Model jízdy vozidla s využitím úplné charakteristiky motoru Diplomová práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Model jízdy vozidla s využitím úplné charakteristiky motoru Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera Ph.D. Vypracoval: Bc. Ondřej Gogolín Brno 2010

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma. vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. dne. podpis diplomanta.

3 Chtěl bych touto cestou poděkovat Ing. Jiřímu Čuperovi Ph.D., za odborné vedení, cenné rady a připomínky při zpracování této diplomové práce. A také za způsob výuky a přístup k nám, studentům.

4 ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá působením sil na vozidlo při jízdě. Zahrnuje definici silových účinků a jejich vlivů včetně ztrátových odporů, které je nutné překonat k pohybu vozidla. Podrobně ji se zaměřuje na ztrátové síly a detailněji rozvádí jejich působení a možnosti jejich regulace či omezení. Součástí je i rozbor současných trendů a směrů ve vývoji a konstrukci automobilů související s výše uvedeným silovým působením. Pojednává o možnosti alternativních pohonů vozidel a jejich vlivu na jízdní dynamiku automobilu. Nastiňuje způsob modelování jízdy vozidla a možnosti využití v praxi. Experimentální část se zaměřuje na měření reálného vozidla (zkouška hnacího ústrojí dynamickou a statickou metodou) a na vyhodnocení dílčích naměřených parametrů pomocí úplné charakteristiky motoru. Klíčová slova: dynamika, odpor, jízdní, ztráta, vozidlo, síla ABSTRACT This thesis deals with the forces effecting the vehicle while driving. It includes the definition of force impacts and their effects, including loss resistance, which must be overcome to move the vehicle. Thesis focuses in detail on the loss of power and specify their impact and expands the possibilities of their regulation or restriction. It also includes analysis of current trends and directions in the development and construction vehicles associated with above mentioned force interaction. Thesis discusses the possibility of alternative propulsion vehicles and their impact on driving dynamics of the car. It outlines a method for modeling the driving of vehicle and the possibilities of practical use. The experimental part focuses on the measurement of a real car (testing drivetrain by dynamic and static method) and evaluation of measured partial parameters with help from full charakteristics of the engine. Keywords: dynamics, resistance, handling, loss, vehicle, power

5 OBSAH ABSTRAKT ÚVOD CÍL PRÁCE SÍLY PŮSOBÍCÍ NA VOZIDLO HNACÍ SÍLA - HNACÍ VÝKON ZTRÁTOVÉ SÍLY Odpor valení Soudržnost pneumatiky a podložky Současné trendy ve snižování valivého odporu Odpor vzdušný Vývoj a současnost v aerodynamice motorových vozidel Odpor stoupání Odpor zrychlení Odpor přívěsu Celkový jízdní odpor a hnací síla FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ JÍZDNÍ DYNAMIKU EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ KONSTRUKCE VÁLCOVÉHO DYNAMOMETRU 4VDM E120-D PROVÁDĚNÁ MĚŘENÍ NA DYNAMOMETRU 4VDM E120-D SIMULAČNÍ PROGRAM V MS EXCEL POUŽITÁ MĚŘÍCÍ ZAŘÍZENÍ ZÁVĚR... 54

6 1. ÚVOD Od doby, kdy vznikly první modely automobilů, již uplynulo takřka jedno století. Během této doby se materiálová i technická základna pro jejich výrobu značně vyvinula a posunula tak užitné i ergonomicko-estetické vlastnosti na zcela jinou úroveň. Tento vývoj šel ruku v ruce s požadavky kladenými na automobily, které se tak staly nejen užitečným pomocníkem, ale i koníčkem a radostí pro miliony lidí. Avšak kromě rozličných uživatelských hledisek mají automobily jednu společnou a cílovou charakteristiku. Jízdu. Pohyb byl vlastně oním důvodem pro sestrojení prvních automobilů. Jízda je tedy společným jmenovatelem pro všechny typy a ročníky vozidel a je jejich prvotním projevem. Existuje ovšem mnoho faktorů, které tuto pohybovou dynamiku ovlivňují. Mezi ty základní patří vlastní chování řidiče, úzce související s bezpečností provozu i jeho ekonomickou stránkou. Řidič je ten, kdo udílí vozidlu směr, rychlost a při neočekávané poruše provádí jejich korekce. Vzniklé poruchy tak můžeme rozdělit na vnější (nerovnosti, sklon vozovky, trasa silnice) a vnitřní (rozdílné brzdné síly). Automobil je tedy ovládán zrychlováním (brzděním) a řízením, které ovšem nemusí být regulováno s takovou přesností a v takových hodnotách, jaké by byly žádoucí. Při řešení dynamiky automobilu je tedy třeba znát i reakce řidiče (např.: reakce na překážku a následné brzdění). Jedním z dalších aspektů je prostředí provozu vozidla, v mnohých případech silně ovlivňující jeho charakteristické pohybové vlastnosti. Silný déšť, náledí či sněhová pokrývka tak dovedou zcela změnit dynamiku vozidla, i jeho ovladatelnost. Tyto vlivy ovšem nelze matematicky vhodně zaznamenat a vyvodit z nich konečné závěry. Mezi hlavní parametry ovlivňující jízdu vozidla tedy spíše zařadíme jeho charakteristické vlastnosti jako je tvar, výkon motoru, brzdné účinky, pohonné ústrojí apod. Všechny výše jmenované veličiny vyvolávají silové účinky, které působí na vozidlo a tím se projevují při jeho pohybu. Hlavní a dá se říci, že i nejdůležitější silou při pohybu vozidla je síla hnací, která udílí automobilu podélné zrychlení. Tato síla se projevuje díky účinku točivého momentu motoru a dynamického poloměru kola, který umožňuje přenos točivého momentu prostřednictvím kol na vozovku. Pokud bychom si chtěli rozdělit síly, které mají vliv na dynamiku jízdy vozidla, můžeme je zařadit do dvou kategorií. Do první zařadíme sílu hnací a v některých případech i odpor stoupání (resp. klesání). 6

7 Obr. 1 Příklad odporu stoupání U těchto sil si můžeme nechat přívlastek kladné, neboť nám umožňují samotnou jízdu anebo ji podporují. Na druhou stranu na automobil působí i síly opačného charakteru, nazvěme si je například ztrátové. Jsou to síly, které svým charakterem či místem účinku brání vozidlu v jízdě. Z pohledu četnosti výskytu a projevů negativních sil můžeme říci, že oproti pozitivním jsou v převaze. Tyto síly nazýváme ztrátové odpory. Mezi základní ztrátové odpory řadíme především odpor okolního prostředí (odpor vzduchu), valivý odpor, odpor stoupání a odpor zrychlení. Nesmíme však opomenout ztrátové odpory, které jsou na přenosové trase kroutícího monetu od motoru po kola dopravního prostředku. Většinou mají zanedbatelnou hodnotu, ale u některých automobilů s pohonem 4x4 mohou nabývat významných hodnot. Abychom mohli správně uchopit celou problematiku dynamiky vozidla, čili sil, které na vozidlo působí a ovlivňují jeho parametry, je třeba nejen nalézt způsob vyhodnocení těchto sil, ale i příčiny které ke vzniku těchto sil vedou. V posledních pár letech se trnem v oku ekologů i širší veřejnosti stává spotřeba paliva motorových vozidel spojená se snahou o záchranu ekologické rovnováhy. Spotřeba paliva a především z ní plynoucí emise jsou jedním z ukazatelů parametrů vozidla a souvisí i s jeho jízdními vlastnostmi a především s jízdními odpory. Pokud tedy snížíme jízdní odpory, klesne nám i spotřeba paliva a možná uvidíme i více zelenou planetu zemi. Ve světle těchto skutečností se projevují snahy o snížení jízdních odporů jako přínosné, ba přímo nutné. Nehledě na skutečnost, že provoz vozidla je 7

