Dynamika vozidla Hnací a dynamická charakteristika vozidla Zpracoval: Pavel BRABEC Pracoviště: KVM
Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu: 1.6.2009 – 31.5. 2012
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Zadání Pro zvolený automobil nakreslete charakteristiku hnací síly a dynamickou charakteristiku. Dále určete max. rychlost, max. stoupání a max. zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně.
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Zadání Např.:
Škoda Felicia 1.9 D
nmotoru
Mmotoru
m=
970
kg
(ot/min) 1500 1800
(Nm) 101 110
g= f= =
9,81 0,012 1,25
m/s 3 kg/m
2100
118
cx=
0,34
-
2400 2700
122 125
Sx = r=
1,96 0,25
m m
3000
125
i1 =
3,308
-
(převodový poměr prvního rychlostního stupně)
3300
123
i2 =
1,913
-
(převodový poměr druhého rychlostního stupně)
3600
119
i3 =
1,267
-
(převodový poměr třetího rychlostního stupně)
3900
113
i4 =
0,927
-
(převodový poměr čtvrtého rychlostního stupně)
4200
106
i5 =
0,717
-
(převodový poměr pátého rychlostního stupně)
4500
97
is =
3,35
-
(stálý převod nápravy)
mech = Jm = Jk =
0,95 0,3 4
2 kg m 2 kg m
(pohotovostní hmotnost vozidla) 2
(gravitační zrychlení) (součinitel valení) (hustota vzduchu) (součinitel aerodynamického odporu)
2
(čelní plocha vozidla) (poloměr kola)
(mechanická účinnost celého přev. ústrojí) (setrvačný moment motoru (moment setrvačnosti kol)
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Zadání - Škoda Felicia 1.9 D Charakteristika motoru
Sestrojení vnější otáčkové charakteristiky motoru
50
140
45 120 40 35
30
80
25 60
20
15
40
10 20 5
0 0
1000
2000
3000
n motoru [ot/min]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
4000
0 5000
Pmotoru [kW]
M motoru [Nm]
100
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Zadání - Škoda Felicia 1.9 D Pilový diagram převodovky
5000 4500
nMOTORU[ot/min]
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
20
40
60
80
100 v [km/hod]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Sestrojení hnací charakteristiky FK
Výpočet hnací síly z momentu motoru Výpočet rychlosti vozidla z otáček motoru
MK Mm iP is mech r r
v
2 r nm 60 iP is 1
v1 [km/h]
FK1 [N]
…
…
nmotoru [1/min]
Mmotoru [Nm]
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
2 3 4
5 v5 [km/h]
FK5 [N]
…
…
…
…
…
…
v3 [km/h]
FK3 [N]
v4 [km/h]
FK4 [N]
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
v2 [km/h]
FK2 [N]
…
…
…
…
…
…
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Sestrojení hnací charakteristiky 6000
5000
F K [N]
4000
3000
2000
1000
0 0
20
40
60
80
100 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Sestrojení dynamické charakteristiky - bezrozměrová charakteristika pro porovnávání dynamických vlastností více vozidel o různých „velikostech“)
FK - OV D G
Výpočet dynamického součinitele
1 nmotoru [1/min]
Mmotoru [Nm]
…
…
…
…
…
…
v1 [km/h]
FK1 [N]
OV 1 [N]
D1 [-]
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
2 3 5
4
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
v2 [km/h]
FK2 [N]
OV 2 [N]
D2 [-]
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Sestrojení dynamické charakteristiky 0,6
0,5
0,4
D [-]
0,3
0,2
0,1
0 0
20
40
60
80
100
-0,1 v [km/h] INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální rychlosti na jednotlivé rychlostní stupně tzn. - na rovině - při bezvětří - v = konst. a = 0
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální rychlosti na jednotlivé rychlostní stupně z hnací charakteristiky
tzn. - na rovině
FK
- při bezvětří - v = konst. a = 0
MK Mm iP is mech r r
FK Of Ov Os O Of f G 1 Ov cx Sx v 2 2
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální rychlosti na jednotlivé rychlostní stupně 6000
z hnací charakteristiky 5000
F K , OF+OV [N]
4000
3000
2000
1000
0 0
20
40
60
80
100 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální rychlosti na jednotlivé rychlostní stupně z dynamické charakteristiky
tzn. - na rovině
FK
- při bezvětří - v = konst. a = 0
MK Mm iP is mech r r
FK Of Ov f G Ov FK - Ov D f G
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální rychlosti na jednotlivé rychlostní stupně 0,6
