Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Jízdní odpory vozidel Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Petr Juráček Brno 2007
1
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Jízdní odpory vozidel“ 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……………………….
2
PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych na tomto místě poděkovat panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení, cenné rady a připomínky během zpracování diplomové práce.
3
ANOTACE Cílem této diplomové práce je seznámení s jízdními odpory vozidla a možnostmi jejich stanovování pomocí výpočtů. Rovněž tak ukázka technických a technologických způsobů řešení jejich snižování. Následně pak i popis laboratorních metod měření jízdních odporů. Na válcovém vozidlovém dynamometru byla provedena měření pasivních ztrát v trakci vozidel se zaměřením na vliv huštění pneumatik. Z důvodů lepší názornosti jsou výsledky všech měření vyjádřeny ve formě ztrátového výkonu a zobrazeny graficky v závislosti na rychlosti zkoušky. Jednotlivá zkoušená vozidla jsou rozdělena do skupin dle typu a druhu pohonu. Z výsledků je pak možno vyčíst, že mezi jednotlivými skupinami panují značné rozdíly a významný vliv na velikost pasivních ztrát v trakci vozidel má i konstrukční stáří. V části měření zaměřené na vliv huštění pneumatik se pak potvrzuje předpoklad, že se i osoba řidiče může aktivně podílet na snížení některých jízdních odporů. ANNOTATION The aim of this thesis is to be acquainted with motion resistances of vehicles and possibilities of their determination with the help of calculations, demonstration of technical and technological solutions for their reduction, and even the description of laboratory methods of measurements of rolling resistances. Measurements of passive resistance in vehicle tractions concentrating on influence of inflation of tyres were done by chassis dynamometer. For reasons of better clearness, results of all measurements are expressed in the form of lost power and represented in graphs with its dependence on test of speed. Various tested vehicles were divided into different groups according to type. It is possible to notice from the result the considerable differences dominate between groups and even constructional age has significant influence on the size of passive loss in vehicle traction. In the measurement section concentrated on the influence of inflation of tyres, the assumption, that a driver can play an active role in reduction of some of motion resistance has been confirmed.
4
KLČOVÁ SLOVA jízdní, odpor, vozidlo, valivý, aerodynamický, stoupání, zrychlení, výkon, rychlost, zkušebna, tlak, pneumatika KEYWORDS motion, resistance, vehicle, antifriction, aerodynamic, rising, acceleration, power, speed, testing room, pressure, tire
5
1
ÚVOD....................................................................................................................... 7
2
CÍL PRÁCE............................................................................................................. 9
3
ROZDĚLENÍ JÍZDNÍCH ODPORŮ.................................................................... 9 3.1
Odpor valivý ................................................................................................... 10
3.2
Odpor aerodynamický..................................................................................... 15
3.3
Odpor stoupání................................................................................................ 18
3.4
Odpor zrychlením ........................................................................................... 19
3.5
Celkový jízdní odpor a potřebná hnací síla .................................................... 22
4
JÍZDNÍ VÝKONY ................................................................................................ 24
5
METODY MĚŘENÍ JÍZDNÍCH ODPORŮ ...................................................... 25
6
7
5.1
Odpor valivý ................................................................................................... 25
5.2
Odpor aerodynamický..................................................................................... 27
5.3
Odpor stoupání................................................................................................ 28
5.4
Odpor zrychlením ........................................................................................... 28
EXPERIMENTY .................................................................................................. 29 6.1
Zkušební zařízení ............................................................................................ 29
6.2
Pasivní ztráty v trakci automobilů .................................................................. 31
6.2.1
S pohonem předních kol ......................................................................... 31
6.2.2
S pohonem 4x4 ....................................................................................... 32
6.2.3
Terénní vozidla ....................................................................................... 34
6.2.4
Lehká nákladní vozidla........................................................................... 35
6.3
Aplikace pasivních ztrát.................................................................................. 36
6.4
Vliv snížení tlaku v pneumatikách na pasivní ztráty ...................................... 37
6.4.1
Citroën C5 Break 2.0 HDi ...................................................................... 38
6.4.2
Škoda Felicia 1.3 MPi............................................................................. 40
ZÁVĚR .................................................................................................................. 42
POUŽITÁ LITERATURA........................................................................................... 44 INTERNETOVÉ STRÁNKY ...................................................................................... 44 SEZNAM OBRÁZKŮ .................................................................................................. 45 SEZNAM TABULEK................................................................................................... 46 SEZNAM GRAFŮ ........................................................................................................ 47
6
1
ÚVOD Problematiku jízdních odporů vozidel řeší již řadu let mnoho konstrukčních
kanceláří a to prakticky od počátku automobilové historie. V dřívějších dobách byly hlavním motorem pokroku především závodní automobily, jimž pomáhala kombinace výkonného motoru, dobrých jízdních vlastností a nízkých jízdních odporů získat mnohdy rozhodující technickou převahu nad konkurencí. Proto přebíraly řadu technických řešení i z jiných odvětví (např. z leteckého průmyslu). Logicky pak došlo k aplikaci těchto poznatků i do konstrukce osobních a nákladních automobilů, kde jedním z hlavních důvodů snahy o snížení jízdních odporů je především v posledních letech ostře sledovaná spotřeba paliva a s ní spjaté snižovaní množství emisí vypouštěných z výfuků. Tento trend potvrzuje čerstvé rozhodnutí Evropské komise, jenž vyslyšela přání klimatologů. Jako hranice maximálního množství vypouštěného CO2 průměrným osobním automobilem po roce 2012 bylo stanoveno 130 g CO2/km, což odpovídá průměrné spotřebě 5,1 l nafty nebo 5,8 l benzinu na sto kilometrů. Součástí technického řešení takového automobilu je kromě využití moderního hybridního pohonu i optimalizace jízdních odporů. Mezi příklady patři Honda Civic Hybrid (109 g CO2/km), Toyota Prius Hybrid (104 g CO2/km) a mnohé další.
Obr.1 Honda Civic Hybrid
7
Jejich hladké, perfektně slícované a vhodně navržené tvary jim dovolují dosahovat hodnot koeficientu aerodynamického odporu okolo cx=0,26 a nejen tvar karoserie vozů, ale i vyspělá technická řešení pod ní, pomáhají snižovat odpory. Je to například využití hliníkových tlakově litých pístů, které se vyznačují menší teplotní roztažností a tedy i nižším třením při vysokých teplotách. Povrchů pístních kroužků upravených technologií ion-plate a povrchů válců opracovaných metodou plateauhoning (rovinné - honování) a mnohé další technologie aplikované za účelem snížení mechanických ztrát.
Nejnovější trend studia jízdních odporů se pak překvapivě odklání od ryze technického řešení problému a hledá inspiraci v živočišné říši. Takzvané bionické projekty dosahují jedinečných výsledků a dokazují tak svoji důležitost. Příkladem může být studie firmy Mercedes-Benz nazvaná Bionic car. Ta si vzala za předlohu tvora z vodního světa – tropickou rybu. Ta i přes svůj spíše kubický tvar vykazuje vynikající aerodynamické vlastnosti. Model této ryby dosáhl při měření v aerodynamickém tunelu hodnoty koeficientu aerodynamického odporu cx=0,06.