8 především ekonomickou zátěží pro majitele a tak i snížení spotřeby je v tomto ohledu žádoucí. Jako nejsnazší a zdánlivě jednoduché je jít cestou snížení ztrát způsobující odpor vzduchu. Schopnost vozidla lépe pronikat prostředím je dána hlavně tvarem karoserie. Čím menší je plocha o kterou se bude vzduch opírat, tím menší budou ztráty. Pozornost vývojářů v automobilkách je tedy zaměřena i na tuto oblast se snahou snížit koeficient odporu vzduchu. Je zajímavé, že pro záchranu přírody je třeba se k přírodě opět obrátit, neboť tvary ryb jsou právě těmi, které se jeví jako optimální z hlediska nejnižšího odporu při průchodu prostředím. Z technologického hlediska se ve vývoji automobilů rozeběhla implementace hybridních pohonů spojující výhody elektromotorů a spalovacích pístových motorů. Toto propojení má dopad i na celkovou charakteristiku jízdy vozidla. 2. CÍL PRÁCE Popis sil působících na vozidlo a sestavení pohybové rovnice Ztrátové síly a současné trendy snižování těchto složek Aplikace pohybové rovnice na reálné vozidlo Na základě měření ztrát vytvořit model dynamiky vozidla V programu MS Excel vytvořit program, který bude sloužit jako ukázka vlivu změny parametrů na dynamiku vozidla 3. SÍLY PŮSOBÍCÍ NA VOZIDLO Tyto síly se dělí podle smyslu a velikosti jejich působení vzhledem k pohybu vozidla. U vozidla je předpoklad, že se pohybuje dopředu a tak všechny síly, které na něj budou působit ve směru jeho pohybu vpřed, označím jako kladné. Síly působící proti tomuto pohybu s opačným směrem působení budu označovat jako ztrátové síly (ztrátové odpory). 3.1 Hnací síla - Hnací výkon Hnací síla může být vyjádřena součtem hnacích momentů děleným dynamickým poloměrem kola a je ekvivalentem hnacího výkonu. Hnací výkon je tudíž výkon, který musí být přiváděn na kola automobilu k překonání jízdních odporů. Z důvodu určitých ztrát na převodovce, hnacích hřídelích a diferenciálech je nutné počítat dle vzorce: 8

9 M k. ic η. Fh = r d m [ N ] kde Mk představuje krouticí moment motoru, i c celkový převod a η m mechanickou účinnost motoru. Ve jmenovateli pak r d značí dynamický poloměr kola. Dynamický poloměr kola je skutečný reálný poloměr kola tj. kolmá vzdálenost středu kola od opěrné plochy, který má kolo při jízdě a případně při přenosu obvodových sil. Pro vhodné vyjádření silových účinků na vozidlo je vhodné vztáhnout tyto silové účinky na hnací kolo, díky kterému je umožněn pohyb po podložce, jelikož přenáší hnací sílu motoru. Hnací kolo má tedy důležitou funkci a na jeho provedení jsou závislé provozní vlastnosti vozidla jako je např.: dokonalost přenosu hnací síly mezi kolem a podložkou, velikost jízdního odporu, udržování jízdního směru. Na odvalující se hnané kolo působí při rovnoměrném pohybu síly uvedené na Obr. 2. Tyto síly se pak mohou lišit v závislosti na tom, po jaké podložce se vozidlo pohybuje. Především se jedná o odvalování po podložce pevné (Obr.2a) a odvalování po podložce měkké (Obr.2b). Obr. 2 Síly působící na hnané kolo Z tohoto obrázku je patrno, že silová rovnováha se bude vztahovat k červeně označenému bodu O. Do silové rovnováhy je třeba zahrnout síly působící ve směru osy X, ve směru osy Y, ale také působící momenty. Potom podmínky rovnováhy k bodu O, budou mít tvar: 9

10 F x = 0, F v F s = 0 F y = 0, G v Y v = 0 M o = 0, F v.r d c v.y v = 0 kde: Gv tíha připadající na hnané kolo [N] Yv normálová reakce podložky [N] Fv síla odporu valení [N] Mv moment odporu valení [N.m] Fs suvná síla [N] R výslednice normálové reakce a odporu valení [N] cv vzdálenost normálové reakce od osy kola [m] rd dynamický poloměr [m] Protože výsledný moment sil Y v a F v podle momentové rovnováhy ke středu kola je O je nulový, musí jejich výslednice procházet středem kola (obr. 2a). Z momentové rovnováhy poté vyplývá síla odporu valení: cv cv F v =. Yv =. G r r d d v [N] Poměr cv/rd je pro určitý typ kola téměř konstantní veličinou a nazývá se součinitelem odporu valení f. Při výpočtovém a grafickém řešení sil celého vozidla je vhodné přenést normálovou reakci od osy kola a současně zavést moment odporu valení Mv. Tento moment působí vždy proti směru odvalování kola. M v = c v. Y v = F v. r d = Y v. r d. f [N] Posunutí normálové reakce před osu kola u pneumatik odvalujících se po pevné podložce dochází zejména vlivem hysterezních ztrát v pneumatice při jejím styku s podložkou. Zatěžování a odlehčování pneumatiky probíhá rozdílným způsobem a tento rozdíl je pohlcován pneumatikou, která se tímto zahřívá. Proto je výsledná normálová reakce Y předsunuta o hodnotu c v. Na následujícím obrázku je tato hodnota vyjádřena úhlem Ψ. (Bauer, F.; 2006) 10

11 Na odvalující se hnací kolo působí při rovnoměrném pohybu síly uvedené na obr. 3. Podmínky silové rovnováhy k bodu O pak budou mít tvar: Obr. 3 Síly působící na hnací kolo Z uvedeného obrázku pak vyplývají tyto rovnice silových a momentových rovnovážných stavů. F x = 0, F s + F f - F h = 0 F y = 0, G h - Y h = 0 M o = 0, M h + r d. F v - r d. F h - c h. Y h = 0 kde : G h tíha připadající na hnací kolo F h normálová reakce podložky F v síla odporu valení F s suvná síla karoserie vozidla R výslednice normálové reakce a odporu valení c h vzdálenost normálové reakce osy od kola r d dynamický poloměr kola F h hnací síla [N] [N] [N] [N] [N] [m] [m] [N] I v tomto případě je normálová reakce Y h předsunuta před střed kola o hodnotu c h, z čehož následně vyplývá, že síla odporu valení je vyjádřena: 11