z dynamické charakteristiky 0,5
D, f [-]
0,4
0,3
160
0,2
180
0,1
0 0
20
40
60
80
100
-0,1 v [km/h] INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální stoupavosti na jednotlivé rychlostní stupně tzn. -při bezvětří - v = konst. a = 0
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální stoupavosti na jednotlivé rychlostní stupně z hnací charakteristiky
tzn. -při bezvětří
FK
- v = konst. a = 0
MK Mm iP is mech r r
FK Of Ov Os O Of f G cos 1 Ov cx Sx v 2 2 O G sin
zjednodušení
cos 1
potom
Oα FK - Of - Ov arcsin arcsin G G
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální stoupavosti na jednotlivé rychlostní stupně 6000
potom: O = G.sin 5000
= arcsin (O/G)
F K , OF+OV [N]
4000
3000
2000
O (MAX)
1000
0 0
20
40
60
80
100 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální stoupavosti na jednotlivé rychlostní stupně z dynamické charakteristiky
tzn. -při bezvětří
FK Of Ov O FK Ov D f cos sin G
- v = konst. a = 0 sin
tg
cos
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
5
10
15
zjednodušení
20
25
30
35
40
cos 1 sin tg s
45
potom
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
D f s
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální stoupavosti na jednotlivé rychlostní stupně 0,6
potom: sMAX = DMAX - f
0,5
0,4
D, f [-]
DMAX 0,3
0,2
0,1
0 0
20
40
60
80
100
-0,1 v [km/h] INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální stoupavosti na jednotlivé rychlostní stupně výpočtem
tzn. -při bezvětří
FK Of Ov O FK Ov D f cos sin G
- v = konst. a = 0
substituce cos sin
1 1 tg 2 tg 1 tg 2
1 1 s2 s 1 s2
potom
- f D 1 f D s 2 1 D
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
2
2
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximální stoupavosti na jednotlivé rychlostní stupně 50
výpočtem
40
s [%]
30
20
10
0 0
20
40
60
80
100
120
-10 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximálního zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně tzn. - na rovině - při bezvětří
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximálního zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně z hnací charakteristiky
tzn. - na rovině
FK
- při bezvětří
MK Mm iP is mech r r
FK Of Ov Os O Of f G 1 Ov cx Sx v 2 2 Os m a
součinitel vlivu rotačních ploch
Jm iP is mech JK 2
1
r2 m
potom INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Os FK - Of - Ov a m m
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximálního zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně 6000
potom: OS = . m . a 5000
a = OS/( . m) = = (FK-OF-OV)/( . m)
F K , OF+OV [N]
4000
kde samozřejmě O = 0
3000
2000
OS (MAX)
1000
0 0
20
40
60
80
100 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximálního zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně z dynamické charakteristiky
tzn. - na rovině - při bezvětří
FK Of Ov Os O
FK Of Ov Os f G Ov ξ m a f G Ov G ξ a g FK Ov ξ D f a G g g a D - f ξ INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximálního zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně 0,6
potom: aMAX = g/ . (DMAX – f)
0,5
0,4
D, f [-]
DMAX 0,3
0,2
0,1
0 0
20
40
60
80
100
-0,1 v [km/h] INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximálního zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně výpočtem
tzn. - na rovině - při bezvětří
FK Of Ov Os O
Mm iP1 is mech 1 2 - f G - cx Sx v FK - Of - Ov r 2 a m m
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Určení maximálního zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně 3,5 3 2,5
2
a [m/s ]
2 1,5 1 0,5 0 0
20
40
60
80
100
-0,5 v [km/h] INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Výsledky Maximální stoupavost
Maximální rychlost
I.
64,20
%
(
32,70
°)
m/s )
II.
31,73
%
(
17,60
°)
27,76
m/s )
III.
19,09
%
(
10,81
°)
(
37,94
m/s )
IV.
12,14
%
(
7,00
°)
(
45,43
m/s )
V.
7,83
%
(
4,47
°)
I.
38,27
km/h
(
10,63
m/s )
II.
66,18
km/h
(
18,38
III.
99,92
km/h
(
IV.
136,57
km/h
V.
163,54
km/h
Maximální zrychlení I.
3,32
m.s-2
II.
2,35
m.s-2
III.
1,60
m.s-2
IV.
1,08
m.s-2
V.
