Скорость – величина относительная. Правда, очень любимая многими! Сейчас, когда в почете суперкары и гиперкары, все люди при покупке машины, акцентируют своё внимание именно на том какую максимальную скорость может развить автомобиль, и как он «валит» на дороге. Именно поэтому люди тратят кучу денег лишь бы только попробовать прокатить на сверхбыстрой машине. Сегодня мы вам покажем ТОП самых быстрых машин в мире! И хоть в большинстве своём эти машины стоят очень дорого, тем не менее их по прежнему обожают сотни тысяч автомобилистов и любителей быстрых автомобилей по всему миру.
Красный свет светофора сменился желтым, затем зеленым. С напряженным ревом срываются с места машины, затем звук двигателей на мгновение стихает — это водители отпустили педаль подачи топлива и переключают передачи, снова разгон, снова момент затишья и опять разгон. Только метров через 100 после перекрестка поток машин как бы успокаивается и плавно катит до следующего светофора. Лишь один старый автомобиль «Москвич» прошел перекресток ровно и бесшумно. На рисунке видно, как он обогнал все автомобили и вырвался далеко вперед. Этот автомобиль подъехал к перекрестку как раз в тот момент, когда зажегся зеленый сигнал светофора, водителю не пришлось тормозить и останавливать машину, не пришлось после этого снова брать разгон. Как же получается, что один автомобиль (да еще маломощный «Москвич» старого выпуска) легко, без напряжения движется со скоростью около 50 км/час, в то время как другие с явным напряжением постепенно набирают скорость и достигают скорости 50 км/час далеко после перекрестка, когда «Москвич» уже приближается к следующему светофору? Очевидно, что для равномерного движения требуется значительно меньше усилий и расхода мощности, чем при разгоне или, как говорят, при ускоренном движении.
Рис. Сравнительно слабый автомобиль может обогнать более мощные, если он подходит к перекрестку в момент включения зеленого света и не затрачивает усилий на трогание с места и разгон.
Но прежде чем изучать разгон автомобиля, нужно вспомнить некоторые понятия.
Ускорение автомобиля
Если автомобиль проходит в каждую секунду одинаковое число метров, движение называется равномерным или установившимся. Если пройденный автомобилем путь в каждую секунду (скорость) изменяется, движение называется:
при увеличении скорости — ускоренным
при уменьшении скорости — замедленным
Приращение скорости в единицу времени называют ускорением, уменьшение скорости в единицу времени — отрицательным ускорением, или замедлением.
Ускорение измеряют приростом или убыванием скорости (в метрах в секунду) за 1 сек. Если за секунду скорость увеличивается на 3 м/сек, ускорение равно 3 м/сек в секунду или 3 м/сек/сек или 3 м/сек2.
Ускорение обозначают буквой j.
Ускорение, равное 9,81 м/сек2 (или округленно, 10 м/сек2), соответствует ускорению, которое, как известно из опыта, имеет свободно падающее тело (без учета сопротивления воздуха), и называется ускорением силы тяжести. Его обозначают буквой g.
Разгон автомобиля
Разгон автомобиля обычно изображают графически. На горизонтальной оси графика откладывают путь, а на вертикальной — скорость и наносят точки, соответствующие каждому пройденному отрезку пути. Вместо скорости на вертикальной шкале можно откладывать время разгона, как это показано на графике разгона отечественных автомобилей.
Рис. График пути разгона.
График разгона представляет собой кривую с постепенно убывающим углом наклона. Уступы кривой соответствуют моментам переключения передач, когда ускорение на какой-то момент падает, однако их часто не показывают.
Инерция
Автомобиль не может с места развить сразу большую скорость, потому что ему приходится преодолевать не только силы сопротивления движению, но и инерцию.
Инерция — это свойство тела сохранять состояние покоя или состояние равномерного движения. Из механики известно, что неподвижное тело может быть приведено в движение (или скорость движущегося тела изменена) только под действием внешней силы. Преодолевая действие инерции, внешняя сила изменяет скорость тела, иначе говоря, придает ему ускорение. Величина ускорения пропорциональна величине силы. Чем больше масса тела, тем большей должна быть сила для придания этому телу нужного ускорения. Масса — это величина, пропорциональная количеству вещества в теле; масса т равна весу тела G, деленному на ускорение силы тяжести g (9,81 м/сек2):
m = G / 9,81, кг/(м/сек2)
Масса автомобиля сопротивляется разгону с силой Pj, эту силу называют силой инерции. Чтобы разгон мог произойти, на ведущих колесах нужно создать дополнительно силу тяги, равную силе инерции. Значит, сила, необходимая для преодоления инерции тела и для придания телу определенного ускорения j, оказывается пропорциональной массе тела и ускорению. Эта сила равна:
Pj = mj = Gj / 9,81, кг
Для ускоренного движения автомобиля требуется дополнительная затрата мощности:
Для точности расчетов в уравнения (31) и (32) следует включить множитель б («дельта») — коэффициент вращающихся масс, учитывающий влияние вращающихся масс автомобиля (особенно маховика двигателя и колес) на разгон. Тогда:
Pj = Gi*б, кг
и:
Nj = Gj*Va*б / 2650, л.с.
Рис. Графики времени разгона отечественных автомобилей.
Влияние вращающихся масс заключается в том, что, кроме преодоления инерции массы автомобиля, необходимо «раскрутить» маховик, колеса и другие вращающиеся части машины, затратив на это часть мощности двигателя. Величину коэффициента б можно считать приблизительно равной:
б = 1,03 + 0,05*ik^2
где ik — передаточное число в коробке передач.
Теперь, взяв для примера автомобиль с полным весом 2000 кг, нетрудно сравнить силы, необходимые для поддержания движения этого автомобиля по асфальту со скоростью 50 км/час (пока без учета сопротивления воздуха) и для трогания его с места с ускорением около 2,5 м/сек2, обычным для современных легковых автомобилей.
Согласно уравнению:
Pf = 2000*0,015 = 30, кг
Для преодоления сопротивления инерции на высшей передаче (ik = 1) потребуется сила:
Pj = 2000*2,5*1,1 / 9,81 = 560, кг
Такой силы на высшей передаче автомобиль не может развить, нужно включить первую передачу (с передаточным числом ik = 3).
Тогда получим:
Pj = 2000*2,5*1,5 / 9,81 = 760, кг
что для современных легковых автомобилей вполне возможно.
