Около 3 килоньютонов. Много это или мало ? Допустим, вы жмёте 100 килограммовую штангу. Чтобы её поднять, вам нужно преодолеть её вес, равный P = m•g = 100 кг • 9,81 м/с² = 981 Н (ньютон)~0,98 кН.

Полученное для автомобиля значение Fтяги больше веса штанги в 2,94/0,98 = 3 раза. Это равносильно тому, что вы будете поднимать штангу массой в 300 кг. Такова сила тяги двигателя вашего автомобиля (на скорости 180 км/ч).

Таким образом, зная школьный курс физики, мы можем с лёгкостью вычислить силу тяги:

  • человека,
  • лошади,
  • паровоза,
  • автомобиля,
  • космической ракеты и всех прочих видов техники.

В нашем видео вы найдете интересные опыты, поясняющие, что такое сила тяги и сила сопростивления.

Источник: https://LivePosts.ru/articles/education-articles/fizika/chto-takoe-sila-tyagi-i-po-kakoj-formule-eyo-nahodit

Booksm
Добавить комментарий