Obr.2 Tropická ryba sloužící jako předloha
Z úsilí vývojářského týmu ve Stuttgartu pak vzešel koncept automobilu který dosahuje hodnoty koeficientu aerodynamického odporu cx=0,19. Tato extrémně nízká hodnota mu pak umožňuje snížit spotřebu paliva vzhledem k rychlosti až o 20 % oproti běžnému automobilu se shodným pohonem. I přesto si však zachovává tvary a rozměry použitelné pro nasazení v provozu.
8
Obr.3 Mercedes-Benz Bionic car
2
CÍL PRÁCE
Analýza současného stavu problematiky jízdních odporů vozidel.
Seznámení se zařízeními a metodami pro měření jízdních odporů vozidel.
Stanovení pasivních ztrát v trakci vozidel za pomocí zkoušek na válcovém vozidlovém dynamometru.
3
Zjištění vlivu huštění pneumatik vozidla na změnu ztrátového výkonu.
ROZDĚLENÍ JÍZDNÍCH ODPORŮ Jízdní odpory jsou síly, které působí proti pohybu vozidla. Dělíme je na odpory:
valivé,
aerodynamické,
stoupání,
zrychlení.
Odpory valivé a vzdušné působí vždy proti pohybu vozidla, odpory stoupáním a zrychlením pouze při daném způsobu pohybu.
9
3.1
Odpor valivý Valivý odpor vzniká deformací pneumatiky a vozovky. Je-li vozovka tuhá, pak
dochází jen k deformaci pneumatiky. Pneumatika se stýká s vozovkou v určité ploše, kterou nazýváme stopou. V přední části stopy ve směru valení dochází ke stlačování obvodu pneumatiky do roviny vozovky a v zadní části se obvod opět vyrovnává do původního tvaru. Vlivem ztrát v pneumatice, které se mění v teplo, jsou síly potřebné ke stlačení pneumatiky větší, než síly jimiž působí pneumatika na vozovku při navracení do původního tvaru. Tedy měrné tlaky v přední části stopy jsou větší než ty v části zadní (Vlk, 2003 a).
Graf 1 Rozložení měrných tlaků ve stopě pneumatik
Logicky je pak výslednice elementárních sil ve stopě pneumatiky, radiální reakce vozovky ZK předsunuta před svislou osu kola a to o hodnotu e. Předpokládáme moment :
[Nm]
M fK = Z K ⋅ e
, který působí proti otáčení kola. Předsunutou reakci ZK můžeme posunout do svislé osy kola, zavedeme-li moment Mfk, který působí z vozovky na kolo. Moment Mfk vyvolá vodorovnou reakci OfK , která směřuje proti pohybu kola.
10
Z čehož vyplývá, že ve středu kola musí působit vodorovná síla FxK = O fK , aby vznikla opět silová dvojice. Vodorovnou reakci OfK pak nazýváme valivý odpor kola (Vlk, 2003 a).
Obr.4 Silové poměry na valícím se kole
Z obr.3 vyplývá, že : M fK = O fK ⋅ rd = Z K ⋅ e
[Nm]
e = Zk ⋅ fK rd
[N ]
neboli valivý odpor je : O fK = Z k ⋅
, kde fk nazýváme součinitelem valivého odporu kola [-], který závisí především na druhu povrchu vozovky a rd je dynamický poloměr kola [m]. Ten je dán kolmou vzdáleností středu kola od opřené plochy, který má automobil při jízdě. Z dalších vlivů je nejdůležitější vliv deformace a vliv rychlosti kola. Deformace pneumatiky závisí především na huštění. Při menším tlaku vzduchu v pneumatice dochází k větší deformaci, vzrůstá deformační práce a současně stoupá i tlumící práce, která zvětšuje valivý odpor.
11
Graf 2 Hysterezní smyčky deformační charakteristiky pneumatiky
Při vyšších rychlostech nestačí pneumatika v poměrně krátkém čase vyrovnávat deformace, které vznikají v přední části stopy. Proto v zadní části stopy vzniká menší měrný tlak než při nižší rychlosti. Svislá reakce ZK se posouvá více dopředu a tím se součinitel valivého odporu zvětšuje. Při velkých rychlostech dochází také ke zvětšování valivého odporu vlivem ztrát, které souvisejí s rozkmitáním oběžné plochy u bočních stěn pneumatiky. Tento jev se projevuje především u diagonálních pneumatik a nazývá se stojaté vlny.
Obr.5 Vzhled stojatých vln na obvodu diagonální pneumatiky
12
Graf 3 Vliv konstrukce pneumatik na průběh součinitele valivého odporu
Při nízkých rychlostech u osobních vozidel do rychlosti 80 km/h, u nákladních do 50 km/h můžeme považovat součinitel valivého odporu nezávislý na jízdní rychlosti.
Povrch
fk
asfalt beton dlažba makadam polní cest - suchá polní cesta -mokrá travnatý terén hluboký písek čerství sníh bahnitá půda náledí
0,01 - 0,02 0,015 - 0,025 0,02 - 0,03 0,03 - 0,04 0,04 - 0,15 0,08 - 0,20 0,08 - 0,15 0,15 - 0,30 0,20 - 0,30 0,20 - 0,40 0,01 - 0,025
Tab.1 Součinitel valivého odporu pro různé povrchy
Celkový valivý odpor vozidla je pak dán součtem jednotlivých valivých odporů kol. O f = ∑ Z Ki ⋅ f Ki i
13
[N ]
Jelikož součet svislých reakcí jednotlivých kol je roven složce tíhy vozidla a rovněž se dá předpokládat, že součinitelé valivého odporu mají stejnou hodnotu platí:
[N ]
O f = G ⋅ sin α ⋅ f , kde G je celková tíha automobilu [N] a α úhel stoupání [◦].
Kromě valivého odporu působí na automobil ještě některé další odpory, jenž jsou tomuto odporu podobné. Jedním z nich je odpor, který vzniká vlivem sbíhavosti předních kol. Protože je velmi malý, obvykle ho v praktických výpočtech pomíjíme.Další z přídavných jízdních odporů vzniká při jízdě po nerovných vozovkách. Vlivem nerovností se tvoří v pneumatikách přídavné deformace, zvyšující jízdní odpor. Rovněž svislé kmitání vozidla je tlumeno tlumiči, mechanická energie se mění v teplo a motor vozidla tedy musí tyto ztráty překonávat. Kola vozidla se při jízdě stýkají s okolním vzduchem, čímž vzniká vzdušný odpor kol. Tento odpor se samostatně obvykle neuvažuje, ale přičítá se ke vzdušnému odporu celého vozidla. Jeho velikost pak činí přibližně 2% z celkového odporu. Jízdní odpor vzniká i při zatáčení automobilu, kdy se kola odvalují se směrovými úchylkami. Vliv těchto úchylek na součinitel valivého odporu je velmi progresivní.