Итак, сила, необходимая для трогания с места, оказывается в 25 раз больше силы, необходимой для поддержания движения с постоянной скоростью 50 км/час.
Чтобы обеспечить быстрый разгон автомобиля, требуется устанавливать двигатель большой мощности. При движении с постоянной скоростью (кроме максимальной) двигатель работает не в полную мощность.
Из сказанного выше понятно, почему при трогании с места нужно включать низшую передачу. Попутно отметим, что на грузовых автомобилях обычно следует начинать разгон на второй передаче. Дело в том, что на первой передаче (ik примерно равно 7.) очень велико влияние вращающихся масс и тяговой силы не хватит, чтобы сообщить автомобилю большое ускорение; разгон получится очень медленным.
На сухой дороге при коэффициенте сцепления ф, равном около 0,7, трогание с места на низшей передаче не вызывает никаких затруднений, так как сила сцепления все еще превышает тяговую силу. Но на скользкой дороге может часто оказаться, что тяговая сила на низшей передаче больше силы сцепления (особенно при ненагруженном автомобиле), и колеса начинают буксовать. Из этого положения есть два выхода:
уменьшить силу тяги троганием с места при малой подаче топлива или на второй передаче (для грузовых автомобилей — на третьей);
увеличить коэффициент сцепления, т. е. подсыпать под ведущие колеса песок, подложить ветки, доски, тряпки, надеть на колеса цепи и т. д.
При разгоне особенно сказывается разгрузка передних колес и дополнительная нагрузка задних. Можно наблюдать, как в момент трогания с места автомобиль заметно, а иногда и очень резко «приседает» на задние колеса. Это перераспределение нагрузки происходит и при равномерном движении автомобиля. Оно объясняется противодействием вращающему моменту. Зубья ведущей шестерни главной передачи давят на зубья ведомой (коронной) и как бы прижимают заднюю ось к земле; при этом возникает реакция, отталкивающая ведущую шестерню вверх; происходит небольшое поворачивание всего заднего моста в направлении, обратном направлению вращения колес. Закрепленные на картере моста рессоры своими концами приподнимают переднюю часть рамы или кузова и опускают заднюю. Между прочим отметим, что именно вследствие разгрузки передних колес их легче повернуть во время движения автомобиля с включенной передачей, чем во время движения накатом, а тем более чем на стоянке. Это знает каждый водитель. Однако вернемся к дополнительно нагруженным задним колесам.
Дополнительная, прибавочная нагрузка на задние колеса Zd от передаваемого момента тем больше, чем больше момент Мк, подведенный к колесу и чем короче колесная база автомобиля L (в м):
Zd = Мк/L, кг
Естественно, что эта нагрузка особенно велика при движении на низших передачах, так как подводимый к колесам момент увеличен. Так, на автомобиле ГАЗ-51 дополнительная нагрузка на первой передаче равна:
Zd = 316/3,3 = 96, кг
Во время трогания с места и разгона на автомобиль действует сила инерции Pj, приложенная в центре тяжести автомобиля и направленная назад, т. е. в сторону, обратную ускорению. Так как сила Pj приложена на высоте hg от плоскости дороги, она будет стремиться как бы опрокинуть автомобиль вокруг задних колес. При этом нагрузка на задние колеса увеличится, а на передние — уменьшится на величину:
Zd = Pj*hg/L, кг
Рис. При передаче усилий от двигателя нагрузка на задние колеса увеличивается, а на передние — уменьшается.
Таким образом, при трогании с места на задние колеса и шины приходится нагрузка от веса автомобиля, от передаваемого увеличенного вращающего момента и от силы инерции. Эта нагрузка действует на подшипники заднего моста и главным образом на шины задних колес. Чтобы сберечь их, нужно троганье с места осуществлять как можно более плавно. Следует напомнить, что на подъеме задние колеса еще более нагружены. На крутом подъеме при трогании с места, да еще при высоком расположении центра тяжести автомобиля, может создаться такая разгрузка передних колес и перегрузка задних, которая приведет к повреждению шин и даже к опрокидыванию автомобиля назад.
Рис. Кроме нагрузки от тягового усилия, при разгоне на задние колеса действует дополнительная сила от инерции массы автомобиля.
Автомобиль двигается с ускорением, и скорость движения его увеличивается, пока тяговая сила больше силы сопротивления движению. С увеличением скорости сопротивление движению возрастает; когда установится равенство тяговой силы и сопротивления, автомобиль приобретает равномерное движение, скорость которого зависит от величины нажима на педаль подачи топлива. Если водитель до отказа нажимает на педаль подачи топлива, эта скорость равномерного движения является одновременно и наибольшей скоростью автомобиля.
Работа по преодолению сил сопротивления качению и воздуха не создает запаса энергии — энергия расходуется на борьбу с этими силами. Работа по преодолению сил инерции при разгоне автомобиля переходит в энергию движения. Эту энергию называют кинетической энергией. Создающийся при этом запас энергии можно использовать, если после некоторого разгона отсоединить ведущие колеса от двигателя, установить рычаг переключения коробки передач в нейтральное положение, т. е. дать возможность автомобилю двигаться по инерции, накатом. Движение накатом происходит до тех пор, пока запас энергии не израсходуется на преодоление сил сопротивления движению. Уместно напомнить, что на одном и том же отрезке пути расход энергии на разгон гораздо больше расхода на преодоление сил сопротивления движению. Поэтому за счет накопленной энергии путь наката может быть в несколько раз больше пути разгона. Так, путь наката со скорости 50 км/час равен для автомобиля «Победа» около 450 м, для автомобиля ГАЗ-51 — около 720 м, в то время как путь разгона до этой скорости равен соответственно 150—200 м и 250—300 м Если водитель не стремится ехать на автомобиле с очень большой скоростью, он может значительную часть пути вести автомобиль «накатом» и экономить таким образом энергию и, тем самым, топливо.
При оценке автомобиля, как известно, в числе прочих качеств рассматривают наибольшую развиваемую автомобилем скорость. Хотя этот показатель и не является важнейшим для автомобиля, его значение весьма велико. Прежде всего, именно быстроходность отличает автомобиль от других средств безрельсового сухопутного транспорта. Наибольшая скорость, наряду с другими тяговыми показателями, является основой динамического расчета всякого нового автомобиля и определяет его среднюю скорость, подбор передаточных чисел в системе силовой передачи и режимы работы двигателя, мощность проектируемого двигателя, экономическую характеристику автомобиля, конструкцию тормозов, рулевого управления и т. д. Поэтому очень важно установить, к каким наибольшим скоростям должны стремиться конструкторы при проектировании автомобилей, на какие скорости нужно рассчитывать прокладываемые дороги.
