Model jízdy vozidla s využitím úplné charakteristiky motoru Diplomová práce

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

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……………………….

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.

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

OBSAH ABSTRAKT .................................................................................................................... 4 1.

ÚVOD....................................................................................................................... 6

2.

CÍL PRÁCE............................................................................................................. 8

3.

SÍLY PŮSOBÍCÍ NA VOZIDLO .......................................................................... 8 3.1 HNACÍ SÍLA - HNACÍ VÝKON .................................................................................. 8 3.2 ZTRÁTOVÉ SÍLY ................................................................................................... 13 3.2.1

Odpor valení ............................................................................................... 14

3.2.1.1

Soudržnost pneumatiky a podložky ..................................................... 18

3.2.1.2

Současné trendy ve snižování valivého odporu .................................. 22

3.2.2

Odpor vzdušný............................................................................................ 23

3.2.1.3

Vývoj a současnost v aerodynamice motorových vozidel ................... 27

3.2.3

Odpor stoupání............................................................................................ 30

3.2.4

Odpor zrychlení .......................................................................................... 31

3.2.5

Odpor přívěsu ............................................................................................. 34

3.2.6

Celkový jízdní odpor a hnací síla ............................................................... 35

4.

FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ JÍZDNÍ DYNAMIKU .......................................... 37

5.

EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ.......................................................................... 40 5.1 KONSTRUKCE VÁLCOVÉHO DYNAMOMETRU 4VDM E120-D .............................. 41 5.2 PROVÁDĚNÁ MĚŘENÍ NA DYNAMOMETRU 4VDM E120-D .................................. 43 5.3 SIMULAČNÍ PROGRAM V MS EXCEL..................................................................... 49 5.4 POUŽITÁ MĚŘÍCÍ ZAŘÍZENÍ ................................................................................... 52

6.

ZÁVĚR .................................................................................................................. 54

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

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

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

Fh =

M k .ic .η m rd

[N ]

kde Mk představuje krouticí moment motoru, ic celkový převod a ηm mechanickou účinnost motoru. Ve jmenovateli pak rd 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

∑ Fx = 0 ,

Fv – Fs = 0

∑ Fy = 0 ,

Gv – Yv = 0

∑ Mo = 0 ,

Fv.rd – cv.Yv = 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 Yv a Fv 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:

Fv =

cv rd

.Yv =

cv rd

.Gv

[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.

Mv = cv . Yv = Fv . rd = Yv . rd . 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 cv. Na následujícím obrázku je tato hodnota vyjádřena úhlem Ψ. (Bauer, F.; 2006) 10

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.

∑ Fx = 0 , Fs + Ff - Fh = 0 ∑ Fy = 0,

Gh - Yh = 0

∑ Mo= 0, Mh + rd . Fv - rd . Fh - ch . Yh = 0 kde : Gh tíha připadající na hnací kolo

[N]

Fh normálová reakce podložky

[N]

Fv síla odporu valení

[N]

Fs suvná síla karoserie vozidla

[N]

R výslednice normálové reakce a odporu valení

[N]

ch vzdálenost normálové reakce osy od kola

[m]

rd dynamický poloměr kola

[m]

Fh hnací síla

[N]

I v tomto případě je normálová reakce Yh předsunuta před střed kola o hodnotu ch, z čehož následně vyplývá, že síla odporu valení je vyjádřena:

11

Fv = f . Yh = f . Gh

[N]

Z důvodu předsunutí normálové reakce do osy kola je důležité zavést moment odporu valení Mv, tak jako tomu bylo v případě hnaného kola. Jeho hodnota je vyjádřena vzorcem:

Mv = ch . Yh

[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:

ic =

ω 2 .π .n n = = = i p .i r .ik ωh 2 .π .n h nh

[–]

kde: ω úhlová rychlost motoru

ωh 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 =

Fh Yh

[–]

Součinitel záběru je hodnota představující dokonalost kontaktu hnacího kola s podložkou a současně vyjadřuje, jaká část hnací síly je přenesena na podložku. 12

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 – 0,9.

3.2 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:

Mk

krouticí moment na kole

[N.m]

N1,2

normálová složka síly

[N]

G

tíha vozidla

[N]

T

těžiště vozidla

[m]

13

Os

odpor stoupání

[N]

Ov

odpor valení

[N]

Of

odpor vzduchu

[N]

Oa

odpor zrychlení

[N]

3.2.1 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 cv je vyjádřením rozdílu silového působení před stlačením a po stlačení pneumatiky, neboli rozdílem měrných tlaků.