12 F v = f. Y h = f. G h [N] Z důvodu předsunutí normálové reakce do osy kola je důležité zavést moment odporu valení M v, tak jako tomu bylo v případě hnaného kola. Jeho hodnota je vyjádřena vzorcem: M v = c h. Y h [N] Z výše uvedeného vyplývá, že jízdu vozidlu umožňuje hnací moment motoru, který na hnacím kole vyvolává hnací sílu motoru, působící prostřednictvím dynamického poloměru kola na podložku. Při přenosu výkonu motoru na kola dochází ke zmaření části výkonu na převodovém ústrojí vlivem mechanických ztrát, které jsou vyjádřeny mechanickou účinností. K výpočtu celkového převodového poměru postačí znalost úhlových rychlostí, neboť jsou ekvivalentem počtu otáček klikové hřídele versus otáček hnacího kola. Celkový převodový poměr vypočteme: ω 2. π. n n i c = = = = i p. ir. i ω 2. π. n n h h h k [ ] kde: ω úhlová rychlost motoru ω h úhlová rychlost hnacího kola Maximální hnací síla motoru pak bude při maximálním točivém momentu motoru a nejvyšším převodovém poměru. Jízdu vozidla řešíme pro jednoduchost při jeho rovnoměrném pohybu, jenž v reálných podmínkách nenastává. Je proto nutné si uvědomit, že velikost hnací síly motoru je ovlivněna i kinematikou spalovacího motoru, převodových součástí a momentem setrvačnosti kol. Proto u hnacího kola zavádíme součinitel záběru, což je poměr normálové reakce hnacího kola a přenášené hnací síly: µ = F Y h h [ ] Součinitel záběru je hodnota představující dokonalost kontaktu hnacího kola s podložkou a současně vyjadřuje, jaká část hnací síly je přenesena na podložku. 12

13 Tato veličina však není konstantní veličinou, protože je závislá na velikosti hnací síly motoru, která nabývá nulových až maximálních hodnot. Současně se součinitel záběru závislý na velikosti prokluzu a druhu a stavu podložky. Na betonových a asfaltových površích může být součinitel záběru roven jedné, ovšem na nezpevněných površích, jako jsou např. polní či různé příjezdové cesty může klesnout až na 0,8 0, Ztrátové síly Ztrátové síly (jízdní odpory) jsou veškeré síly, které musí hnací síla překonávat, aby mohla vozidlo uvést do pohybu. Jejich zdrojem může být samotný automobil, anebo prostředí, ve kterém se pohybuje. Dále můžeme jízdní odpory rozdělit podle působnosti. Odpor valivý a odpor vzdušný působí vždy proti pohybu vozidla, oproti odporu stoupání či zrychlení, které jsou přítomny pouze občas. V případě, kdy vozidlo vleče přívěs, přidává se k ostatním odporům i odpor přívěsu. Obr. 4 Jízdní odpory působící na vozidlo kde: M k krouticí moment na kole [N.m] N 1,2 normálová složka síly [N] G tíha vozidla [N] T těžiště vozidla [m] 13

14 O s odpor stoupání [N] O v odpor valení [N] O f odpor vzduchu [N] O a odpor zrychlení [N] Odpor valení Valivý odpor vzniká při deformaci pneumatiky a vozovky. V případě tuhé podložky dochází pouze k deformaci pneumatiky. V případě, že vozovka není tuhá, musíme vzít v potaz i deformaci podložky. Pneumatika se ve styku s podložkou deformuje, přičemž otisk pneumatiky na vozovce se nazývá stopa. Velikost a tvar stopy je závislý na typu pneumatiky a na jejím nahuštění. Ve většině případů zaujímá stopa přibližně obdélníkový tvar. Obr. 5 Tvar stopy pneumatiky Při jízdě dochází v přední části stopy ke stlačení obvodu pneumatiky do roviny s vozovkou a následně dochází v zadní části stopy k opětovnému vyrovnání do kruhového tvaru. Vlivem této deformace pneumatiky dochází k nerovnoměrnému silovému působení a ztrátám v pneumatice. Tyto ztráty se přeměňují v teplo. Díky těmto ztrátám jsou síly potřebné k deformaci pneumatiky větší než síly, které pneumatiku navracejí do původního kruhového tvaru. Tento jev se nazývá hystereze. V podstatě se jedná o posuv normálové reakce před osu kola při kontaktu kola s vozovkou. Stlačování obvodu pneumatiky se odehrává podle křivky a a opětovné vyrovnání podle křivky b (obr. 6). Plocha mezi těmito křivkami znázorňuje vykonanou práci pneumatiky během jednoho cyklu, která je zmařena jejím zahříváním vlivem vnitřního tření. Normálový posuv c v je vyjádřením rozdílu silového působení před stlačením a po stlačení pneumatiky, neboli rozdílem měrných tlaků. 14

15 Obr. 6 Předsunutí normálové reakce od osy kola Vodorovnou reakci vyvolanou předsunutím normálové reakce od osy kola nazýváme valivý odpor kola. Z čehož síla odporu valení je: F v = G v. f [N] kde Gv je tíha vozidla a f je součinitel odporu valení. Povrch Součinitel odporu valení f asfalt 0,01-0,02 dlažba 0,02-0,03 polní cesta mokrá 0,08-0,20 travnatý terén 0,08-0,15 čerstvý sníh 0,20-0,30 náledí 0,01-0,025 Tab. 1 Příklady součinitele odporu valení na různých površích Součinitel odporu valení je proměnlivý a závislý na mnoha faktorech. Mezi nejzákladnější paří povrch vozovky. Dále vliv deformace a rychlosti kola. Při deformaci pneumatiky hraje nejdůležitější roli její nahuštění. Mírou nahuštění ovlivňujeme velikost styčné plochy a tím i velikost deformační a tlumící práce. Při menším tlaku vzduchu je styčná plocha větší, dochází k větší deformaci a s ní spojenou větší deformační a tlumící práci, což navyšuje valivý odpor kola. Vzájemná vazba mezi deformací pneumatiky a styčnou plochou je takřka lineární. Z četných pokusů vyplývá, 15

16 že deformace pneumatiky je dominantní veličinou, která určuje velikost styčné plochy mezi pneumatikou a vozovkou. Radiální síla působící na pneumatiku umožňuje vytvoření tečných sil, které představují přenos výkonu mezi vozovkou a pneumatikou. Přenos radiální síly rozdělujeme na: přenos tlakem vzduchu přenos kostrou pláště Obr. 7 Přenos radiální síly Z uvedeného grafu vyplývá, že na přenos radiálních sil má největší vliv tlak vzduchu v pneumatice a již méně jej ovlivňuje konstrukce kostry pláště. Plášť může mít buď radiální konstrukci, nebo diagonální konstrukci. Deformace radiální i diagonální pneumatiky jsou odlišné. U staticky zatížené diagonální pneumatiky dochází k radiální deformaci po celém obvodu kola, čímž se zkracuje obvod pneumatiky oproti nezatížené pneumatice. Deformace je obvodová i příčná. Radiální pneumatiky mají obvod kola pružný méně, avšak boky pláště jsou měkčí a poddajnější. Úplné stlačení je díky měkkým bokům větší, zatímco zkrácení obvodu je menší. Byť je deformace prostorová, pro snazší znázornění se uvádí v čelním a osovém řezu s vyznačením tvaru stykové plochy. Tvar a velikost stykové plochy závisí na rychlosti pohybu vozidla, tlaku vzduchu v pneumatice, velikosti zatížení pneumatiky, deformaci podložky a v neposlední řadě i na velikosti kola. 16