Существует мнение, что перспективы увеличения наибольшей скорости автомобиля неограничены, что усовершенствование автомобиля и дорог, а также постепенное приспособление человеческого организма к движению со все большими скоростями позволяют достигнуть огромных скоростей. Ход развития автомобильной техники, казалось бы, подтверждает это мнение. За сравнительно короткий исторический отрезок времени (около 50 лет) наибольшая скорость легкового автомобиля возросла с 30—40 до 90—180 км/час для обычных машин и со 100 до 200—300 км/час для рекордно-гоночных, а на отдельных автомобилях достигнуты скорости, превышающие 600 км/час.
Рис. Наибольшая скорость отечественных автомобилей неуклонно возрастает.
Наибольшая скорость отечественных грузовых автомобилей примерно с 1930 г. увеличилась с 40—50 до 65—70 км/час, и с тех пор практически не изменилась, скорость междугородных автобусов неуклонно приближается к скорости легковых автомобилей.
Разрешаемая в городах с учетом требований безопасности скорость увеличилась вчетверо (например, в Москве для легковых автомобилей — с 20 верст 1 в час в 1910 г. до 80 км/час в настоящее время).
«Теория беспредельности» скорости автомобиля была бы допустимой, если рассматривать наибольшую скорость автомобиля только в смысле возможностей техники (автомобильной и дорожной) и приспособляемости человеческого организма к различным условиям. Однако главными исходными показателями для определения характеристики любой новой машины являются экономические показатели. Так, одной из основных дискуссионных тем в начале развития автомобилестроения была тема: «Что дороже — конный экипаж или автомобиль». Тема была снята с повестки дня лишь после достижения автомобилем некоторой степени совершенства, прежде всего в части его экономических показателей, включая надежность.
Если подходить к оценке качеств автомобиля с экономической стороны, рассматривать его в связи с другими видами транспорта, перспективы увеличения его наибольшей скорости представляются иными, чем при учете одних конструктивных и физиологических возможностей. Тщательный научный анализ показывает также, что постепенное количественное изменение скорости приводит к необходимости коренного качественного изменения связанных с этим факторов:
ускорения (при разгоне автомобиля и замедления при торможении), так как предел ускорения для человеческого организма все же существует
Можно сделать вывод о примерных целесообразных значениях скорости движения сухопутного безрельсового транспорта. При этом было бы ошибкой считать, что ограничение скорости явится препятствием для развития автомобиля или что автомобиль станет ненужным. Так же как конный транспорт, занимающий по настоящее время вполне определенное место в народном хозяйстве, автомобиль займет свое место, уступив задачу преодоления больших расстояний с высокими скоростями другим видам транспорта.
Не подлежит сомнению, что автомобиль должен быть в большой степени универсальным и при будущем развитии дорог:
он должен маневрировать с небольшой скоростью в условиях городского движения и на стоянках
развивать высокую скорость на загородных магистралях
преодолевать препятствия в случаях отклонения от магистралей
Отсюда общие требования к автомобилю:
сравнительно небольшие размеры его
наличие пружинящих и амортизирующих устройств
возможность изменения скорости в значительных пределах при сравнительно несложных механизмах для этого
К этому следует добавить очевидную необходимость в достаточно прочном и жестком кузове (для груза или пассажиров) с сиденьями, устройствами для входа и выхода, вентиляции, отопления, звуко- и теплоизоляции. Здесь умышленно обойден источник энергии, так как предполагается, что он, в том или ином виде, необходим для любой транспортной машины.
Обзор этих требований способствует определению реальных условий для уменьшения сопротивления движению автомобиля. Даже при высоком давлении в шинах (около 3—4 кг/см^2, у легковых машин и 5—6 кг/см^2 у грузовых) и при отличном дорожном покрытии коэффициент сопротивления качению не может быть существенно уменьшен. Как уже отмечено выше, до недавнего времени считалось, что этот коэффициент мало зависит от скорости движения. Экспериментальные данные показывают, что при увеличении скорости от 100 до 200 км/час величины коэффициента сопротивления качению увеличиваются в зависимости от давления в шинах на 50—150%.
Возможности облегчения автомобиля небезграничны. Даже при применении особо-легких материалов, но при соблюдении повышающихся с ростом скорости требований надежности, вес автомобиля вряд ли может быть уменьшен более, чем на одну треть против существующего. Коэффициент сопротивления воздуха К даже при каплеобразной форме кузова, при полном утапливании колес и других деталей (с учетом возможного удлинения кузова, осуществляемого без утяжеления автомобиля и ухудшения его проходимости) составит для легкового автомобиля 0,013. Для грузового автомобиля с бортовой платформой и улучшенными формами кабины и оперения этот коэффициент будет равен не менее 0,06 и только в случае применения обтекаемого кузова типа «фургон» снизится примерно до 0,03. Наконец, к. п. д. силовой передачи, очевидно, не может быть больше 0,95, а с введением жидкостных и других автоматизированных систем силовой передачи — еще меньше.
Если взять приведенные выше примерные данные и произвести расчет, например, пятиместного автомобиля (+125 кг на багаж, инструмент и радио), то станет ясным, что такому автомобилю для достижения скорости в 200 км/час потребуется двигатель мощностью около 100 л. с., для 250 км/час — 190 л. с., для 300 км/час — 320 л. с., для 400 км/час — 800 л. с., для 500 км/час — 1300 л. с. Этот расчет сделан в предположении, что вес механизмов автомобиля одинаков для всех рассматриваемых случаев. Однако их вес зависит от мощности двигателя. С учетом этого обстоятельства приведенные «сверхидеальные» цифры (кроме первой) возрастут примерно до 220, 385, 1100 и 2500 л. с. Расход горючего будет, конечно, соответствовать расходуемой мощности.
Аналогичный расчет можно сделать для обтекаемого грузового автомобиля грузоподъемностью 4 т.