Graf 4 Vliv směrové úchylky na součinitel valivého odporu
14
3.2
Odpor aerodynamický Při jízdě automobilu proudí část vzduchu kolem horní části karosérie a část se
musí protlačit prostorem mezi spodní částí vozidla a povrchem vozovky. Proudnice za vozem se neuzavírají, ale nastává víření. Tím vzniká odpor, který označujeme jako odpor aerodynamický. Velikost tohoto aerodynamického odporu je dána výslednicí normálových tlaků vzduchu na povrch karoserie a třecích sil, které působí v tečném směru proudění vzduchu kolem karoserie. Rovněž tak vzniká nad a pod automobilem nestejný tlak. Nad ním velký podtlak a pod ním mírný přetlak. Dochází tak k víření vzduchu v příčné rovině vozu. Takto vzniklý odpor pak nazýváme indukovaný aerodynamický. Ten je další složkou celkového aerodynamického odporu. V něm jsou zahrnuty také odpory, které vznikají při průchodu vzduchu chladícím a větracím systémem a odpory vznikající vířením a třením vzduchu u otáčejících se kol automobilu (Vlk, 2003 a).
Obr.5 Simulace víření vzduch za vozem NASCAR DaimlerChrysler Dodge (CFD)
15
Celkový aerodynamický odpor automobilu se pak určuje ze vztahu :
OV =
ρ2 1 ⋅ S x ⋅ cx ⋅ ρ ⋅ vr 2
[N ]
ρ kde vr je vektor náporové rychlosti proudění vzduchu kolem vozu [m], Sx je jeho čelní plocha [m2], ρ je hustota vzduchu [km-3] a cx je součinitel aerodynamického odporu [ρ ]. Vektor náporové rychlosti vr se skládá ze vektoru záporné rychlosti pohybu ρ automobilu v , se kterou automobil projíždí klidným vzduchem a z vektoru rychlosti ρ větru vv :
[ms ]
ρ ρ ρ vr = v + vv
−1
Výsledný úhel mezi vektorem náporové rychlosti vzduchu a osou automobilu se nazývá úhel náběhu vzduchu. U osobních automobilů má tento úhel do velikosti 20º malý vliv na výsledný součinitel aerodynamického odporu cx. Zcela jiné jsou ovšem poměry u nákladních automobilů. Zde již při úhlu náběhu 15º dochází k výraznému přírůstku k hodnotě cx a to o 50% (Vlk, 2003 a).
Tělesa koule krychle kapka Kolové prostředky osobní automobil závodní automobil traktor návěs Letadla podzvukové letadlo nadzvukový bitevník Lidé stojící člověk skokan na lyžích sjezdař parašutista Stavby Eiffelova věž Empire State Building
cx 0,47 1,05 0,04 cx 0,25 -0,40 0,6-1,1 0,7-0,9 0,9 cx 0,012 0,016 cx 1,0-1,3 1,2-1,3 1,0-1,1 1,0-1,4 cx 1,8-2,0 1,3-1,5
Tab.2 Přehled některých hodnot součinitelů aerodynamického odporu
16
Při praktických výpočtech vzdušného odporu se obvykle počítá s průměrnou rychlostí větru v =17 km/h. U měrné hustoty vzduchu ρ ,jenž je závislá na teplotě a tlaku, se většinou počítá s hodnotou ρ=1,25 kg/m3. Což platí pro tlak vzduchu p=101,3 kPa a teplotu t=15 ºC. Hodnotu plochy Sx pak získáme čelní projekcí vozu. Součinitel
odporu vzduchu cx závisí především na tvarech automobilu. Hodnoty cx se zjišťují měřením na modelech nebo skutečných automobilech v aerodynamickém tunelu. Ty pak můžeme rozdělit na tunely s otevřeným oběhem vzduchu a tunely s uzavřeným oběhem vzduchu.
Obr.7 Aerodynamický tunel s otevřeným oběhem vzduchu určený na testování modelů
Obr.8 Součinitele aerodynamického odporu dle tvaru karoserie 17
Vysoký součinitel aerodynamického odporu má za následek vysokou spotřebu paliva a proto je zřejmá snaha konstruktérů dosáhnout u většiny vozidel co nejnižších hodnot cx. Jistou výjimku tvoří sportovní a závodní automobily, u nichž je mnohdy obětována nízká hodnota cx vyššímu přítlaku ve vysokých rychlostech. U osobních automobilů je rozhodující vhodné provedení přídě a zádě vozu. Z tohoto hlediska je obecně vhodná příď se zaoblenými tvary a proudnicový tvar zadní části karoserie. Správný tvar přídě i zádě umožňuje dosáhnout u osobních automobilů hodnotu cx pod 0,3. Rovněž vhodně řešená (zakrytovaná) spodní strana automobilu zmenšuje součinitel cx o to asi o hodnotu 0,05. U nákladních automobilů se pro snížení součinitele
aerodynamického odporu používají nástavby nad kabinou řidiče. Jejich vliv je značný. Při úhlu náběhu vzduchu rovnajícímu se 0º se hodnota součinitele aerodynamického odporu zmenší přibližně o 35 %.
3.3
Odpor stoupání V okamžiku kdy automobil začne při jízdě překonávat převýšení začne na něj
rovněž působit odpor, který nazýváme odpor stoupání. Tento odpor je určen složkou tíhy vozidla rovnoběžnou s povrchem stoupající vozovky.
Obr.9 Určení odporu stoupání
Z obrázku tedy vyplývá že odpor stoupání je určen rovnicí :
[N ]
Os = G ⋅ sin α
, kde G je celková tíha působící v těžišti vozu [N] a zde rovněž předpokládáme výsledné působení odporu stoupání. 18
Úhel α je úhlem stoupání [◦] a měříme jej mezi rovinou vozovky a vodorovnou rovinou, místo něj se obvykle používá stoupání ve formě s = tagα .
V praktických podmínkách provozu automobilu bývá maximální překonávané stoupání vozovky 10 – 12 %. Většího stoupání pak dosahují pouze vysokohorské silnice a nebo terénní automobily při jízdě mimo vozovky. Při jízdě ze svahu pak dochází k zcela opačnému stavu, kdy sinová složka není odporem, ale naopak pohání vozidlo kupředu.
Obr.10 Ukázka ze závodů v jízdě terénem (Truck Trial)
3.4
Odpor zrychlením Při zrychlování automobilu působí proti jeho směru zrychlení setrvačná síla,
kterou nazýváme odporem zrychlení. Tento odpor je určen vztahem :
[N ]
Oz = Ozp + OzK
, kde Ozp je odpor zrychlení posuvné části [N] o hmotnosti m [kg]při zrychlení a [ms-2]:
[N ]
Ozp = m ⋅ a
a OzK je odpor zrychlení otáčejících se částí [N], který je dán vztahem : OzK = ∑ i
J Ki ⋅a rdi ⋅ rKi
19
[N ]
, JKi je pak hmotnostní moment setrvačnosti kola [kgm2] a rKi valivý poloměr kola [m]. Což je fiktivní veličina, která udává poloměr volně se valícího kola, jenž má stejnou úhlovou a dopřednou rychlost jako kolo skutečné.
Obr.11 Rotační části automobilu
K překonání odporu rotačních částí je nutno přivést na hnací kola vozidla moment, který je roven: M r = M rm + M rp + M rK
[Nm]
, kde Mrm je moment na hnaných kolech automobilu potřebný ke zrychlení rotujících
částí motoru [Nm], Mrp je moment nutný na zrychlení rotujících částí převodovky [Nm]a MrK je moment potřebný pro zrychlení kol vozu [Nm].