17 Obr. 8 Deformace radiální a diagonální pneumatiky v řezu Obr. 9 Rozložení měrných tlaků v pneumatice Mezi výrazné faktory řadíme frekvenci zatěžování a rychlost jízdy, které rozlišujeme na: statické deformační charakteristiky zaměřené na nehybné či pomalu rotující pneumatiky při velmi pozvolném zatěžování a odlehčování dynamické deformační charakteristiky zaměřené na nehybné či pomalu rotující pneumatiky při rychlém zatěžování Odpor valení je zapříčiněn: Z % hysterezními ztrátami vznikajícími třením v kordu pneumatiky, mezi jeho vlastními vrstvami, v běhounu a taktéž mezi nárazníkem a běhounem. Z 5 7 % třením při styku běhounu pneumatiky s vozovkou, více se projevují při nižších jízdních rychlostech. Přisáváním pneumatik k vozovce, vytváří li se mezi běhounem a povrchem vozovky dutiny. 17

18 Vznikem tzv. stojatých vln tvořících se na obvodu pneumatiky, kdy se obvod kola při vysokých rychlostech rozkmitává v důsledku vlastní dynamiky a radiálních i příčných deformací. Vznikem a zánikem těchto vln se přeměňuje část energie v teplo. Z 1 3 % třením v ložiscích kol a aerodynamickým vlivům Soudržnost pneumatiky a podložky Soudržnost mezi podložkou a pneumatikou může mít dvojí charakter. V prvním případě nedochází k relativnímu pohybu mezi povrchem podložky a povrchem elementu běhounu pneumatiky. Zde se jedná o soudržnost stacionární, která je způsobena zdeformováním pryže běhounu vlivem mikronerovností na povrchu vozovky. Takto deformovaná pneumatika je schopna díky zvýšenému lokálnímu tlaku přenášet tečné síly. Dále je stacionární soudržnost způsobena adhezí, která představuje molekulární silové spojení mezi povrchem vozovky a pryží běhounu. Aby mohla adheze nastat, je třeba splnit podmínku čistého povrchu bez nečistot a těsného spojení obou povrchů. Druhým případem je soudržnost třecí, při které existuje mezi běhounem a podložkou vymezený pohyb. Třecí soudržnost je tvořena třemi složkami. Adhezní složkou, abrazivní složkou (vytrhávání částic pryže z běhounu) a hysterezní složkou. Hysterezní složka se utváří při deformaci pneumatiky, kdy dochází k relativnímu pohybu běhounu oproti mikronerovnostem vozovky. Tento relativní pohyb se nazývá skluz a je vyjádřen rozdílem mezi rychlostí kola a rychlostí vozidla vztaženou k rychlosti kola (pohon). Pro vyjádření parametru soudržnosti se používá stacionární součinitel soudržnosti µ o, který vzchází z poměrů elementárních soudržných sil, u nichž nedošlo k relativnímu elementárnímu skluzu. Po překročení stacionárního součinitele soudržnosti dochází z relativnímu posunu, jenž je vyjádřen součinitelem třecí soudržnosti µ t. Při běžném provozu se běhoun pneumatiky nachází permanentně mezi stavem stacionární a třecí soudržnosti a tak je vhodnější zavést komplexnější ukazatel tzv. výslednou soudržnost (součinitel přilnavosti) µ v. 18

19 Obr. 10 Součinitel soudržnosti v závislosti na hloubce profilu Na součinitel soudržnosti má vliv nejen hloubka dezénu pneumatiky, neboli obecně vlastnosti pneumatiky, ale také charakter vozovky. Charakterem je míněn povrch a s ním spojená velikost nerovností. Obecně se dá říci, že čím je povrch více nerovný, tím více součinitel přilnavosti klesá (viz Graf 3). Obr. 11 Vliv nerovností na součinitel soudržnosti Ke změně soudržnosti dochází také při valení pneumatiky po vozovce s vodní vrstvou. Změna stavu povrchu však není skoková, nýbrž má svůj vývoj. Na vozovce ulpívá množství nečistot a prachu, který při prvním kontaktu s vodou vytváří jemnou, ale velice kluzkou směs. Tato směs by se dala přirovnat k mazivu mezi valícím se kolem a vozovkou. Právě proto součinitel soudržnosti při začátku deště enormně klesá. Jeho hodnotu však v tomto momentu nelze přesně vyčíslit, neboť závisí na mnoha faktorech (množství a vlastnosti nečistot, intenzita deště apod.). Tento pokles součinitele soudržnosti se nedá kontrolovat a dle intenzity deště může trvat od 0,1 do 19

20 1,5 minuty. Po této době se µ v ustálí na přibližně 75% původní hodnoty (za sucha). Tato hodnota je skoro stejná až do konce deště. Obr. 12 Povrch vozovky za deště Průběh změn stavu vozovky při dešti: 1. Vlhký povrch povrch má jinou, většinou tmavší barvu 2. Mokrý povrch voda se dostala do mikronerovností povrchu a vrstva vody není zřetelná (za vozidlem vzniká jízdní stopa) 3. Vrstva vody se udržuje v nerovnostech vozovky (díry, vyjeté koleje) 4. Zaplavený povrch na povrchu vozovky se udržuje souvislý sloupec vody o výši odpovídající intenzitě deště V posledních dvou případech může docházet při jízdě k nežádoucímu jevu. Tento jev se nazývá Aquaplaning. Aquaplaning je v podstatě ztráta soudržnosti mezi pneumatikou a vozovkou vlivem vrstvy vody, která se mezi ně dostala. Mezi vozovkou a pneumatikou tak vznikne vodní klín, jenž se zvyšující se rychlostí postupně odděluje styčnou plochu pneumatiky od povrchu vozovky. Kolo se přestane odvalovat a začne po vrstvě vody klouzat. Aquaplaning by se dal volně přeložit jako létání po vodě, avšak jeho podstata je hydrodynamického charakteru. Při nájezdu do vodní masy je voda vytlačována z přední části podélnými a příčnými drážkami na běhounu pneumatiky do zadní části a odsud ven. Při nedostatečném odvodu vody drážkami dochází ke vzniku vodního klínu, přičemž dochází k dalšímu negativnímu efektu, a to pěnění. Vznikající mísením vodní 20

21 tříště a vzduchu. Určení prvotního oddělení pneumatiky od povrchu vozovky je těžko předpověditelné, ovšem mnohé pokusy ukázaly, že nejdříve dojde k oddělení v místě s nejmenším měrným tlakem tzn. uprostřed běhounu pneumatiky, zatímco kraje zůstávají ve styku s vozovkou. Obr. 13 Odvod vody drážkami v běhounu Mezi zásadní faktory ovlivňující vznik aquaplaningu řadíme: Rychlost vozidla; se vzrůstající rychlostí přestávají být drážky běhounu schopny odvádět vodu a hrozí vyšší riziko vzniku aquaplaningu. Hloubka vody; souvisí rovněž s retenční schopností drážek běhounu. Pneumatika; velice záleží na objemu drážek (průtočném průřezu), jejich tvaru a nasměrování. Dále na tvaru kontaktní plochy, nahuštění a v neposlední řadě i na šířce pneumatiky. Obr. 14 Vznik aquaplaningu ve vztahu k rychlosti a hloubce dezénu 21