Можно спорить о точности приведенных расчетов, но даже если, например, совсем пренебречь собственным весом легкового автомобиля и предположить, что по дороге будут каким-то чудом передвигаться только пассажиры (в невесомом кузове на невесомых колесах), то и в этом случае для скорости 500 км/час потребовался бы двигатель мощностью до 1000 л. с., а вес самого двигателя удвоил бы указанную величину.
Таково значение сопротивления движению автомобиля по дороге.
Рис. Расход мощности идеально обтекаемого легкового автомобиля (слева) и обтекаемого грузового автомобиля—фургона (справа).
Между тем, сегодня человечество располагает средствами передвижения, которым для достижения подобных скоростей требуются двигатели значительно меньшей мощности. Это — самолеты. Можно провести по графику сравнение между современными 5-местными автомобилем и легкомоторным самолетом.
Рис. На скоростях свыше 200—250 км/час самолет выгоднее автомобиля.
На графике одной из линий соединены точки мощности двигателей для различных конкретных 5-местных самолетов, соответствующие наибольшей скорости этих самолетов. Остальные линии показывают мощности двигателей, необходимые для достижения различных скоростей автомобилями типа М-20 «Победа» и М-21 «Волга» и вышеупомянутым «идеальным». Последняя линия пересекает первую в точке, относящейся к скорости 230 км/час, остальные линии расположены значительно левее. Это означает, что при скорости больше 230 км/час самолет экономичнее автомобиля. Диаграмма не учитывает перспектив усовершенствования самолетов, что снизило бы рассматриваемые точки пересечения и сместило бы их еще более вниз и влево.
Таким образом, можно сделать вывод об экономически-целесообразных значениях наибольшей скорости легковых автомобилей среднего класса. Эти значения для легковых автомобилей других классов (в сравнении с соответственными по вместимости и скорости классами самолетов) мало отличаются от приведенных.
По затронутому вопросу естественно ожидать возражений в том смысле, что автомобиль имеет преимущества перед самолетом, так как доставляет пассажиров непосредственно к месту назначения, работает в городских условиях и т. д. Эти преимущества окупают в известной степени увеличение расходов, связанных с достижением высокой скорости. Однако автомобиль, способный и на высокую скорость, и на городское движение, должен быть снабжен рядом усложняющих его устройств (трансмиссия, приборы для регулирования жесткости подвески и давления в шинах), что повышает его стоимость.
Далее, для разгона автомобиля до высокой скорости необходим путь, измеряемый сотнями и даже тысячами метров. Укорочение пути и времени разгона возможно лишь в очень небольших пределах, так как человеческий организм воспринимает слишком резкое ускорение болезненно. Вследствие этого особо высокая скорость может быть использована только на длинных перегонах, т. е. в условиях, когда самолет вполне заменяет автомобиль. То же относится и к междугородным автобусам. Сравнивая самолет с легковым автомобилем, трудно доказать преимущество самолета в части комфортабельности, но при сравнении самолета с автобусом можно считать их равнозначными по комфортабельности, в особенности, если учесть, что и самолет, и скоростной междугородный автобус не приспособлены к доставке пассажиров непосредственно к месту назначения.
При определении целесообразной наибольшей скорости грузовых автомобилей требуется другой подход. Отмеченная выше некоторая стабилизация наибольшей скорости грузовых автомобилей в течение последних лет не случайна. Вследствие разнообразия перевозимых грузов, способов погрузки и разгрузки, широкого использования грузовых автомобилей в сельском хозяйстве, приходится применять на грузовом автомобиле открытую бортовую платформу в качестве основного типа кузова. Тем самым пределы улучшения обтекаемости грузового автомобиля сужаются.
Кроме того, для тех условий, в которых используют грузовой автомобиль, во многих случаях требуются упрощение его конструкции, отсутствие у него изобилия облицовочных панелей, обычно связанных с обтекаемой формой.
Грузовой автомобиль с бортовой платформой и, в особенности, унифицированные с ним самосвалы и другие типы машин должны быть приспособлены к передвижению не столько с большой скоростью, сколько в тяжелых дорожных условиях, следствием чего является выбор определенных параметров силовой передачи и других устройств автомобиля. Сочетание этих параметров с параметрами быстроходного автомобиля неминуемо привело бы к значительному усложнению машины и к снижению ее технико-экономических показателей. Таким образом, нет оснований рассчитывать на существенное повышение наибольшей скорости грузовых автомобилей общего назначения.
В особом положении находятся магистральные автопоезда, предназначенные для движения в основном по дорогам благоприятного профиля и с весьма большими радиусами закруглений. Магистральные автопоезда могут быть, по соображениям обтекаемости, удлинены и снабжены кузовом обтекаемой формы, без слишком строгого учета маневренности. Пункты погрузки и разгрузки могут быть организованы применительно к малой маневренности автопоездов, которые во всяком случае обеспечивают более удобные условия погрузки и разгрузки, чем самолет и железнодорожный поезд. Вследствие этого возможно, что создание магистральных грузовых автопоездов, сконструированных с расчетом на передвижение с особо высокими скоростями, будет вполне оправданным. Практически, исходя из соображений устройства дорог, безопасности движения, унификации автопоездов с междугородными автобусами, скорость дальних автопоездов должна быть примерно равна скорости легковых автомобилей и междугородных автобусов.
Вышеизложенные расчеты нельзя распространять на автомобили, предназначенные для постоянной эксплуатации в городских условиях (с частыми остановками, поворотами, маневрированием), т. е. на такси, городские автобусы, автомобили для развозки почты, для обслуживания торговой сети. Даже при условии вряд ли осуществимого (и вряд ли целесообразного) переустройства всех городских улиц с созданием пересечений на разных уровнях, одностороннего движения, расширения проезжей части и при условии улучшения разгона и торможения автомобилей до пределов, допускаемых физиологическими свойствами пассажиров и водителя, скорость движения в городах, практически, не превысит 100 км/час. Это значение наибольшей скорости, очевидно, и является оптимальным для городских средств транспорта.
В итоге определяются два значения рациональных наибольших скоростей автомобилей:
для грузовых автомобилей общего назначения, городских автобусов и такси — около 100 км/час
для легковых автомобилей общего назначения, междугородных автобусов и автопоездов — около 200 км/час
Автомобили первой группы достигли намеченного показателя, так как это не связано с коренным переустройством всех улиц и дорог, а также самих автомобилей. Дальнейшее развитие этих машин пойдет по пути совершенствования прочих их качеств: веса, топливной экономичности, легкости управления, комфортабельности, надежности, безопасности движения.
