Jakie siły oporu działają na samochód podczas jazdy

W danych technicznych samochodów często możemy natrafić na współczynnik oporu powietrza Cx, uwzględniany m.in. przy obliczeniach. Czy to wszystkie opory, jakie występują podczas jazdy autem?

Opory ruchu to wszystkie siły przeciwdziałające ruchowi pojazdu. Możemy zaliczyć do nich przede wszystkim:

• siłę oporu aerodynamicznego (zależna od wspomnianego współczynnika oporu aerodynamicznego Cx danego pojazdu, prędkości ruchu i powierzchni czołowej pojazdu);
• siłę oporu toczenia;
• siłę oporu związanego z pokonywaniem wzniesień;
• siłę bezwładności (zależną od masy pojazdu i zmian prędkości występujących w czasie przyśpieszenia);
• siłę tarcia wewnętrznego (tarcia występujące w układzie przeniesienia napędu, czyli w mechanizmie różnicowym, skrzyni biegów, łożyskach kół itd.).

Opona samochodu poddawana jest cyklicznym odkształceniom, które powodują, że w czasie jej obrotu każdy punkt opony się odkształca. Pozwala to na amortyzację nierówności drogi, a co najważniejsze, zapewnia przyczepność opony do nawierzchni. W wyniku cyklicznych odkształceń dochodzi do rozpraszania energii, które jest powodem powstawania oporów toczenia. To rozproszenie energii stanowi w 90% o oporach toczenia. Odkształcenia związane z oponą dzieli się przy tym na: ściskanie bieżnika, zginanie czoła i boków opony, ścinanie bieżnika i boków oraz tzw. mikropoślizg.

Zjawisko mikropoślizgu występuje m.in. między oponą i nawierzchnią drogi. Jest ono związane bezpośrednio ze zjawiskiem przyczepności. Udział tego zjawiska w oporze toczenia, przy ruchu jednostajnym samochodu, nie przekracza 5%. Jest on znacznie większy w przypadku zmian ruchu pojazdu (przyspieszenie, hamowanie). Oporem związanym z oporami toczenia jest też opór aerodynamiczny opony. Jest on odpowiedzialny za maksymalnie do 15% wartości całkowitej oporów toczenia.

Opór toczenia można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

Ft=ft*G

Ft – opór toczenia

ft – współczynnik oporów toczenia

G – siła ciężkości

Współczynnik oporów toczenia obliczamy ze stosunku przesunięcia reakcji podłoża na oponę f oraz promienia dynamicznego opony rd:

Ft=f/rd

f – punkt przyłożenia siły reakcji podłoża,

rd – promień dynamiczny opony.

Do obliczeń wykorzystywany jest promień dynamiczny opony. Umożliwia on większą dokładność prowadzonych obliczeń. Podczas ruchu opona zmienia swój rzeczywisty promień. Jest to spowodowane np. obciążeniem opony masą pojazdu (wpływa to na odkształcanie czoła opony w strefie kontaktu z nawierzchnią), mieszanką opony, średnicą zewnętrzną opony, ciśnieniem wewnętrznym czy prędkością pojazdu.

Promień dynamiczny obliczany jest z poniższego uproszczonego wzoru:

Rd=0.97(H+r)*

rd – promień dynamiczny

H – wysokość opony, którą można wyznaczyć jako iloczyn szerokości opony i jej profilu

r - promień obręczy koła

Poniższy rysunek przedstawia odkształcenia powstające podczas styku opony z nawierzchnią jezdni oraz występujące w takim przypadku siły.

Objaśnienia:

P – siła napędowa

Q – siła ciężkości

r – promień

rd – promień dynamiczny

T – siła tarcia

N – reakcja podłoża

f – przesunięcie

Należy podkreślić ważność oporu toczenia opony na mokrej nawierzchni. Jest to zjawisko spotykane przy gorszej pogodzie (podczas opadów deszczu), w szczególności na drogach, na których występują koleiny. Opór toczenia to to siła potrzebna do usunięcia wody spod koła pojazdu. Jest ona zależna od objętości cieczy usuwanej spod koła pojazdu w czasie:

Fm=b*V[sup]n[/sup]

b - szerokość opony

V – prędkość

Wartość wykładnika potęgi prędkości w powyższym wzorze zmienia się zależnie od wartości grubości warstwy wody zgromadzonej na jezdni. Na przykład dla grubości warstwy wody do 0,5 [mm] n = 1.6. Opory toczenia są istotnymi oporami ruchu samochodu. Od nich w dużym stopniu zależy m.in. zużycie paliwa, przyczepność samochodu i jego prowadzenie. Ze względów bezpieczeństwa, a także ekonomicznych zalecane jest minimum raz w miesiącu sprawdzenie ciśnienia w oponach. Warto też kontrolować stan ogumienia, ponieważ ma on wpływ na nasze bezpieczeństwo.