Moment pro zrychlení rotujících částí motoru : M rm = J m ⋅ ε m ⋅ ic ⋅ η
[Nm]
, Jm je hmotnostní moment setrvačnosti rotujících částí motoru [kgm2],
εm
je úhlové
zrychlení rotujících částí motoru [s-2] které je dáno : d 2ϕm εm = dt 2
[s ] −2
, φm je pak úhlová dráha rotujících částí motoru [◦], ic celkový převod mezi motorem a hnacími koly [-] :
[−]
ic = i p ⋅ ir
, ip je převod převodovky [-], ir je převod rozvodovky [-] a η mechanická účinnost [-].
20
Moment zrychlení rotujících částí převodovky Mrp určíme ze vztahu : M rp = J p ⋅ ε p ⋅ ir ⋅ η
[Nm]
a moment pro zrychlení kol vozidla : M rK = ∑ J Ki ⋅ ε Ki
[Nm]
i
Mezi úhlovým zrychlením kol automobilu εK a úhlovým zrychlením rotujících částí motoru εm platí vztah:
εK =
εm
[s ] −2
ic ⋅ ir
Zároveň mezi úhlovým zrychlením spojovacího hřídel εp a úhlovým zrychlením kol automobilu εK platí :
εK =
εp
[s ] −2
ir
Závislost úhlového zrychlení kol automobilu εK na podélném zrychlení a vyjadřuje rovnice :
εK =
[s ]
a rK
−2
Dosadíme-li tyto rovnice do základního vyjádření odporu zrychlení a předpokládáme-li že rK=rd, můžeme odpor zrychlení vyjádřit ve tvaru :
(
)
J m ⋅ ic2 + J p ⋅ ir2 ⋅ η + ∑ J Ki ⋅m⋅a i Oz = 1 + 2 m ⋅ rd
[N ]
, kde výraz ve hranaté závorce můžeme označit jako součinitel vlivu rotačních částí
υ [-]. Za předpokladu stálého převodu rozvodovky ir závisí celkový převod ic na aktuálně zařazeném převodovém stupni v převodovce automobilu ip, účinek rotačních
částí je pak silně závislý právě na okamžitém převodu ip. Při přímém záběru, tedy ip=1, zvětšují rotační části vozidla sílu odporu zrychlením asi o 7 %.
21
Ale při prvním převodovém stupni, který je u osobních automobilů zpravidla roven ip=4 a u nákladních ip=8, vzrůstá odpor zrychlením u osobních automobilů asi o 70 % a u nákladních automobilů až o 270 %.
Graf 5 Vliv celkového převodu na součinitel vlivu rotačních částí
3.5
Celkový jízdní odpor a potřebná hnací síla Celkový jízdní odpor automobilu získáme prostým sečtením jednotlivých
odporů : FK = O f + OV + OS + OZ
[N ]
Výkon jenž musíme přivádět na kola automobilu pro překonání jízdních odporů je pak roven :
[W ]
PK = FK ⋅ v , kde v je rychlost jízdy automobilu [ms-1].
Dosadíme li příslušné rovnice za jednotlivé jízdní odpory dostaneme výraz :
1 P K = G ⋅ sin α ⋅ f + ⋅ S x ⋅ cx ⋅ ρ ⋅ vr2 + G ⋅ sin α + ϑ ⋅ m ⋅ a ⋅ v 2
22
[W ]
Je tedy zřejmé, že výkon potřebný k překonání valivého odporu, odporu stoupání a konečně i odporu zrychlení roste s rychlostí jízdy v. Za předpokladu bezvětří je vr=v a pak tedy roste aerodynamický odpor (vyjádřený ve výkonu) s třetí mocninou rychlosti automobilu.
Graf 6 Hnací výkon na kolech k překonání jízdních odporů
Graf 7 Hnací síla na kolech k překonání jízdních odporů
23
4
JÍZDNÍ VÝKONY Výsledkem spojení poznatků o jízdních odporech a charakteristice hnacího
ústrojí je stanovení jízdních výkonů vozidla. Jedná se především o maximální rychlost, možnosti zrychlení, spotřebu paliva a další parametry.
Spojíme-li
grafy
potřebného
hnacího
výkonu
a
síly
s příslušnými
charakteristikami spalovacího motoru, dostaneme rychlostní charakteristiku hnací síly nebo výkonu. Hnací síly (výkony) spalovacího motoru musíme ponížit o ztráty v trakci vozidla. Pro stanovení maximální možné rychlosti pohybu vozidla se většinou zanedbává vliv bočního větru a oporu zrychlení, který je pro tento pohyb roven nule.
Graf 8 Rychlostní charakteristiky sil a výkonů
Graf rychlostní charakteristiky sil se zakreslenými křivkami jízdních odporů se používá k vyšetřování výkonnostních vlastností automobilů. Křivky hnací síly jsou vypočteny z vnější rychlostní charakteristiky momentu motoru. Jsou to tedy průběhy maximálních hnacích sil pro jednotlivé rychlostní stupně. Při běžném provozu však pracuje motor převážně při částečném zatížení, takže rovnovážné stavy jsou dány průsečíky křivek jízdních odporů s křivkami hnacích sil při částečném zatížení, které se většinou do diagramu nezakreslují (Vlk, 2003 a).
24
5
METODY MĚŘENÍ JÍZDNÍCH ODPORŮ Jednotlivé jízdní odpory se při návrhu konstrukce nového automobilu stanovují
nejprve teoreticky výpočtem. Později se jejich velikost a celkový vliv na jízdní výkony posuzuje pomocí celé škály zkoušek a to jak v laboratorních podmínkách, tak i v podmínkách skutečného provozu.
5.1
Odpor valivý Tento odpor se u skutečného automobilu většinou neuvažuje samostatně, ale
jako součást takzvaných pasivních ztrát. Mezi ně patří i odpory v ložiskách kol vozidla, odpory vzniklé od ne zcela dokonalého odtržení brzdového obložení, víření olejů v převodovém ústrojí, odpory ozubených převodů a mnohé další. I když se ve skutečnosti nejedná o zásadní složku celého jízdního odporu, nelze ji, jak bude
η [%]
dokázáno experimentem, opomíjet.
100,0
97,5
95,0
92,5
90,0
87,5
85,0
82,5
80,0
77,5 Účinost převodu 75,0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
i [-]
Graf 9 Závislost účinnosti převodu na převodovém poměru (zdroj: ZF)
Zkouška prováděná za účelem stanovení pasivních ztrát se provádí v laboratorních podmínkách a to na vozidlovém dynamometru.
25
Pro co možná nejvěrnější simulaci jízdy automobilu po skutečné vozovce je zapotřebí zkoušku provádět na monoválcové zkušebně s výrazně větším průměrem válce, než je průměr kol vozidla. Pouze tak lze minimalizovat vlivy deformace pneumatiky na geometricky jiném tvaru povrchu než je relativní rovina vozovky.
Před testem je nezbytná kalibrace zařízení, aby se vyloučily i pasivní ztráty vlastní zkušebny a to tak, aby se stabilizovala teplota všech částí, zejména ložisek. Rovněž je nutné zkontrolovat, zda jsou na hnacích kolech použity předepsané pneumatiky a zkontrolovat upevnění vyvažovacích závaží. Tlak v pneumatikách musí být na horní mezi stanovené výrobcem vozidla, to znamená pro plné zatížení. Po usazení vozidla na válcích zkušebny je nutno provést zajištění vozidla. Vozidlo se zafixuje pomocí konstrukce k podlaze zkušebny. Ta je vybavena pryžovými dorazy, které doléhají na nárazník a umožňují na vozidlu maření nadměrných dynamických sil. Před spuštěním motoru se musí na výfuk nasadit odsávací zařízení. Následně se motor vozidla zahřeje na provozní teplotu.