Повышение скорости автомобилей второй группы будет зависит в первую очередь от усовершенствования дорог. Очевидно, что развитие и автомобилей, и дорог будет и впредь идти во взаимосвязи.
При всем совершенстве будущего автомобиля и при всей приспособленности к нему будущего человека (не рекордсмена), для массового передвижения автомобилей со скоростями около 200 км/час потребуются магистрали нового типа, весьма широкие, прямые и полностью изолированные от встречного и всякого иного движения. Каждое направление движения должно иметь по крайней мере четыре полосы, по две для машин каждой группы, с учетом возможного обгона.
В отличие от прочих автомобилей, гоночные и рекордные машины, преследующие спортивные цели и цели испытания новых механизмов и материалов в условиях повышенных напряжений, должны развиваться в направлении все более высоких скоростей. Автомобили высшего класса должны иметь известный запас не только мощности, но и скорости.
Тот, кто сделает из этого разбора поспешный вывод о приближении автомобиля к пределу его развития, совершит большую ошибку.
Нет сомнения в том, что современные конструкторы могут обеспечить автомобилям практически любую скорость. Однако главное их внимание должно быть уделено достижению экономичности, долговечности, безопасности, комфортабельности быстроходных автомобилей, а также увеличению удобства управления ими и их обслуживания.
Намеченные значения наибольшей скорости должны быть достигнуты наиболее дешевыми средствами:
нужно снизить вес автомобиля
улучшить его обтекаемость
повысить к. п. д. силовой передачи
При создании быстроходных автомобилей перед конструкторами встанут новые задачи. К ним относятся вопросы борьбы с:
шумом и вибрацией
боковой устойчивости автомобилей, в особенности — против действия аэродинамических сил
видимости пути
уменьшения потерь энергии на взбалтывание масла в системе силовой передачи
и др.
Если некоторые из перечисленных вопросов уже в какой-то степени разработаны в результате конструирования и испытания гоночных автомобилей, то для других требуется совершенно новый подход. Так, особое внимание придется уделить не только собственно обтекаемости кузова, но и уменьшению свиста воздуха; не только размерам ветрового окна, но и качеству стекла (не исключена необходимость в особой оптической характеристике стекла) и т. д. Каждая из этих задач, как и определение полного их перечня, заслуживает подробного самостоятельного рассмотрения.
Прежде чем ответить на этот вопрос, опытный водитель сам спросит: «А в каких условиях?» Уже известно, что на расход топлива влияют вес автомобиля и его обтекаемость. Качество дороги, скорость движения, характеристика двигателя тоже сказываются на расходе топлива.
Рис. Расход топлива в различных дорожных условиях (экономическая характеристика автомобиля «Москвич-402»). Штриховой линией показана экономическая характеристика, полученная на асфальтовом шоссе опытным путем.
Чтобы судить об изменении расхода в разных условиях движения, применяют экономическую характеристику автомобиля. На горизонтальной оси графика откладывают скорость автомобиля в км/час, а на вертикальной оси — расход топлива в л/100 км; каждая кривая относится к данным условиям дороги и нагрузки. Можно, например, определить, что если автомобиль едет с полной нагрузкой по асфальтовому шоссе со скоростью 80 км/час, то при этом он расходует около 10 л/100 км.
Экономическую характеристику можно построить разными способами. Можно провести опыты по контрольному измерению расхода топлива при разных условиях и полученные данные нанести на график. При этом способе получаются правильные результаты; опыт простой, но для его проведения требуется много времени.
По другому способу строят экономическую характеристику автомобиля теоретическим, расчетным путем. Для этого нужно прежде всего знать внешнюю характеристику двигателя и экономическую характеристику двигателя при частичных нагрузках. На вертикальной оси этой экономической характеристики двигателя отложены значения удельного расхода двигателя, а по горизонтальной — процент мощности по сравнению с работой при полном открытии дроссельной заслонки; каждая кривая относится к определенному числу оборотов вала двигателя. Далее нужно подсчитать мощности, затрачиваемые на преодоление сопротивлений, и построить график баланса мощностей.
Рис. К определению расхода топлива (автомобиль Москвич-402»).
Из баланса мощностей видно, какую мощность Ne двигатель может развить (верхняя кривая) и какая мощность нужна для движения (сумма мощностей сопротивлений Nz). Для любой скорости легко подсчитать, какую часть (в процентах) составляет нужная мощность от возможной. Теперь, зная процент использования мощности (% Nе) и число оборотов двигателя nе, при данной скорости, можно по графику определить удельный расход двигателя.
Наконец, подсчитываем расход топлива Q автомобилем по формуле:
Q = ge*Nz / 10Va*n*y л/100 км,
где Va — скорость автомобиля в км/час; n — коэффициент полезного действия трансмиссии; y — удельный вес топлива.
Подсчитав Q для разных скоростей и для разных дорог или нагрузок, можно построить график экономической характеристики автомобиля.
В большинстве случаев водитель не нажимает на педаль подачи топлива до отказа. При этом увеличиваются относительные внутренние потери энергии в двигателе на каждую отданную лошадиную силу мощности, поэтому удельный расход топлива ge г/э. л.с.ч. тем больше, чем больше прикрыта дроссельная заслонка. Когда водитель желает увеличить скорость, он сильнее нажимает на педаль, что приводит к увеличению общего расхода топлива; но при этом настолько повышается мощность, что удельный расход топлива уменьшается. Этим объясняется уменьшение удельного расхода топлива автомобилем при увеличении скорости от малой к средней.
Для движения с большой скоростью нужно преодолеть возрастающие сопротивления качению и воздуха и для этого надо сжечь больше топлива. Поэтому при переходе от средних скоростей движения к большим наблюдается увеличение расхода топлива. Вот теперь, глядя на экономическую характеристику, можно дать ответ на поставленный в заголовке, вопрос: с точки зрения расхода топлива лучше поддерживать такую скорость, при которой расход топлива будет наименьшим.
Рис. Экономические характеристики отечественных автомобилей при движении по асфальтовому шоссе, вверху — для легковых автомобилей, внизу — для грузовых.
Каждый водитель должен знать наивыгоднейшую в экономическом отношении скорость движения данного автомобиля. Пользуясь накатом, можно в ряде случаев значительно понизить средний эксплуатационный расход топлива. Но накат целесообразен в условиях, когда разгон может быть достаточно интенсивным, а движение на холостом ходу — продолжительным и не связанным с быстрым падением скорости. Эти условия: движение по хорошей ровной дороге с большой скоростью, движение с частыми остановками, движение с чередующимися подъемами и уклонами.