0,70
m.s-2 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Další možnosti zobrazení výsledků zobrazení výkonu na hnacích kolech + řešení rovnováhy výkonů (stejné jako u hnací síly) 50 45 40
PK , PF +PV [kW]
35 30 25 20 15 10 5 0 0
20
40
60
80
100 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Další možnosti zobrazení výsledků Určení času zrychlení z 0 na 100 km/h
víme, že
Mm iP1 is mech 1 - f G - cx Sx v 2 FK - Of - Ov r 2 a m m Jm iP1 is mech JK 2
1
r2 m
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Další možnosti zobrazení výsledků Určení času zrychlení z 0 na 100 km/h využijeme sestrojený graf průběhu zrychlení v závislosti na rychlosti vozidla použijeme graficko-analytickou metodu k řešení charakteristik průběhu času a dráhy (časová diskretizace – volíme malý interval rychlosti)
v v t1 a1 t1 ti t a1
v1 v 2 v1 2 s1 v1 t1 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Další možnosti zobrazení výsledků Určení času zrychlení z 0 na 100 km/h
při řazení se zrychlení (zpomalení) počítalo ze vztahu
Of Ov am
součinitel vlivu rotačních ploch
J 1
K
r2 m
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Další možnosti zobrazení výsledků 110 100 90
16.1 sec
80 v [km/hod]
70 60 50 40 30 20 10
čas řazení: 0.5 sec
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
t [s] INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
11
12
13
14
15
16
17
18
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel
Program: - výpočet dynamických vlastností vozidla - využití metody nejmenších čtverců pro proložení závislostí (vnější otáčková charakteristika /2D/; spotřeba paliva /3D graf/) - nakreslení hnací a dynamické charakteristiky - určení max. rychlostí, stoupání a zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně - výpočet spotřeb paliva při ustálené jízdě na rovině - zrychlení vozidla z 0 na 100 km/h včetně omezení zrychlení adhezí - simulace jízdních cyklů -…
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel
Škoda Fabia 1.2 HTP
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel Charakteristika motoru 45
120
40 100 35
60 20 40
6000
15 10
5000
5
4000
20
0 0
2000
4000
nmotoru [ot/min]
0 6000
nMOTORU [ot/min]
M motoru [Nm]
25
Pmotoru [kW]
30
80
3000
2000
1000
0 0
20
40
60
80
100 v [km/hod]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel
spotřeba paliva 25
Spotřeba paliva (litr/hod)
5500 5000
20
4500 4000
15
3500 3000
10
2500 2000 1500 1000
5
0 0
0,2
0,4
0,6 pe (MPa)
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
0,8
1
1,2
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel Dynamický součinitel
0,5
5000
0,4
4000
0,3 D, f [-]
FK, OF+OV [N]
Hnací síla na kolech
6000
3000
0,2
2000
0,1
1000
0 0
0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
140
160
180
200
-0,1
200
v [km/h]
v [km/h] Maximální stoupání vozidla
Maximální zrychlení vozidla 3
50
2,5 40
2 1,5 2
a [m/s ]
s [%]
30
20
1 0,5
10
0 0
0 0
20
40
60
80
100
-10
120
140
160
180
200
20
40
60
80
100
-0,5 -1
v [km/h]
v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel Spotřeba paliva při jízdě rovnoměrnou rychlostí po rovině 6000
12
5000
10
4000
8 3000 6 2000
4
1000
2 0 0
20
40
60
80
100
120
v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
140
160
180
0 200
n MOTORU [ot/min]
Spotřeba paliva [litr / 100 km]
14
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel 100 90 80
v [km/hod]
70 60 50 40 30 20 10 0 0
5
10
15 t [s]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
20
25
30
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel Maximální zrychlení vozidla (omezeno adhezí)
3 2,5 2
a [m/s2 ]
1,5 1 0,5 0 -0,5
0
20
40
60
80
100
-1 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel Maximální stoupav ost vozidla (omezeno adhezí)
50 40
s [%]
30 20 10
0 0
20
40
60
80
100
-10 v [km/h]
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
140
160
180
200
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel Simulace jízdních emisních cyklů - USA Test FTP75 - Euro Test NEFZ 2000 - Test JAP15 - definovaný uživatelem
120 100
km/h
80 60 40 20 0 0
1180
195 sec
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla Ukázka vytvořeného programu v prostředí Microsoft Excel
Ukázka programu
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Dynamika vozidla - Hnací a dynamická charakteristika vozidla
Děkuji za pozornost.
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