Poté následuje vlastní měření , přičemž je motor automobilu v chodu, je zařazen rychlostní stupeň a rozpojena spojka. Princip spočívá v roztáčení válců pomocí stejnosměrných pohonů zkušebny a snímání síly potřebné k udržení definované rychlosti. Odečtem předem známých pasivních odporů zkušebny je stanoven pasivní odpor vozidla.
Obr.12 Vozidlo při zkoušce pasivních ztrát
26
5.2
Odpor aerodynamický Jak již bylo řečeno stanovování aerodynamického odporu se provádí za pomocí
aerodynamických tunelů. V měřítku zmenšený model a nebo skutečné vozidlo je umístěno do k tomuto účelu určenému prostoru tunelu a nechá se obtékat proudem zkušebního vzduchu o dané rychlosti. Měření na skutečných automobilech je samozřejmě přesnější, zejména stojí-li vůz na zkušebních válcích a kola vozidla se otáčejí. Pomocí tenzometrických snímačů je pak monitorována celková velikost síly, působící na vozidlo. Tato síla je pak rovna velikosti aerodynamického odporu Ov při určité rychlosti jízdy (vzduchu).
Obr.13 Test Ferrari P 4/5 v aerodynamickém tunelu firmy Pininfarina
Pro účely srovnání aerodynamických vlastností jednotlivých tipů vozidel se většinou z rovnice aerodynamického odporu vyjadřuje součinitel cx. cx =
2 ⋅ Ov S x ⋅ ρ ⋅ vr2
[−]
Vzhled k tomu, že velikost aerodynamického odporu roste s kvadrátem náporové rychlosti, přispívá tento odpor významnou měrou k celkovému jízdnímu odporu. Snaze o minimalizaci tohoto odporu je tedy věnováno značné úsilí a to zejména v prostoru mezi spodní částí vozidla a povrchem vozovky.
27
5.3
Odpor stoupání Jelikož velikost odporu stoupání je jednoznačně dána výpočtem vycházejícím z
aktuální situace automobilu na vozovce, není většinou zapotřebí jeho konkrétní hodnotu podrobovat zkouškám. Jistou výjimku tvoří pouze terénní automobily. U nichž je jedním ze srovnávacích parametrů stoupavost, jenž je dána maximálním úhlem sklonu svahu, který je automobil schopen překonat.
5.4
Odpor zrychlením Ve spojení s charakteristikou hnacího ustrojí automobilu určuje tento odpor
jeden ze základních parametrů jízdního výkonu. Tento parametr nezýváme zrychlením a to je zpravidla udáváno ve formě času, který je zapotřebí k tomu, aby automobil zrychlil z 0 km/h na 100 km/h.
Jelikož na teoretické určení velikosti odporu zrychlením je zapotřebí dokonalé znalosti konkrétní konstrukce automobilu, provádí se většinou pouze přímé měření zrychlení. Toto měření je pak uskutečňováno na zkušební dráze a to převážně za pomoci měřících přístrojů na systému radaru, telemetrických systémů s GPS a nebo starší metodou využívající vlečeného kola.
Obr.14 Přístroj pro měření rychlosti na sytému GPS od firmy Dewetron (200 Hz) 28
6
EXPERIMENTY Veškeré provedené experimenty byly uskutečněny na vozidlové zkušebně
v laboratořích Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity a to na válcovém vozidlovém dynamometru s označením 4VDM.
Ke zkouškám byla vybrána vozidla, která se běžně pohybují po našich silnicích. V jednotlivých grafech jsou pak srovnána vozidla se stejného typu, tedy vozidla :
s pohonem předními koly,
s pohonem 4x4,
terénní vozidla,
lehká nákladní vozidla.
Je třeba otevřeně říci, že tyto experimenty, byť byly provedeny na velmi přesném zařízení, nelze brát jako etalon pasivních ztrát všech vozidel téže typové řady, a to z důvodů čistě prozaických. Nelze přesně determinovat vliv počtu najetých kilometrů na velikost pasivních ztrát vzhledem k opotřebení, nehledě na rozdíly v použitých typech pneumatik a lidé znalí problematiky mohou také namítnout, že pokud bude síla působit na kolo a roztáčet soukolí převodů, tedy obráceně, než je tomu při provozu, pak jsou silové poměry v soukolí jiné. To bychom už ale mluvili o promilích hnací síly.
Pro lepší názornost jsou odpory vyjádřeny ztrátovým výkonem tak, aby každý motorista získal představu o výkonu, který se zmaří pouze přenosem z motoru na vozovku. Rozdíly v počátcích a koncích jednotlivých křivek vyplívají z otáčkového rozsahu motoru a celkového převodu mezi motorem a hnacím kolem, který byl individuální u každého automobilu.
6.1
Zkušební zařízení Konstrukční řešení válcového vozidlového dynamometru vychází z tuhých
základních rámů, na kterých jsou umístěny ložiska válců, stojin a rámů se stejnosměrnými elektrickými dynamometry.
29
Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru, společně s přední osou vozidlového dynamometru. Propojení válcových jednotek s el. dynamometry je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrždění. Dále je každá válcová jednotka vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. V podlaze okolo montážní jámy jsou zality kotvící drážky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed. Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla.
Obr.15 Vozidlová zkušebna v laboratořích Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity
30
Max. zkušební rychlost [km/h] 200 Max. výkon na nápravu [kW] 240 Max. hmotnost na nápravu [kg] 2000 Průměr válců [m] 1,2 Šířka válců [mm] 600 Mezera mezi válci [mm] 900 Povrch válců zdrsnění RAA 1,6 Hmotnost válců (každá náprava) [kg] 1130 Min. rozvor [mm] 2000 Max. rozvor [mm] 3500 Zatížitelnost krytí v místě jízdy [kg] 2000 v místě chůze [kg] 500 Tlakový vzduch [bar] min. 4 -1 0 - 200 Rozsah měření rychlosti [km.h ] Rozsah měření sil [kN] ±5 -1 Přesnost měření rychlosti [km.h ] ± 0,01 Přesnost měření sil [%] ± 1,5 Přesnost regulace rychlosti [%] ± 1,5 Přesnost regulace síly [%] ± 2,5
Tab.3 Základní technická data dynamometru MEZ 4VDM E120-D
Data z měření se pak zapisují až ze 255 kanálů v reálném čase na PC. Protokol z měření je ukládán v HTML a všechny údaje je možno samozřejmě exportovat do tabulkového procesoru k další analýze.
6.2
Pasivní ztráty v trakci automobilů
6.2.1 S pohonem předních kol
Pohon předními koly je dominantním způsobem přenosu hnací síly na vozovku. Z grafu je zřejmé, že pasivní ztráty se u zkoušených vozidel liší jen nepatrně. Absolutní
čísla však říkají, že pojede-li řidič rychlostí 130 km.h-1 po dálnici, pak jen čtyři až šest kilowatt spotřebuje samotný přenos výkonu na vozovku. V tabulce jsou pak uvedena technická specifikace vozidel s údaji vztaženými k testu.