Рис. Путь наката значительно больше пути разгона.
Нужно учитывать, что в период разгона двигатель расходует значительно больше топлива, чем при движении с постоянной скоростью. Это объясняется специальным обогащением рабочей смеси, а также и более низким к.п.д. двигателя при непостоянном режиме. Кроме того, увеличиваются потери на сопротивление разгону. Вот почему движение накатом невыгодно применять, если нужны частые разгоны при малой продолжительности наката.
Решать, нужно ли применять движение методом «разгон—накат», лучше всего опытным путем в каждом отдельном случае. Когда автомобиль идет по шоссе, где возможно продолжительное движение с большой, но не максимальной скоростью, т.е. при этом еще имеется запас мощности, целесообразно, чтобы двигатель работал при оборотах вала, соответствующих наименьшему расходу топлива или близких к ним. Для этого нужно уменьшить передаточное число главной передачи или предусмотреть в коробке передач, кроме прямой передачи, еще и повышающую. Так сделано, например, в конструкции коробки передач автомобиля ЗИЛ-150. Снижением оборотов вала двигателя достигается и другой экономический эффект — двигатель работает на спокойном режиме, износ его частей невелик. Уменьшение передаточного числа главной передачи представляется более простой мерой, но при этом получается замедленный разгон автомобиля. Эту меру применяют при наличии в коробке передач сравнительно большого числа ступеней, или при установке на автомобиль автоматической коробки передач вместе с жидкостным трансформатором (гидротрансформатором).
Мы затронули только самые главные моменты, связанные с расходом топлива — вес автомобиля, его обтекаемость, скорость движения, использование наката, передаточные числа силовой передачи. Не останавливаясь подробно на всех прочих элементах, можно только отметить, что на расход топлива отрицательно влияет все, что хоть сколько-нибудь затрудняет движение автомобиля: пониженное давление в шинах, чрезмерное трение в системе силовой передачи, перегрев и переохлаждение двигателя, большое сопротивление дороги, встречный и боковой ветер, даже удобство посадки водителя и плавность хода. Для примера укажем, что на работу подвески тоже расходуется энергия двигателя, переданная движущемуся автомобилю, колесам, а при их наезде на неровность — подвеске.
Водитель может сделать из сказанного некоторые практические выводы. Он должен заботиться о сокращении расходов топлива, не только поддерживая правильные регулировку и тепловой режим работы двигателя, устраняя излишний вес автомобиля и улучшая его обтекаемость поддерживая достаточную смазку органов силовой передачи и правильную затяжку подшипников, но соблюдая установленное давление в шинах (и, возможно, увеличивая его при дальних рейсах по хорошим дорогам), своевременно используя инерцию автомобиля, а также добиваясь плавной, спокойной работы автомобиля в различных дорожных условиях.
Круиз-контроль — это система автоматического регулировании скорости — идеальный пример системы управления с замкнутым контуром. На рисунке приведена блок-схема системы. Назначение системы автоматического регулирования скорости состоит в том, чтобы водитель мог устанавливать скорость транспортного средства и указать системе автоматически поддерживать эту скорость.
Рис. Блок-схема системы автоматического регулировании скорости с замкнутым контуром управления, или круиз-контроль
Система реагирует на измеренную скорость транспортного средства и соответственно регулирует дроссельный клапан. Время реакции важно, чтобы не возникало ощущение, что скорость автомобиля «плавает» вверх и вниз.
В систему включены и другие средства обеспечивающие, например, постепенное увеличение или уменьшение скорости при касании кнопки. Большинство систем также запоминает последнюю заданную скорость и восстанавливает эту скорость снова при касании кнопки.
Список функциональных требований к хорошей системе автоматического регулирования скорости выглядит примерно следующим образом:
поддерживать скорость транспортного средства на заданном значении
поддерживать скорость с минимальным отклонением от заданной
обеспечивать возможность изменения скорости транспортного средства
немедленно отменять режим круиз-контроля при срабатывании тормоза
сохранять значение последней установленной скорости
иметь встроенные в систему средства обеспечения безопасности
Описание системы круиз-контроля
Главный выключатель включает систему автоматического регулировании скорости, а она, в свою очередь, контроль системы зажигания. Большинство систем не сохраняет заданную скорость в памяти, когда главный выключатель выключен. Действие выключателя Set (установка) записывает заданное значение скорости в память программы, но обычно задание будет работать, если только оно отвечает примерно следующим условиям:
скорость транспортного средства больше 40 км/ч
скорость транспортного средства меньше 12 км/ч
изменение скорости меньше, чем 8 км/ч в секунду
автоматика должна находиться в режиме «движение»
тормоза или сцепление не задействованы
обороты двигателя стабильны
Как только система установлена, скорость поддерживается с отклонением в пределах 3-4 км/ч, пока не будет отключена нажатием на педаль тормоза или педаль сцепления, нажатием на кнопку выключателя Resume или выключением главного выключателя круиз-контроля. Последний «набор скорости», сохраняется в памяти, кроме тех случаев, когда был отключен главный выключатель.
Если система автоматического регулирования скорости снова потребуется водителю, тогда при нажатии кнопки Set будет поддерживаться текущая скорость транспортного средства, а при нажатии кнопки Resume скорость транспортного средства будет изменена до предыдущей скорости Set. Во время движения на заданной скорости водитель может нажать и держать кнопку Set, чтобы ускорить транспортное средство, пока желательная скорость не будет достигнута, и зафиксировать ее в момент отпускания кнопки.
Компоненты круиз-контроля
Ниже перечислены основные компоненты типовой системы круиз-контроля.
Приводной механизм
Для управления положением дроссельной заслонки используются несколько способов. Автомобили, оборудованные электрическими системами вождения, позволяют автоматической системе управления скоростью работать с тем же самым приводным механизмом. Для управления заслонкой по электрическому кабелю может быть использован электромотор или же вакуумная диафрагма, которая управляется тремя простыми клапанами, это довольно часто применяемый способ. Этот технический прием показан на рисунке.