22 Současné trendy ve snižování valivého odporu Se současným trendem snižování spotřeby paliva a tím i emisí se ztotožňují snad všichni, co mají s tímto odvětvím něco společného. Již před několika lety se objevily na trhu pneumatiky s tzv. nízkým valivým odporem. Onoho nízkého valivého odporu však lze dosáhnout 2 cestami. Jednou z nich je změnit deformovatelnost konstrukce pneumatiky a druhou je změna deformovatelnosti materiálu, ze kterého se pneumatika vyrábí resp. jeho množství. Například společnost Bridgestone přišla s nově vyvinutou směsí nazvanou Ecopia. Tato směs je technologicky navržena tak, že se její vlastnosti dají měnit i na úrovni molekul. Bridgestone uvádí, že ke snížení valivého odporu došlo až o 10%, což ve výsledku v kombinovaném provozu znamená 1,7 % úspory paliva. Je však otázkou, kolik energie bylo spotřebováno na výrobu této pneumatiky, a zdali se tato úspora alespoň vyrovná navýšení pořizovací ceny. Při srovnání identického rozměru je sada pneumatik s nižším valivým odporem o 2270,- Kč dražší. Aby se tyto pneumatiky vyplatily, museli bychom s nimi tedy najet kolem km. Povětšinou je výsledkem konstruktérů tvrdší bočnice, lehčí konstrukce a tvrdší běhounová směs. Je to skvělá zpráva, ale pouze do okamžiku, než dojde k uvědomění, že tato pneumatika je méně komfortní a má delší brzdnou dráhu (o 10%, potvrzeno vedením společnosti Continental). V tom případě si kladu otázku, zda má smysl ušetřit přibližně 0,3 0,4 litru paliva na 100 kilometrů na úkor případné srážky s chodcem. Jako přínosnější se v tomto případě jeví snižování hmotnosti pneumatik, které tak či onak směřuje ke změně konstrukce a běhounové směsi, což ovšem nemusí být na úkor jízdních vlastností. Například pneumatika Michelin Energy Saver je o kilogram lehčí než konkurence ve stejném rozměru. Vliv setrvačných hmot na spotřebu je nepopiratelný, a čím lehčí pneumatiky (kola) budou, tím méně energie bude třeba na jejich roztočení i zastavení. Kdy ekvivalentem energie je v tomto případě spotřeba paliva. Cestou snižování rotačních hmot se však pustilo pouze pár výrobců kol, a pokud nějaké výrazně lehčí disky jsou, pak mají velmi vysokou cenu. Příkladem může být disk OZ ULTRALEGGERA, jenž je bezmála o 5 kilogramů lehčí než běžné disky, ale cena je kolem 5000,-Kč za kus. Snížení valivého odporu není nedosažitelným cílem, leč je na pováženou, do jaké míry prospěje záměru, pro který byl vyvinut. 22

23 3.2.2 Odpor vzdušný Vzdušný odpor vzniká z důvodu nutnosti přemístění masy vzduchu zepředu vozidla za vozidlo. Vzduch tak proudí nad karoserií a pod karoserií, mezi podvozkem a povrchem vozovky. Proudnice se za vozidlem neuzavírají, ale nastává víření (Obr. 10). Velikost této vzdušné síly je dána výslednicí normálových tlaků vzduchu na povrch karoserie a třecích sil, které působí v tečném směru proudění vzduchu kolem karoserie. Nestejným tlakem nad a pod vozidlem (nad vozidlem velký podtlak, pod vozidlem mírný přetlak), dochází k víření vzduchu v příčné rovině vozidla (tzv. indukovaný vzdušný odpor), které je další složkou celkového vzdušného odporu. V celkovém vzdušném odporu vozidla jsou také zahrnuty odpory, které vznikají při průchodu vzduchu chladícím a větracím systémem a odpory vznikající vířením a třením vzduchu u otáčejících se vozidlových kol. (Vlk, F.; 2000) Obr. 15 Proudění vzduchu před a za vozidlem Přibližné poměrové zastoupení dílčích odporů z celkového odporu vzduchu: z % je způsoben velikostí čelního profilu vozidla z 8 10 % třením vzduchu o povrch karoserie z % průchodem chladicím systémem z % vířením a třením vzduchu k důsledku otáčení kol 23

24 Velikost síly odporu vzduchu vypočítáme ze vztahu: F f ρ = cx.. S x. v 2 2 [N] kde: c x součinitel odporu [ ] ρ měrná hmotnost vzduchu [kg/m 3 ] S x velikost čelní plochy [m 2 ] v výsledná rychlost proudění [m/s] Součinitel odporu je bezrozměrná veličina skládající se z mnoha parametrů (např. viskozita, drsnost povrchu, tvar povrchu, celkové geometrické poměry). Nejvíce ovšem závisí na tvaru vozidla. Je zjišťován výpočtem, či měřením. U měření se využívá specializovaných pracovišť (aerodynamických tunelů). U osobních automobilů na hodnotu c x nemá příliš vliv velikost úhlu náběhu τ (boční vítr), což platí do hodnoty τ = 20. Počínaje užitkovými vozidly a dlouhými tahači konče se situace rapidně mění. Při zvýšení úhlu náběhu τ = 15 dojde k navýšení součinitele odporu c x o celých 50 % oproti stavu bez působení bočního větru. Toto navýšení c x nesouvisí pouze s vyšším zatížením pohonné jednotky a větší spotřebou paliva, ale při silných poryvech větru nezřídka dochází k převrhnutí celé soupravy. Obr. 16 Test aerodynamického konceptu Pro součinitel odporu platí: 24

25 c x = g.( ρ ρ ). L t ρ. v t p 2 [ ] kde: g gravitační zrychlení [m/s] ρ t hustota tělesa [kg/m 3 ] ρ p hustota prostředí [kg/m 3 ] v rychlost tělesa v prostředí [m/s] L charakteristický rozměr [m] Měrná hmotnost vzduchu neboli hustota vzduchu, je závislá na tlaku a teplotě vzduchu. Jako výpočtovou hodnotu uvažujeme ρ = 1,25 kg/m 3. Tato hustota odpovídá teplotě t = 15 C a tlaku vzduchu p = 101,325 kpa. Ve vysokých nadmořských výškách dochází ke změně hustoty vzduchu a tím i ke změně jízdních vlastností. U výpočtu hustoty vzduchu pro jinou teplotu a tlak pak můžeme použít vztah: ρ 354. p = ( t + 273) [kg/m 3 ] Čelní plocha S x je plochou průmětu obrysu vozidla do roviny, která je kolmá na osu x. Hodnotu S x můžeme získat planimetrickým měřením odrazu obrysu vozidla, z dokumentace výrobce, nebo přibližným výpočtem: pro osobní vozidla S x = (0,70 0,85). š v. v v [m 2 ] pro nákladní vozidla S x = (0,80 0,95) ). š v. v v [m 2 ] Obr. 17 Průmět obrysu vozidla do roviny 25

26 Hodnota součinitele odporu c x roste přibližně úměrně k velikosti čelní plochy S x, jak vyplývá z tabulky. Typ vozidla C x [ ] S x [m 2 ] běžný osobní automobil 0,30-0,40 1,6-2,0 sportovní automobil 0,30-0,35 1,3-1,6 nákladní automobil valník 0,80-1,00 4,0-7,0 nákladní automobil - valník s plachtou 0,60-0,80 5,0-8,0 přívěsová jízdní souprava 1,00-1,20 5,0-8,0 Autobus 0,50-0,70 5,0-7,0 návěsová jízdní souprava s naloženým kontejnerem 1,00-1,20 9 Tab. 2 Hodnoty čelní plochy S x a součinitele odporu c x Jak bylo uvedeno výše, pro měření součinitele odporu vzduchu se využívají aerodynamické tunely. Aerodynamický tunel je výzkumným zařízením, umožňujícím vytvořit ovladatelný vzdušný proud. Tunely jsou stavěny buď s otevřeným okruhem, nebo uzavřeným okruhem. Hlavní části aerodynamického tunelu jsou: Měřící prostor do této části se umísťují měřená tělesa, zde je proud vzduchu homogenní a má většinou maximální rychlost. Dýza je část před měřícím prostorem, u vysokorychlostních tunelů se před měřícím prostorem rozšiřuje. Kolektor nálevkovité konvergentní ústí před dýzou. Ohybové lopatky a usměrňovač zdroj proudu vzduchu. Tepelný a vzduchový výměník. Při vývoji nového modelu vozidla, který zahrnuje detailní zpracování podvozku vozidla a motorového prostoru je využívána virtuální aerodynamická laboratoř (VAL), v níž se využívá počítačové simulace proudění CFD (Computational Fluid Dynamics). Dále je na počítači zkoumán i odpor jednotlivých tvarových variant. Vývoj se následně zaměřuje na zmenšený nebo skutečný model vozidla testovaného v aerodynamickém tunelu. Velikou výhodou je možnost sledování proudění vzduchu přímo na daném vozidle pomocí tzv. kouřových sond. 26