31
Pasivní ztráty [kW]
9
8
7
6
5
4
3 Citroën C5 Break 2.2 HDi
2
Ford Focus Com bi 1.8 TDCi Renault Laguna II 1.9dCi
1
Škoda Octavia Com bi 1.6 Škoda Superb V6 2.8
0 40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Rychlost [km/h]
Graf 10 Pasivní ztráty v trakci vozidel s pohonem předními koly
Výrobce Citroën Ford Renault Škoda Škoda
Typ C5 Break 2.2 Hdi Focus Combi 1.9 TDCi Labuna II 1.9 dCi Octavia Combi 1.6 Superb 2.8 V6
Pohon přední přední přední přední přední
Pneumatiky 205/65 R15 195/60 R15 225/45 R17 195/65 R15 225/45 R17
Huštění (kPa) přední zadní Rychlostní stupeň testu 230 230 4. 230 310 4. 250 220 4. 220 240 4. 290 340 3.
Tab.4 Specifikace vozidel testu pasivních odporů
6.2.2 S pohonem 4x4
Pohon všech kol vozidla znamená lepší přenos sil na vozovku při zhoršených adhezních podmínkách. Bohužel na druhé straně s sebou nese také zvýšení pasivních ztrát při přenosu na vozovku, neboť v celé trakci je mnohem více elementů. Srovnávat vozidla s pohonem 4x4 je zavádějící, neboť zde existují naprosto rozdílné konstrukce a významný vliv má i vlastní řízení aktivních diferenciálů. Z grafu plyne, že pasivní ztráty Subaru a Mazdy jsou téměř totožné, pouze Škoda Octavia vykazuje nižší odpory. Příčinu je třeba hledat právě v konstrukci.
32
Zatímco Subaru i Mazda mají stálý pohon všech kol, Octavia je vybavena systémem Haldex a nelze tedy tvrdit, že je to plnohodnotné vozidlo s pohonem všech kol. Při zkoušce byl navíc systém Haldex neaktivní a pasivní ztráty nezahrnují odpory v transmisi mezi nápravami.
Pasivní ztráty [kW]
Obr.16 Schéma spojky sytému Haldex
20 18 16 14 12 10 8 6 4 Subaru Im preza WRX 2.0 16V
2
Škoda Octavia 1.9TDi 4x4 Mazda 323 GTX
0 40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Rychlost [km/h]
Graf 11 Pasivní ztráty v trakci vozidel s pohonem 4x4
33
Výrobce Typ Subaru Impreza WRX Mazda 323 GTX Škoda Octavia
Pohon 4x4 4x4 4x4
Huštění (kPa) Pneumatiky přední zadní Rychlostní stupeň testu 215/45 R17 230 230 4. 205/65 R18 210 210 4. 195/65 R15 260 260 4.
Tab.5 Specifikace vozidel testu pasivních odporů
6.2.3 Terénní vozidla
Obliba terénních vozidel je stále vyšší, a proto i tato kategorie byla zahrnuta do experimentu. Z grafu je patrné, že nevyšší ztrátový výkon vykazoval Land Rover, což bylo způsobeno stálým pohonem všech kol, zatímco u ostatních byl zvolen pohon zadní nápravy. Rozdíl mezi pohonem Land Roveru a Mazdy či Nissanu je více než markantní, ovšem je třeba brát v potaz účel vozidla a k němu vztaženou konstrukci pohonu či typ
Pasivní ztráty [kW]
pneumatik.
26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4
Land Rover Defender 110TDI Mazda B-Fighter
2
Nissan Terrano II 2.7TD
0 40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Rychlost [km/h]
Graf 12 Pasivní ztráty v trakci terénních vozidel
34
Výrobce Typ Land Rover Defender 110 TDI Mazda B-Fighter Nissan Terrano II
Pohon 4x4 zadní zadní
Huštění (kPa) Pneumatiky přední zadní Rychlostní stupeň testu 7,5 - 16 200 340 4. 205 R16 210 210 4. 235/70 R16 200 200 5.
Tab.6 Specifikace vozidel testu pasivních odporů
6.2.4 Lehká nákladní vozidla
Na válcové zkušebně jsme podrobili zkoušce pasivních odporů i tři zástupce lehkých nákladních vozů. Již tradičním představitelem této kategorie je Avia a její starší modelové řady. Vzhledem ke stáří konstrukce se nelze divit výrazně vyšším pasivním
Pasivní ztráty [kW]
ztrátám při přenosu sil na vozovku tak, jak vyplývá z grafu.
22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Avia Furgon 21t
2
Renault Mascott 150.35P VW LT 35
0 40
50
60
70
80
90
100
110
120
Rychlost [km/h]
Graf 13 Pasivní ztráty v trakci lehkých nákladních automobilů
Výrobce Typ Avia Furgon 21t Renault Mascott VW LT 35
Huštění (kPa) Pohon Pneumatiky přední zadní Rychlostní stupeň testu zadní 7,5 - 16 220 430 5. zadní 195/75 R16 400 400 4. zadní 225/70 R15 160 450 4.
Tab.7 Specifikace vozidel testu pasivních odporů 35
6.3
Aplikace pasivních ztrát Z předchozích výsledků jsou patrny pasivní ztráty při přenosu výkonu z motoru
na vozovku. Názorným příkladem kontroly správnosti výsledků může být aplikace těchto ztrát v součtu s odporem vzduchu na maximální rychlost vozidla a potřebného výkonu.
Zvolme si například automobil Škoda Octavia Combi 4x4 s motorem 1.9 TDi. Pasivní ztráty tohoto vozidla jsou zobrazeny v grafu 11.
Graf 14 Křivka pasivních odporů reprezentovaná ekvivalentním ztrátovým výkonem automobilu Škoda Octavia Combi 4x4 1.9 TDi
Z technické specifikace vyčteme, že tento model automobilu má výkon motoru 74 kW a maximální rychlost 184 km/h. Promítneme-li tyto údaje do grafu, pak jsme
dosáhli shody a měření je tedy v pořádku.
36
6.4
Vliv snížení tlaku v pneumatikách na pasivní ztráty Jízda na pneumatikách s nižším tlakem, než je výrobcem předepsaná hodnota, je
bohužel na našich silnicích dosti rozšířená. Pozvolný pokles tlaku způsobuje jednak prostup molekul vzduchu pryží pneumatiky a jednak malé netěsnosti v systému kola. Vliv nižšího tlaku na bezpečnost, spolehlivost, životnost a v neposlední řadě spotřebu spjatou s pasivními ztrátami, většina motoristů podceňuje. K celkově špatné situaci přispívá nejen lidská lenost, ale i nevalný technický stav některých stanic tlakového vzduchu, jejichž manometry ukazují mnohdy mylné hodnoty. Rovněž tak laciné manometry, prodávané obchodními řetězci, jsou schopny vykazovat značnou chybu měření tlaku.
Jak plyne z rovnice pro odpor valivý OfK, závisí jeho velikost na hodnotě radiální rekce vozovky ZKa a součiniteli valivého odporu fK. O fK = Z k ⋅
e = Zk ⋅ fK rd
[N ]
Právě velikost součinitele valivého odporu se mění vlivem změny tlaku v pneumatikách vozidla. Dochází ke zvětšení stykové plochy a tedy zvětšení vzdálenosti e a zároveň ke zmenšení dynamického poloměru kola rd. Změna velikosti valivého odporu se projeví na celkové hodnotě pasivních ztrát automobilu.