Рис. «Вакуумный» привод системы автоматического регулирования скорости
Когда скорость необходимо увеличить, открывается клапан «х», создавая и низкое давление по одну сторону диафрагмы со стороны впускного отверстия коллектора. Атмосферное давление на другой стороне передвинет диафрагму и, следовательно, связанный с ней дроссельный клапан. Чтобы передвинуть диафрагму в другую сторону, клапан «х» закрывается, а клапан «у» открывается, позволяя атмосферному давлению войти в камеру. Пружина перемещает диафрагму назад. Если оба клапана закрыты, положение дроссельного клапана не изменяется. Обычно клапан «х» закрыт, а клапан «у» открыт; таким образом, в случае неисправности в кабеле управления круиз-контроль останется незадействованным и вакуум в коллекторе не будет нарушен. Клапан «х» обеспечивает дополнительное средство безопасности и управляется педалью тормоза или сцепления.
Главный выключатель и лампочка предупреждения
Главный выключатель — это простой выключатель «Вкл/Выкл», расположенный на приборной панели в пределах легкой досягаемости водителя. Лампа предупреждения может быть частью этого выключателя или частью главного дисплея приборной доски.
Кнопки выключателей Set и Resume
Эти кнопки установлены или на руле, или на рукоятке, отходящей от рулевой колонки. Когда выключатели входят в состав руля, для передачи сигнала необходимы контактные кольца. Кнопка Set программирует скорость в память и может также использоваться, чтобы увеличить скорость транспортного средства и значение скорости в памяти. Кнопка Resume позволяет водителю дать транспортному средству команду двигаться с последней заданной скоростью или временно дезактивировать контроль.
Выключатель, связанный с тормозами
Этот выключатель очень важен, поскольку торможение было бы опасно, если бы система автоматического регулирования скорости пыталась поддержать скорость транспортного средства. Этот выключатель обычно изготавливается с максимальной надежностью и устанавливается в месте расположения тормозной педали или дополнительно к выключателю тормозного сигнала, активизируемому педалью тормоза. Крайне важна правильная регулировка этого выключателя.
Выключатель, связанный со сцеплением или автоматической коробкой передач
Данный выключатель устанавливается аналогично выключателю на педали тормоза. Он дезактивирует систему круиз-контроля, чтобы предотвратить увеличение скорости двигателя при нажатой педали сцепления. Выключатель на автоматической коробке передач позволит системе круиз-контроля действовать лишь тогда, когда она находится в положении «Движение». Это сделано для того, чтобы предотвратить превышение скорости двигателя, которое могло иметь место, если бы система автоматического регулирования скорости попыталась ускорить автомобиль при положении селектора передач «1» или «2». Коробка передач будет менять передачи при ускорении автомобиля до установленной скорости, пока она «знает», что доступна более высокая передача.
Датчик скорости
В качестве датчика скорости обычно используется датчик спидометра. В противном случае применяются несколько типов датчиков — самый распространенный тип создает импульсный сигнал, частота которого пропорциональна скорости транспортного средства.
Адаптивная система круиз-контроля
Обычная система автоматического регулирования скорости теперь достигла высокой степени совершенства. И все же она не всегда практична на многих европейских дорогах, так как постоянно меняется скорость общего потока движения, и движение это часто очень интенсивное. Водитель во многих случаях вынужден выходить из системы круиз-контроля, чтобы ускорить или замедлить движение.
Рис. Принцип действия адаптивной системы круиз-контроля
Адаптивная система круиз-контроля может автоматически регулировать скорость транспортного средства соответственно возникающей транспортной ситуации. На рисунке показано действие такой системы. Система действует, исходя из трех главных целей:
поддерживать скорость, которая установлена водителем
адаптировать эту скорость и поддерживать безопасное расстояние от впереди идущих машин
предупреждать водителя, если возникает риск столкновения
Рис. Блок-схема адаптивной системы круиз-контроля
Главные компоненты базовой и более сложных адаптивных систем круиз-контроля показаны на рисунке. Отметим, что главными дополнительными компонентами являются датчик «перспективы» (headway) и датчик угла поворота руля; понятно, что первый из них — самый важный. Информация об угле поворота используется, чтобы расширить информативность датчика «перспективы», что позволяет получить большее различие между сигналами опасности и сигналами ложной тревоги. Используются два типа датчика «перспективы» — это радар к лидар. Оба содержит модули передатчика и приемника. Радарная система использует микроволновые сигналы частотой 35 ГГц. Время их отражения дает расстояние до впереди идущего объекта. Лидар использует светодиод, чтобы создать световые инфракрасные сигналы, отражения которых обнаруживаются фотодиодом.
Эти два типа датчиков имеют свои преимущества и недостатки. Радарная система не восприимчива к дождю и туману, но лидар может показать большую избирательность при распознавании стандартных отражателей на задней стороне впереди идущего транспортного средства. Луч радара может давать сильные отражения от мостов, деревьев, указателей и прочих обычных придорожных объектов. Достоверность показаний радара может также пострадать от потери обратного сигнала вследствие отражений, полученных при различных направлениях прохождения волн. В идеальных погодных условиях система лидара кажется лучшей, но она становится очень ненадежной, когда погода меняется. Расхождение луча приблизительно 2,5″ по вертикали и горизонтали, как оказалось, является наиболее подходящим независимо от того, какой датчик «перспективы» используется.
Важное обстоятельство, которое следует учитывать, состоит и том, что сигналы от других транспортных средств оборудованных такой же системой, не должны приводить к ошибочным результатам. Адаптивная система круиз-контроля в принципе функционирует так же, как и обычная система, кроме, и это существенно, тех случаев, когда сигнал от датчика «перспективы» обнаруживает преграду — в этом случае скорости транспортного средства уменьшается. Если оптимальный тормозной путь нельзя обеспечить только за счет реверса дроссельного клапана, водителю следует сигнал предупреждения. Более сложная система может также взять под свой контроль трансмиссию и тормоза автомобиля, но хотя это и весьма многообещающая идея — она далеко еще не дошла до необходимого уровня совершенства. Важно отметить, что адаптивная система автоматического регулирования скорости разработана для того, чтобы уменьшить бремя, лежащее на водителе, но не брать на себя полный контроль над автомобилем!