27 Největším aerodynamickým tunelem, využívajícím automobilový průmysl, je postaven v Detroitu společností General Motors. V Tech Center ve Warrenu jsou schopni dosáhnout proudění vzduchu o rychlosti až 250 km/h v uzavřeném okruhu. Tuto vysokou rychlost umožňuje šestilistá lepená dřevěná vrtule o průměru 13,1 m, kterou na maximální otáčky 2700 min -1 dokáže roztočit stejnosměrný elektromotor o výkonu 2984 kw. Obr. 18 Dřevěná vrtule v GM Aerodynamics Laboratory ve Warrenu Nezbytným vybavením jsou dvě šestikomponentní váhy (pro skutečné vozy a modely), jenž také umožňují úhlově natočit objekt proti proudu vzduchu, který usměrňují otočné klapky. Váhy jsou schopny měřit momenty a síly působící ve 3 směrech. Měřící prostor se zužuje v poměru 5:1 a je dlouhý 21,3 m, vysoký 5,4 m a široký 10, 4 metru. Stěny jsou obloženy perforovanými panely pro snížení hlučnosti Vývoj a současnost v aerodynamice motorových vozidel V dřívějších dobách se konstruktéři a designéři příliš nezamýšleli nad důsledky svých inovativních nápadů, což nejspíš nebylo způsobeno jejich nezájmem, ale skutečností, že možnosti zjištění vlivu tvaru karoserie na vlastnosti vozidla byly pramalé. Obecně platné skutečnosti o tvaru objektu a jeho odporu při průchodu prostředím však nejsou sto poskytnout ucelený obraz na tak složitě tvarovaný předmět, jakým automobil je. Hlavním pomocníkem při řešení se staly již zmíněné aerodynamické tunely. 27

28 Obr. 19 Vliv tvaru objektu na součinitel odporu vzduchu Většina automobilek v nich vyvíjí své nové modely a v mnoha případech se cesta stala i cílem, kdy např. BMW využila poznatků z aerodynamických tunelů a aplikovala je i do marketingové strategie označené jako Efficient Dynamics. Obdobně např. Ford již třetím rokem vyrábí vozy v tzv. Kinetic Designu. Aerodynamické vlastnosti hrají důležitou roli v celkové spotřebě vozidla. Čím bude součinitel odporu vzduchu nižší, tím menší bude i spotřeba paliva. Přičemž celkový odpor vzduchu roste s druhou mocninou rychlosti jedoucího automobilu. Snahou designérů tedy je navrhnout karoserii tak, aby vznikající proudění bylo laminárního charakteru. Turbulentní (neuspořádané) proudění omezit na nejnižší možnou míru, protože způsobuje lokální energetické ztráty. Součástí těchto opatření jsou např. kryty motoru, kryty zavěšení kol, u kamionů nástavby nad kabinou řidiče apod. Jako optimální se jeví v přední části vozidla oblé tvary a zadní část v proudnicovém tvaru. Již v roce 1983 vyrobil Ford studii s označením Probe IV, jenž díky zakrytování kol a vhodnému tvaru dosáhla neuvěřitelného součinitele odporu vzduchu c x = 0,15. Jeho nástupce Probe V pak fascinoval svět hodnotou c x = 0,137, která je nižší než u proudové stíhačky F16. Obr. 20 Ford Probe V 28

29 Ačkoli je snižování odporu vzduchu důležitým parametrem, je třeba také zachovat funkčnost, bezpečnost a v neposlední řadě cenu vozidla. Z těchto důvodů se automobily s takto nízkými součiniteli odporů nevyrábějí, a pokud ano, tak pouze ve formě studie či experimentu. U většiny současných vozidel se jedná o doladění určitých partií karoserie a funkčních prvků, čímž se vždy dosáhne snížení c x o pár setin (desetin). Zářným příkladem vývoje v aerodynamických tunelech může být BMW 320i Cabrio z roku 1987 s hodnotami c x = 0,39, maximální rychlost 195 km/h a průměrnou spotřebou 11,2 l/100 km. Jeho následovník z roku 2009 pak měl tyto hodnoty. Součinitel odporu vzduchu c x = 0,27, maximální rychlost 228 km/h a průměrná spotřeba 6,9 l/100 km. Z údajů je patrno, že má aerodynamika vozidla veliký vliv na jeho charakteristické jízdní parametry. O důležitosti aerodynamiky svědčí i nově vystavěný aerodynamický tunel společností BMW v Mnichově s celkovou investicí přesahující 4,4 miliardy korun 1. Obr. 21 Nejmodernější aerodynamický tunel od BMW Group Snížením odporu vzduchu o 10 % jsme schopni docílit snížení spotřeby o 2,5 %. Hodnota to není nijak vysoká, ale v kontextu větších objemů velice významná. 1 Více na BMW AVZ Aerodynamická strategie 29

30 Inspirací pro automobilky se v tomto ohledu stále více stává příroda, resp. zkoumají bionické systémy a uplatňují nabyté poznatky na tvaru karoserií. Mercedes se shlédl v mořské rybičce žijící v tropických mořích na korálových útesech. Tato rybička má z pohledu aerodynamiky ideální tvary a tak po aplikaci na konstrukci automobilu dosáhli spotřeby 4,3 l nafty na 100 km ve spojení se stopadesátikolovým vznětovým motorem Odpor stoupání Dalšími z jízdních odporů jsou tzv. spotřebované odpory. Mezi tyto odpory řadíme odpor stoupání a setrvačnou sílu při nerovnoměrném pohybu. Při stanovování odporu sklonu vycházíme ze silového působení na těleso umístěného na nakloněné rovině. Síla potřebná k překonání stoupání je vyjádřena složkou tíhy vozidla, která je rovnoběžná s povrchem podložky. Obr. 22 Vozidlo na nakloněné rovině Pro výpočet síly odporu stoupání platí: F s = G. sin α [N] kde: G celková tíha vozidla [N] α úhel svírající rovina vozovky s vodorovnou rovinou [ ]. U vozidla pohybujícího se po nakloněné rovině, která svírá s rovinou vodorovnou úhel α, se tíha G bude rozkládat podle Obr. 17. Odpor stoupání může mít kladnou i zápornou hodnotu v závislosti na smyslu úhlu svahu. Zápornou hodnotu bude mít při 30