Obr.17 Změna působiště reakce Zk vlivem snížení tlaku v pneumatice
37
Následující řada experimentů se zaměřuje právě na velikost změny hodnoty pasivních ztrát vlivem snížení tlaku v pneumatikách. Předem je vhodné uvést, že test vycházel z podmínky, že pokles tlaku bude na hranici, kdy již lze pohledem určit, že se jedná o podhuštěné pneumatiky. Vyhneme se experimentům s prázdnými pneumatikami jelikož snad žádný motorista je není schopen dlouhodobě takto provozovat. Přesto že je přesnost měření zkušebny na velmi vysoké úrovni, činí ± 5 N. Což při maximální rychlosti 200 km/h způsobuje toleranci výkonu 0,28 kW. Bylo každé měření třikrát opakováno a mezi jednotlivými kroky po změně tlaku navíc také třikrát provedeno, aby se vyloučila chyba měření se změnou teploty celé soustavy vozidla a dynamometru. Navíc byla sledována teplota pneumatik, tak aby byla dodržena podmínka „studeného“ huštění. K experimentu byla využita vozidla Citroën C5 Break 2.0 HDi a na našich silnicích stále ještě rozšířená Škoda Felicia 1.3 MPi.
6.4.1 Citroën C5 Break 2.0 HDi
Zkoušené vozidlo bylo vybaveno pneumatikami Michelin Energy v rozměru 205/65 R15 94H a výška vzorku činila 4 mm. Experiment probíhal v rozmezí rychlostí 40 km/h až 160 km/h s krokem 10 km/h. Minimální rychlost se odvíjí od faktu, že
v nízkých rychlostech se součinitel odporu valení téměř nemění a křivka by rostla lineárně.
Test č. 1 2 3 4
Huštění (kPa) Přední Zadní 230 250 230 320 200 220 180 200
Poznámka výrobcem udávané huštění pro poloviční zatížení výrobcem udávané huštění pro plné zatížení pokles tlaku (viditelný na přední nápravě) pokles tlaku (viditelný na obou nápravách)
Tab.8 Parametry huštění pneumatik
38
Obr.18 Rozložení hmotnosti Citroënu C5 Break 2.0 HDi
Graf 15 Křivky ztrátového výkonu odporu valení pro různé huštění
39
Srovnáme-li průběhy křivek, které jsou uvedeny v grafu, pak dospějeme k závěru, že se dle očekávání ztrátový výkon zvýšil. Maximální rozdíl lze pozorovat mezi podhuštěnými pneumatikami a výrobcem předepsaném huštění pro plné zatížení. Diference mezi těmito stavy činí cca 2,3 kW. Na první pohled se jedná o poměrně malý rozdíl, který bychom mohli zanedbat. Pokusíme-li se ale uvažovat v širších souvislostech a představit si modelovou situaci, kdy pojedeme ustálenou rychlostí 160 km/h na pátý rychlostní stupeň (celkový převodový poměr činí 2,403), pak otáčky
motoru se budou pohybovat okolo hodnoty 3 390 min-1. V tomto režimu má motor měrnou spotřebu paliva cca 235 g/kWh. Rozdíl spotřeby paliva mezi uvedenými způsoby huštění bude 540,5 gramu nafty za hodinu, volumetricky zhruba 0,65 litru za hodinu, tedy hodnota spotřeby se od optima zvýší o 0,4 litru na každých 100 km. Vzhledem k tomu, že se jedná o zvýšení spotřeby kterému je možné přecházet relativně snadnou kontrolou a údržbou, nelze ji považovat za zanedbatelnou.
6.4.2 Škoda Felicia 1.3 MPi
Další ze zkoušených vozidel byla Škoda Felicia 1.3 MPi. Ta byla vybavena pneumatikami Dayton D100 v rozměru 165/70 R13 79T a výška vzorku činila 3 mm. V tomto případě experiment probíhal v rozmezí rychlostí 10 km/h až 140 km/h s krokem 20 km/h. Důvodem změny rychlostního rozsahu zkoušky byl jiný rychlostní index
pneumatik a nižší jízdní výkony zkoušeného vozidla oproti vozidlu Citroënu C5 Break.
Obr.19 Příprava zkoušky Škody Felicia 1.3 MPi 40
Ztrátový výkon odporu valení (kW)
Obr.20 Vzhled viditelně podhuštěné pneumatiky
10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 Pokles tlaku (přední i zadní pneumatiky 140kPa)
3,0
Pokles tlaku (přední i zadní pneumatiky 160kPa)
2,0
Pokles tlaku (přední i zadní pneumatiky 180kPa) Huštění dle výrobce pro plné zatížení (přední pneumatiky 220 kPa, zadní pneumatiky 260 kPa) Huštění dle výrobce pro poloviční zatížení (přední i zadní pneumatiky 200 kPa)
1,0 0,0 0
20
40
60
80
100
120
140
Rychlost vozidla (kp/h)
Graf 16 Křivky ztrátového výkonu odporu valení pro různé huštění
41
Test č. 1 2 3 4 5
Huštění (kPa) Přední Zadní 200 200 220 260 180 180 160 160 140 140
Poznámka výrobcem udávané huštění pro poloviční zatížení výrobcem udávané huštění pro plné zatížení pokles tlaku (ne příliš zřetelný na obou nápravách) pokles tlaku (viditelný na přední nápravě) pokles tlaku (viditelný na obou nápravách)
Tab.9 Parametry huštění pneumatik
Rovněž u tohoto vozidla došlo vlivem podhuštění pneumatik k nárůstu ztrátového výkonu. Opět je maximální rozdíl mezi podhuštěnými pneumatikami a výrobcem předepsaném huštění pro plné zatížení, přičemž diference činí cca 2,46 kW. I přesto, že se jedná o nápadně podobný výsledek jako při předcházejícím testu, nelze tyto dvě hodnoty v žádném případě porovnávat. A to nejen z důvodu radikálně lišících se vozidel, ale hlavně z důvodu naprosto rozdílných typů pneumatik.
7
ZÁVĚR Jízdní odpory v kombinaci s charakteristikou hnacího ústrojí automobilu mají
neoddiskutovatelně zásadní vliv na celkové jízdní výkony a rovněž tak na ekonomickou stránku provozu vozidla. Vývoj systémů a technologií přispívajících k jejich snižování je v současné době tlačen kupředu nejen těmito faktory, ale i přísnými ekologickými požadavky, které jsou kladeny na současná vozidla. V tomto ohledu však nelze do budoucna počítat se snižováním nároků, nýbrž naopak s jejich dalším zvýšením. Snaha vývojových týmů snižovat pasivní ztráty u nových typů vozidel je rovněž patrná z porovnání výsledků měření těchto ztrát u konstrukčně starších vozidel (Avia Furgon). Jak již bylo popsáno na začátku, jednou z možných cest je inspirace přírodou a jejími věky prověřenými řešeními pasivních ztrát. Ovšem nejen konstrukce vozidla, ale rovněž tak razantní vývoj v oblastech umělých hmot, vazelín a olejů přispívá k dalšímu snižování jízdních odporů.