Рис. Компоненты системы электрический педали газа (Источник: Bosch Press)
Концепция электрической педали газа уже принята и применяется на многих автомобилях. Эта концепция включает инжекцию, рециркуляцию выхлопных газов (EGR), электрический наддув и электрический дроссельный клапан (иногда называемый ETC). Инжекторами много лет управляли с помощью электричества, как и приводом для системы EGR. В системе электрического дросселя датчик и привод заменяют традиционный трос. Датчик, в большинстве случаев, — переменный резистор с подходяще натянутой пружиной, чтобы поддерживать соответствующую чувствительность педали. Конструкции привода меняются, но шаговый электродвигатель — традиционный выбор, обусловленный его управляемостью.
Электрический наддув — интересная разработка, она особенно полезна для двигателей с прямой инжекцией бензина, где улучшает работу в целом и к тому же предотвращает «турбозадержку». Развитие систем электрической педали газа будет продолжаться вследствие давления на производителей по уменьшению эмиссии СО2. Это приведет к развитию малогабаритных и более эффективных двигателей.
Средняя техническая скорость движения автомобилей и тракторов равна:
V = L/T ,где L — расстояние пробега в км
Т — время движения в часах по всему маршруту длиной L км, без учета времени на остановках
Установлено, что средняя техническая скорость движения автомобиля зависит от многих факторов и в частности от проходимости автомобиля, его максимальной конструктивной скорости Vк, от качества и состояния дороги, интенсивности движения и др. Рекомендуется определять среднюю скорость движения автомобиля с учетом неровностей на дороге. В этом случае допустимая средняя скорость принимается равной при движении по хорошему гудронированному шоссе — 70 км/час, по требующему ямочного ремонта — 55 км/час, по мостовой в хорошем состоянии — 37 км/час, по требующей ямочного ремонта — 22 км/час.
На основании практических данных можно считать, что для грузовых автомобилей с полной полезной нагрузкой средняя техническая скорость движения в составе автоэшелона составляет:
На очень хороших дорогах — около 0,8—0,9 Vк
На хороших дорогах — 0,6 Vк
На плохих дорогах — 0,2 Vк
На очень плохих дорогах — 0,1 Vк
Для тракторных поездов с тракторами сельскохозяйственного типа во время движения по большинству дорог средняя техническая скорость составляет около 0,8 — 0,9 Vк. Средняя техническая скорость движения легковых автомобилей примерно на 30% выше соответствующей скорости грузовых автомобилей.
Средняя техническая скорость движения группы автомобилей (эшелона) по сравнению со средней технической скоростью движения одиночно двигающихся автомобилей уменьшается (за исключением случаев движения по очень плохим дорогам) вследствие задержек движения на отдельных участках маршрута.
Для того чтобы увеличить среднюю скорость движения автомобилей в составе эшелона и уменьшить задержки в движении, необходимо соблюдать следующие требования:
Дистанции между автомобилями и между эшелонами должны выдерживаться пропорционально средней технической скорости движения как на легких, так и на трудных участках пути.
При значительном количестве на дороге (на маршруте) местных препятствий, на которых приходится уменьшать скорость движения, и при значительной длине участков с такими препятствиями средняя скорость движения для эшелонов будет уменьшаться и приближаться к скорости движения по участкам с препятствиями.
Для увеличения средней скорости движения эшелонов в данном случае необходимо уменьшать состав эшелона.
Эксплуатационные свойства оценивают, сравнивая их показатели с определенными значениями, принятыми в качестве базовых. Часть показателей имеет нормированные ОСТами и ГОСТами значения, для остальных — экспериментальным или расчетным путем определяют среднестатистические или экстремальные эксплуатационные значения показателей автомобилей-аналогов. Используют различные единичные показатели тягово-скоростных свойств, каждый из которых позволяет оценивать их в какой-либо ситуации движения, принимаемой за типичную.
Наиболее употребительными и достаточными для сравнительной оценки являются следующие показатели:
максимальная скорость. По технико-эксплуатационным требованиям к грузовым автомобилям и автопоездам общего назначения нижний предел, nmw для одиночного автомобиля не менее 100 км/ч, для автопоезда не менее 80 км/ч
условная максимальная скорость. Это средняя скорость автомобиля на последних 400 м при его разгоне с места на участке 2 000 м при интенсивном разгоне с места
время разгона на пути 400 и 1 000 м. Для грузовых автомобилей до скорости 60 км/час, легковых 100 км/час
время разгона до заданной скорости
скоростная характеристика разгон—выбег. Эта характеристика определяет время разгона от 0 до максимальной скорости на участке 2000 м. Разгон осуществляется с передачи, используемой при трогании с места. Подача топлива в процессе разгона максимальная
скоростная характеристика разгона на высшей передаче
скоростная характеристика на дороге с переменным продольным профилем. Представляет собой зависимость средней скорости движения от максимально допустимой на проезде измерительного участка протяженностью 10…15 км. Участок должен иметь прямолинейный профиль, причем на нем должно быть не менее одного подъема и спуска длиной 600 …800 и крутизной не менее 4%
минимальная устойчивая скорость – определяется на высшей передаче
максимальный преодолеваемый подъем. Определяется на низшей передаче. Для грузовых одиночных автомобилей с полной нагрузкой подъем 25% и автопоездов 18%
установившаяся скорость на затяжных подъемах. Устанавливается для грузовых автомобилей с полной нагрузкой при движении по сухому твердому ровному покрытию 30 км/час на подъеме 3% протяженностью не менее 3 км при установившейся скорости
ускорение при разгоне
сила тяги на крюке
длина динамически преодолеваемого подъема
Этот показатель определяет верхний предел скоростных свойств на ограниченном пути.
Тягово-скоростные свойства автомобиля — это совокупность свойств, определяющих возможные по характеристикам двигателя или сцепления ведущих колес с дорогой диапазоны изменения скоростей движения и предельные интенсивности разгона автомобиля при его работе на тяговом режиме в различных дорожных условиях. Тяговым принято считать режим, при котором от двигателя к ведущим колесам подводится мощность, достаточная для преодоления сопротивления движению.
Выполняя транспортную работу, водитель выбирает скорость движения, исходя из эксплуатационных условий. Этот выбор ограничен диапазоном скоростей от максимальной, определяемой максимальной мощностью двигателя или сцеплением ведущих колес с дорогой, до минимальной по условиям устойчивой работы двигателя. Чем тяжелее дорожные условия, тем более узок этот диапазон и меньше возможные ускорения. В некоторых условиях диапазон снижается до единственно возможного значения скорости — такие дорожные условия являются предельными. В более тяжелых дорожных условиях движение невозможно.