31 pohybu vozidla ze svahu, kdy síla působící ve směru osy x (sinová složka) nepůsobí jako odpor, nýbrž vozidlo pohání. Působištěm odporu stoupání je těžiště vozidla T. V praxi se pro vyjádření sinu úhlu α používá sklon svahu (stoupání), pro něž platí: h s = = l tg α [ ]. Pokud je sin α přibližně roven tg α, potom odpor stoupání bude: F s = ± G. s [N]. Tento vztah lze použít pouze do hodnoty α = 17, neboli s = 0,3 = 30 %, kdy rozdíl mezi sinα a tgα je asi 5 %. Maximální stoupání silnice je %, na dálnicích pouze do 6 %. Vyšší stoupání mají zpravidla pouze vysokohorské silnice. Při praktických výpočtech se obvykle používá místo úhlu α svahu stoupání s. Pro zadané stoupání s, určíme úhel svahu ze vztahu : (Vlk, F.; 2000) α = arctg (s) [ ] Odpor zrychlení Setrvačné síle působící proti směru zrychlení vozidla říkáme odpor zrychlení, vznikající při nerovnoměrném pohybu vozidla nerovnoměrnou rychlostí. Pro vyjádření setrvačné síly je třeba znát zrychlení a celkovou hmotnost vozidla. Obr. 23 Rotační části automobilu 31

32 Odpor zrychlení se skládá z odporu zrychlení rotačních částí a odporu zrychlení posuvných částí 2. Potom sílu pro překonání odporu zrychlení vypočteme jako: F z = a. mc = a.( m + m + ma1) [N], kde: a zrychlení [m/s 2 ] m c celková hmotnost [kg] m hmotnost vozidla [kg] m posuvné hmoty rotačních částí [kg] (spalovací motor, převodová ústrojí, hnací kolo) [kg] m a1 posuvná hmota hnaného kola [kg]. Abychom překonali odpor rotačních částí, musíme na hnací kola přivést moment M = O. r = M + M + r Zr d rm rp M rk [Nm], kde: O Zr odpor zrychlení rotačních částí [N] r d dynamický poloměr kola [m] M rm moment ke zrychlení rotujících částí motoru [N.m] M rp moment ke zrychlení rotujících částí přev. ústrojí [N.m] M rk moment ke zrychlení vozidlových kol [N.m]. Pro moment zrychlení rotačních částí motoru M = rm J m. m c ϕ. i.η [N.m], kde: J m hmotnostní moment setrvačnosti rot. částí motoru [kg/m 2 ] φ m úhlové zrychlení rotujících částí motoru [s -2 ] i c celkový převod mezi motorem a hnacími koly 3 [ ] η mechanická účinnost. [ ] 2 O z = O zp + O zr ; O zp odpor zrychlení posuvné části, O zr odpor zrychlení rotačních částí 3 i c = i p. i r ; i p převod převodovky, i r převod rozvodovky 32

33 Pro moment zrychlení rotujících částí převodového ústrojí M = rp J p. p r ϕ. i.η [N.m] a pro moment potřebný pro zrychlení kol M = rk J Ki i. ϕ Ki [N.m]. Mezi úhlovým zrychlením hnacích kol φ k a úhlovým zrychlením motoru φ m platí ϕ ϕ m i i. i m ϕ k = = c p r [s -2 ], hřídele dále mezi úhlovým zrychlením kol vozidla a úhlovým zrychlením spojovacího ϕ = k ϕ i r p [s -2 ]. Úhlové zrychlení kol vozidla může podle rovnice x k = r k. φ k vyjádřit v závislosti na podélném zrychlení ϕ k = x r k [s -2 ]. Po dosazení výše uvedených rovnic do rovnice pro celkový moment potřebný pro rotující části dostaneme výraz 2 2 M r = ( J m. ic + J p. ir ). η + J Ki. x r k [N.m] Jestliže je výsledný odpor zrychlení rotačních a posuvných částí dán součtem těchto odporů, pak platí M r O z = m. x + = m. x + ( J m. ic + J p. ir ). η + J Ki. rd rd x r k [N]. 33

34 Položíme-li r k ~ r d, můžeme tedy rovnici zjednodušit do tvaru O 2 ( J. i + 2 J. i ). m c p r η + J = m. rd m. x = ϑ. m x Ki z. [N], kde výraz z hranaté závorky je označen součinitelem ϑ, který představuje součinitel vlivu rotačních částí. (Vlk, F.; 2000) Pokud uvažujeme stálý převod rozvodovky i r, pak působení rotačních částí bude záviset především na zařazeném převodovém stupni v převodovce. Pokud bude i p = 1 (přímý záběr), budou rotační části vozidla zvětšovat potřebnou zrychlující sílu o přibližně 7 %. Zařazením prvního převodového stupně (osobní vozidla i p = 4, nákladní vozidla i p = 8), vzroste u osobních automobilů zrychlující síla asi o 70 %, u nákladních pak asi o 270 %. Pro snazší představu vlivu součinitele ϑ na celkový převod uvádím graf znázorňující jejich závislost. Obr. 24 Vliv ic na ϑ Odpor přívěsu Odpor přívěsu, pokud se vyskytuje, má nezanedbatelnou hodnotou ve vyjádření celkového odporu jízdy nákladní soupravy. Jedná se o sílu, kterou musí vyvinout tažné 34

35 vozidlo, aby mohlo překonat jízdní odpor přívěsu. U přívěsu vypočítáváme veškeré hodnoty jednotlivých ztrátových sil (odporů) stejně jako u hnacího vozidla. Jedinou výjimkou je vzdušný odpor vozidla, který je určován pro celou soupravu společně. Pro vozidla, která jsou primárně určena k tahání přívěsů, je odpor přívěsu velmi důležitým parametrem, sloužícím k vhodnému dimenzování pohonného ústrojí Celkový jízdní odpor a hnací síla Celkový jízdní odpor vypočítáme z dílčích jízdních odporů jejich sečtením. Z čehož potřebná hnací síla k překonání jízdních odporů bude F h = O f + O v + O s + O z [N]. Po dosazení rovnic jednotlivých jízdních odporů do rovnice celkového odporu dostaneme výraz F h = f. G + ρ c x.. S 2 x. v 2 + x G. ( s + ϑ. ) g [N]. Při výpočtech celkové hnací síly se u rovnice pro výpočet odporu vzduchu předpokládá většinou bezvětří. Tím pádem uvažujeme rychlost proudícího větru rovnu rychlosti jízdy vozidla (bezvětří). Pro další zjednodušení bychom mohli zanedbat i odpor stoupání a odpor zrychlení, avšak pouze v případě, že by vozidlo jelo po rovině a ustálenou rychlostí. Hnací síla potřebná pro překonání jízdních odporů neboli hnací výkon přivedený na kola vozidla je P = F. v = M r k h h. d v [kw]. Za předpokladu P h = F h. v, můžeme napsat P = f. G. v ρ 2 x + c x.. S x. v. v + G. v. s + ϑ. v 2 g h. [kw], 35

36 Pro hnací výkon na kolech vozidla při bezvětří pak P h x ρ = ( f + s + ϑ. ). G. v + c x.. S x. v g 2 3 [kw]. Z uvedených rovnic vyplývá lineární závislost potřebného hnacího výkonu k překonání odporu stoupání, odporu zrychlení a odporu valení na rychlosti jízdy vozidla v. Jinak je tomu u odporu vzdušného, který roste se třetí mocninou rychlosti jízdy vozidla. Obr. 25 Hnací síla a výkon potřebná k překonání jízdních odporů Obr. 26 Závislost hnací síly a výkonu na rychlosti jízdy a stoupání Díky znalosti celkového hnacího odporu a parametrům, jako je např. točivý moment, otáčky, měrná spotřeba paliva a jednotlivé převodové poměry jsme schopni sestrojit 36