42
V přímém protikladu vůči této snaze stojí nejen nutnost zvyšování pasivní bezpečnosti posádky, která je částečně spjata s vyšší hmotností vozidla jenž se negativně projevuje na hodnotě odporu zrychlení, ale i v poslední době zřetelná módní vlna terénních vozidel. Jejich mohutné (mnohdy hranaté) tvary, jednak posilují nejvýznamnější složku pasivních ztrát aerodynamický odpor. Zároveň však i pasivní ztráty v trakci určené částečně pro provoz v terénních podmínkách jsou vyšší než-li u běžných osobních vozidel. Snaha konstruktérských týmu co možná nejvíce potlačit tyto negativní vlastnosti je poháněna výrazně rostoucími čísly prodeje vozidel této třídy.
Jak vyplývá z experimentů uskutečněných za účelem stanovení pasivních ztrát v trakci jednotlivých typů automobilů mohou tyto ztráty v závislosti na rychlosti zkoušky dosahovat i poměrně značných hodnot. Konkrétní průběh je pak dán především typem konstrukce trakce vozidla a typem jeho pneumatik. Relativně značné mohou být i rozdíly mezi jednotlivými skupinami vozidel. Kromě konstrukce automobilů jako takových je dalším z významných faktorů osoba řidiče. Ten, jak bylo dokázáno experimenty zaměřenými na vliv snížení tlaku v pneumatikách, jednoznačně může ovlivnit hodnoty některých jízdních odporů a podílet se tak na celkovém zlepšení ekonomie provozu vozidla.
Je tedy zřejmé, že v budoucnosti bude problematika jízdních odporů promlouvat do konstrukce automobilů čím dál tím více a bude rovněž nabývat na významu v podvědomí společnosti jako takové.
43
POUŽITÁ LITERATURA 1
AUTO TIP. Obsah CO2 ve výfukových plynech. 5 číslo. Praha, Axel Springler Praha a.s, 2007-. 74 s. ISSN 1210-1087
2
DOČKAL, V. Pneumatiky. 1 vyd. Praha. České vysoké učení technické, 1998. 71 s. ISBN 80-01-01882-2
3
KOVANDA, B. Aerodynamika vozidel. 1 vyd. Praha. České vysoké učení technické, 1999. 50 s. ISBN 80-01-01942-X
4
PEJŠA, J. a kol. Technická diagnostika. 1 vyd. Praha. Česká zemědělská univerzita, 1995. 195 s.ISBN 80-238-6573-0
5
TESAŘ, J. Konstrukce vozidlových spalovacích motorů. 1 vyd. Pardubice. Univerzita Pardubice, 2003. 172 s. ISBN 80-7194-550-1
6
VLK, F. Dynamika motorových vozidel. 2 vyd. Brno. Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2003 a. 432 s. ISBN 80-239-0024-2.
7
VLK, F. Stavba motorových vozidel. 1 vyd. Brno. Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2003 b. 499 s. ISBN 80-238-8757-2.
8
VLK, F. Vozidlové spalovací motory. 1 vyd. Brno. Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2003 c. 580 s. ISBN 80-238-8756-4.
9
VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. 1 vyd. Brno. Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2001. 576 s. ISBN 80-2386573-0.
INTERNETOVÉ STRÁNKY 1.
AUTO.CZ. Pneumatiky. Dostupný na WWW
2.
MZLU. Vozidlová zkušebna. Dostupný na WWW
3.
VUT. Zkoušky hnacího ústrojí. Dostupný na WWW
44
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr.1 Honda Civic Hybrid................................................................................................7 Obr.2 Tropická ryba sloužící jako předloha .....................................................................8 Obr.3 Mercedes-Benz Bionic car......................................................................................9 Obr.4 Silové poměry na valícím se kole.........................................................................11 Obr.5 Vzhled stojatých vln na obvodu diagonální pneumatiky......................................12 Obr.6 Simulace víření vzduch za vozem NASCAR DaimlerChrysler Dodge ...............15 Obr.7 Aerodynamický tunel s otevřeným oběhem vzduchu určený na t. m...................17 Obr.8 Součinitele aerodynamického odporu dle tvaru karoserie....................................17 Obr.9 Určení odporu stoupání ........................................................................................18 Obr.10 Ukázka ze závodů v jízdě terénem (Truck Trial) ...............................................19 Obr.11 Rotační části automobilu ....................................................................................20 Obr.12 Vozidlo při zkoušce pasivních ztrát....................................................................26 Obr.13 Test Ferrari P 4/5 v aerodynamickém tunelu firmy Pininfarina.........................27 Obr.14 Přístroj pro měření rychlosti na sytému GPS od firmy Dewetron......................28 Obr.15 Vozidlová zkušebna v laboratořích MZLU ........................................................30 Obr.16 Schéma spojky sytému Haldex...........................................................................33 Obr.17 Změna působiště reakce Zk vlivem snížení tlaku v pneumatice .........................37 Obr.18 Rozložení hmotnosti Citroënu C5 Break 2.0 HDi..............................................39 Obr.19 Příprava zkoušky Škody Felicia 1.3 MPi ...........................................................40 Obr.20 Vzhled viditelně podhuštěné pneumatiky...........................................................41
45
SEZNAM TABULEK Tab.1 Součinitel valivého odporu pro různé povrchy.....................................................13 Tab.2 Přehled některých hodnot součinitelů aerodynamického odporu.........................16 Tab.3 Základní technická data dynamometru MEZ 4VDM E120-D .............................31 Tab.4 Specifikace vozidel testu pasivních odporů..........................................................32 Tab.5 Specifikace vozidel testu pasivních odporů..........................................................34 Tab.6 Specifikace vozidel testu pasivních odporů..........................................................35 Tab.7 Specifikace vozidel testu pasivních odporů..........................................................35 Tab.8 Parametry huštění pneumatik ...............................................................................38 Tab.9 Parametry huštění pneumatik ...............................................................................42
46
SEZNAM GRAFŮ Graf 1 Rozložení měrných tlaků ve stopě pneumatik.....................................................10 Graf 2 Hysterezní smyčky deformační charakteristiky pneumatiky ..............................12 Graf 3 Vliv konstrukce pneumatik na průběh součinitele valivého odporu ...................13 Graf 4 Vliv směrové úchylky na součinitel valivého odporu .........................................14 Graf 5 Vliv celkového převodu na součinitel vlivu rotačních částí................................22 Graf 6 Hnací výkon na kolech k překonání jízdních odporů ..........................................23 Graf 7 Hnací síla na kolech k překonání jízdních odporů ..............................................23 Graf 8 Rychlostní charakteristiky sil a výkonů ..............................................................24 Graf 9 Závislost účinnosti převodu na převodovém poměru (zdroj: ZF) .......................25 Graf 10 Pasivní ztráty v trakci vozidel s pohonem předními koly .................................32 Graf 11 Pasivní ztráty v trakci vozidel s pohonem 4x4..................................................33 Graf 12 Pasivní ztráty v trakci terénních vozidel ...........................................................34 Graf 13 Pasivní ztráty v trakci lehkých nákladních automobilů .....................................35 Graf 14 Křivka pasivních odporů reprezentovaná ekvivalentním ztrátovým výkonem automobilu Škoda Octavia Combi 4x4 1.9 TDi .............................................................36 Graf 15 Křivky ztrátového výkonu odporu valení pro různé huštění .............................39 Graf 16 Křivky ztrátového výkonu odporu valení pro různé huštění .............................41
47