Opór aerodynamiczny to nic innego jak opór powietrza stawiany poruszającemu się samochodowi. Wynika on z parcia powietrza na nadwozie pojazdu. Duże znaczenie w kwestii wartości oporu powietrza ma prędkość pojazdu. Wpływa ona znacząco na wartości siły tego oporu przy wyższych prędkościach jazdy. Opór powietrza stanowi około połowy sumy oporów ruchu pojazdu

Gęstość powietrza zależy od temperatury i ciśnienia otoczenia.

Wzór na siłę oporu aerodynamicznego:

Fp=0.5ρ*V[sup]2[/sup]ACx

Fp – siła oporu aerodynamicznego

ρ – gęstość powietrza (1,293 kg/m[sup]3[/sup] przy T= 273 K i P=0,1 MPa)

V – prędkość pojazdu

A – powierzchnia czołowa pojazdu

Cx – współczynnik oporu powietrza

Jak można zauważyć, im większa powierzchnia czołowa pojazdu, tym większy opór aerodynamiczny. Szczególne znaczenie ma to w przypadku drogowych pojazdów ciężkich. Współczynnik Cx zależy od kształtu, opływowości nadwozia samochodu. Dlatego większość firm produkujących samochody dąży do osiągnięcia jak najmniejszego współczynnika oporu powietrza. Ze względów konstrukcyjnych największy wpływ na wartość Cx mają:

• opory profilowe (kształt pojazdu w przekroju wzdłużnym), ok. 60% całkowitego oporu aerodynamicznego;
• opory indukcyjne (kształt powierzchni bocznej), ok. 8% całkowitego oporu aerodynamicznego;
• opory tarcia, ok. 10% całkowitego oporu aerodynamicznego;
• opory \zakłóceń\ (nierówności karoserii), ok. 12% całkowitego oporu aerodynamicznego;
• opory układu chłodzenia i wentylacji, ok. 10% całkowitego oporu aerodynamicznego.

Ciekawostka: skrzydło samolotu ma współczynnik oporu powietrza Cx = 0,05. Dla porównania samochód typu coupé ma współczynnik oporu powietrza Cx równy 0,3-0,4.

W terenie górskim (ale nie tylko) często trzeba pokonywać wzniesienia. Jakie siły działają na pojazd podczas ruchu na wzniesieniu? Na rys. 2 przedstawiono rozkład sił przy pokonywaniu wzniesienia przez pojazd (opór pokonywania wzniesień przyjęło się rozpatrywać na wzniesieniu nachylonym pod kątem α, wysokości h oraz długości 100 m).

Siła oporu wzniesienia to nic innego jak składowa ciężaru samochodu równoległa do nawierzchni jezdni:

Fw=G*sinα

Podczas poruszania się pojazdu pod górę siła oporu toczenia ma postać:

Ft=Gcosαft

Dwie powyższe siły można zsumować. Ich sumę nazywa się potocznie oporem drogi.

Fφ=Fw+ft

Fφ=Gsinα+Gcosαft*

Fφ=Gcosα(ft(sinα/cosα))*

Pominiecie funkcji cos jest możliwe do nachyleń drogi do 30%, ponieważ funkcja cosinusa takiego kąta jest bliska jedności.

Fφ≈G(ft+tanα)*

Fφ≈G(ft+(h/100))*

φ=(ft+(h/100))

Wynika z tego, że siła oporów wzniesienia jest zależna od ciężaru pojazdu oraz współczynnika oporów drogi:

Fφ=G*φ

Według przepisów w zależności od rodzaju drogi dopuszczalne są maksymalne wzniesienia drogi. I tak na przykład:

• dla dróg lokalnych h = 10%;
• dla dróg krajowe h = 5%;
• dla autostrad h = 4%.

H > 10 % dopuszczalne jest dla górskich dróg.

Opór bezwładności

Siły bezwładności, z jakimi możemy się spotkać podczas ruchu pojazdu, to:

• siła bezwładności podczas ruszania pojazdu,
• siła bezwładności podczas hamowania pojazdu,
• siła odśrodkowa,
• siła Coriolisa - pojawia się, gdy opisujemy ruch ciała z poziomu obracającego się układu odniesienia.

Siła oporu bezwładności opisana jest wzorem (przy przyspieszeniu):

FB=mad

m - masa pojazdu

a - przyspieszenie

d = 1 + 0,07 * is[sup]2[/sup]

is[sup]2[/sup] - przełożenie skrzyni biegów

Dążenie inżynierów firm motoryzacyjnych do ograniczenia oporów ruchu pojazdów sprawia, że samochody idące z duchem czasu mają coraz bardziej aerodynamiczne kształty (dla obniżenia współczynnika Cx) i coraz bardziej innowacyjne rozwiązania techniczne mechanizmów przeniesienia napędu (zmniejszanie sił tarcia wewnętrznego). Stosowane nowoczesne materiały wpływające na zmniejszenie oporów tarcia jak np. opony o mniejszym oporze toczenia, wpływają bezpośrednio na zmniejszenie w pojazdach traconej energii.