37 úplnou charakteristiku motoru, jenž nám podává komplexní představu o vlastnostech motoru a pohonné soustavy jako celku. Obr. 27 Úplná charakteristika vznětového motoru 4. FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ JÍZDNÍ DYNAMIKU Pro souhrnné vyjádření, či jako hlavní parametr změny určité vlastnosti vozidla je vhodné sledovat proměnnou spojující nejvíce funkčních prvků vozidla. Touto proměnnou je spotřeba paliva. Spotřeba paliva je jedním z nejsledovanějších parametrů u automobilů. Její hodnota dokáže leccos vypovědět o jízdních vlastnostech, charakteru vozidla a použitých technologiích. V kontextu jízdní dynamiky vhodně reprezentuje pokrok ve vývoji hybridních pohonných systémů ve spojení s aerodynamickými vylepšeními. Právě hybridní pohonné jednotky se začaly nejvíce prosazovat při snaze o co nejnižší emisní zatížení. Před několika lety byla značka Lexus se svým hybridním pohonem považována za podivně smýšlející s nejasnou budoucností jejich nového systému. Ovšem s přibývajícími léty i ostatní automobilky přišly na zjevné výhody hybridních pohonů a v současnosti je spíše exotem ten, kdo se vývojem tohoto pohonu 37

38 nezabývá. V podstatě se jedná o využití kombinace spalovacího motoru s elektromotorem a dvěma zásobníky energie (palivová nádrž, akumulátory). Obr. 28 Hybridní pohon od spol. Toyota Použitím hybridního pohonu dochází ke snížení spotřeby paliva, redukci emisí a zlepšení výkonových parametrů motoru. Výrobce uvádí reálnou úsporu paliva oproti konvečním spalovacím motorům mezi %. Výhodou je i větší a plynulejší zrychlení či možnost dobíjet akumulátory při brzdění vozidla rekuperací. Způsobů, které jsou nyní využívány ke zlepšení jízdních vlastností vozidel, a snížení jejich spotřeby je mnoho. Mezi nejjednodušší patří snížení světlé výšky vozidla a tím pádem ke snížení součinitele odporu vzduchu. Společně s použitím pneumatik s nízkým valivým odporem. Například takto upravená Škoda Octavia se prodává pod obchodním názvem Greenline. Další možností je využívání alternativních paliv jakými je nejrozšířenější LPG (propan-butan) či CNG (zemní plyn). Oba tyto plyny mají vyšší oktanové číslo a lepší průběh hoření směsi ve válci spalovacího motoru. Rovněž jsou šetrnější k motoru, který není tolik mechanicky namáhán. Krom změny paliva či způsobu jeho přeměny na mechanickou práci se vývoj směřuje přímo k přípravě a dodávce směsi do spalovacího prostoru. Důvěrně znám je systém variabilního časování ventilů mnohdy v kombinaci s přímým vstřikem paliva. 38

39 S novinkou přišel v minulém roce koncern Fiat, který představil systém Multiair. Jde o změnu dodávky čerstvé směsi do spalovacího procesu. Je zde vynechána vačková hřídel otevírající sací ventily a je nahrazena hydraulickým plně nastavitelným ovládáním sacích ventilů. Velkou výhodou je možnost plynulé regulace množství směsi a její okamžitá změna v závislosti na zatížení a otáčkách motoru. V tomto případě by měla úspora paliva činit až 10 % a nárůst výkonu o přibližně 5 %. Dalším trendem je snižování obsahů motorů ve spojení s hojnějším využíváním přeplňování, které zvyšuje účinnost spalovacího procesu. Tímto dochází jak ke zmenšení zastavěného motorového prostoru v automobilu, tak ke snížení jeho hmotnosti. Sekundárně dojde také ke snížení spotřeby. Pro detailnější popis pohybu vozidel se hojně využívají softwary umožňující přesné nastavení podmínek provozu a charakteristických vlastností automobilu. Modelování jízdní dynamiky vozidel je poměrně komplikovaným a specifickým nástrojem pro určování vlastností vozidel. Jedná se o modely jízdní dynamiky vozidla, jejichž cílem je simulovat jízdní zkoušky vozidel z pohledu spotřeb, emisí dle EHK a dosahovaných výkonů. U těchto programů jsou stěžejní tři okruhy problémů, které se u modelování jízdní dynamiky řeší: modelování pohonné jednotky vozidla jako mech. systému modelování jízdní tratě modelování řidiče vozidla podle aspektů vyplývajících ze simulace nebo jízdní tratě Každý z okruhů obsahuje své specifické moduly, které se dají konfigurovat dle potřeby a jsou utvářeny s přihlédnutím ke všem parametrům majícím vliv na modelování podélné dynamiky vozidla. Modul hnacího ústrojí obsahuje model spojky, jednostupňového převodu, manuálně řazené 5. stupňové převodovky, spojovací hřídele, kola, pneumatiky a plošné schéma vozidla (pérování, tlumiče). U modelování jízdního profilu se vychází z 2D reprezentace, tzv. výškového profilu, v němž jsou zaznamenány veškeré důležité údaje o trati. V posledním okruhu se pracuje s modely ovládání jednotlivých funkčních prvků ve vozidle jeho obsluhou. Tzn. ovládání motoru, ovládání spojky při rozjezdu a řazení a ovládání převodovky. 39

40 Výsledkem tohoto modelování může být zjišťování jednotlivých technických parametrů vozidla, vývoj algoritmů řízení motorů a regulačních zařízení, vývoj a výzkum metod simulace jízdy. 5. EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ Měření byla prováděna pouze na jednom vozidle značky Audi. Měření se uskutečnilo v laboratořích Mendelovy Univerzity pod odborným dohledem. Při měření byly zaznamenány údaje o teplotě, tlaku a vlhkosti vzduchu. Specifikace měřeného vozidla je uvedena níže. Model: Audi Coupe Quattro, r.v Motor typ zážehový řadový 5 válec, 20 ventilů ozn. motoru 7A Z. objem 2309 ccm φ x zdvih 82,5 x 86,4 kom. poměr 10,3 : 1 výkon 123 kw [ot./min] točivý moment 220 Nm [ot./min] Pohon typ 4 x 4 (Quattro, II. Generace) Převodovka manuální 5. stupňová přev. poměr 1. stupeň: 3,55 : 1 2. stupeň: 2,11 : 1 3. stupeň: 1,43 : 1 4. stupeň: 1,03 : 1 5. stupeň: 0,84 : 1 celkový převod 4,11 : 1 Diferenciály přední náprava otevřený centrální samosvorný TORSEN celkový převod s manuální uzávěrkou Palivo natural 95 0,775 [g/cm 3 ] Hmotnost 1500 kg (přední nápr. 58 %, zadní nápr. 42%) Max. rychlost 214 [km/h] Součinitel c x 0,36 Součinitel S x 1,803 [m 2 ] r d 0,241 [m] Tab. 3 Specifikace měřeného vozidla Měřící zařízení, na kterém probíhalo samotné měření, umožňuje měřit výkonové parametry motoru bez nutnosti jeho demontáže. Tímto zařízením je válcový vozidlový dynamometr MEZ 4VDM E120-D. Princip měření lze popsat přibližně takto. Spalovací 40