14

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:

Fv = Gv . f

[N]

kde Gv je tíha vozidla a f je součinitel odporu valení.

Povrch asfalt dlažba polní cesta mokrá travnatý terén čerstvý sníh náledí

Součinitel odporu valení f 0,01 - 0,02 0,02 - 0,03 0,08 - 0,20 0,08 - 0,15 0,20 - 0,30 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

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

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 90 – 95 % 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

•

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

3.2.1.1 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

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

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

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

3.2.1.2 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 40 000 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

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 50 – 60 % je způsoben velikostí čelního profilu vozidla • z 8 – 10 % třením vzduchu o povrch karoserie • z 10 – 15 % průchodem chladicím systémem • z 12 – 18 % vířením a třením vzduchu k důsledku otáčení kol

23

Velikost síly odporu vzduchu vypočítáme ze vztahu: Ff = cx .

kde:

ρ 2

.S x .v 2

[N]

cx součinitel odporu

[–]

ρ

[kg/m3]

měrná hmotnost vzduchu

[m2]

Sx velikost čelní plochy 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 cx 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 cx o celých 50 % oproti stavu bez působení bočního větru. Toto navýšení cx 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

cx = kde:

g .( ρ t − ρ p ). L

ρ t .v 2

[–]

g gravitační zrychlení

[m/s]

ρt hustota tělesa

[kg/m3]

ρp hustota prostředí

[kg/m3]

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/m3. 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/m3]

Čelní plocha Sx je plochou průmětu obrysu vozidla do roviny, která je kolmá na osu x. Hodnotu Sx

můžeme získat planimetrickým měřením odrazu obrysu vozidla,

z dokumentace výrobce, nebo přibližným výpočtem: • pro osobní vozidla

Sx = (0,70 – 0,85) . šv . vv

[m2]

• pro nákladní vozidla

Sx= (0,80 – 0,95) ) . šv . vv

[m2]

Obr. 17 Průmět obrysu vozidla do roviny

25

Hodnota součinitele odporu cx roste přibližně úměrně k velikosti čelní plochy Sx, jak vyplývá z tabulky.

Typ vozidla běžný osobní automobil sportovní automobil nákladní automobil – valník nákladní automobil - valník s plachtou přívěsová jízdní souprava Autobus návěsová jízdní souprava s naloženým kontejnerem

Cx [–] 0,30 - 0,40 0,30 - 0,35 0,80 - 1,00 0,60 - 0,80 1,00 - 1,20 0,50 - 0,70 1,00 - 1,20

Sx [m2] 1,6 - 2,0 1,3 - 1,6 4,0 - 7,0 5,0 - 8,0 5,0 - 8,0 5,0 - 7,0 9

Tab. 2 Hodnoty čelní plochy Sx a součinitele odporu cx

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

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.

3.2.1.3 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

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 cx = 0,15. Jeho nástupce Probe V pak fascinoval svět hodnotou cx = 0,137, která je nižší než u proudové stíhačky F16.

Obr. 20 Ford Probe V

28

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 cx o pár setin (desetin). Zářným příkladem vývoje v aerodynamických tunelech může být BMW 320i Cabrio z roku 1987 s hodnotami cx = 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 cx = 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 korun1.

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 www.automotorevue.cz, BMW AVZ Aerodynamická strategie

29

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.

3.2.3 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: Fs = G . sin α kde:

[N]

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

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: s =

h = tg α l

[˚].

Pokud je sin α přibližně roven tg α, potom odpor stoupání bude: Fs = ± 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 10 – 12 %, 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 )

[˚].

3.2.4 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

Odpor zrychlení se skládá z odporu zrychlení rotačních částí a odporu zrychlení posuvných částí2. Potom sílu pro překonání odporu zrychlení vypočteme jako: Fz = a .m c = a .( m + ∆ m + m a1 ) kde:

[N],

a

zrychlení

[m/s2]

mc

celková hmotnost

[kg]

m

hmotnost vozidla

[kg]

∆m

posuvné hmoty rotačních částí

[kg]

(spalovací motor, převodová ústrojí,

ma1

hnací kolo)

[kg]

posuvná hmota hnaného kola

[kg].

Abychom překonali odpor rotačních částí, musíme na hnací kola přivést moment M r = O Zr .rd = M rm + M rp + M rK kde:

[Nm],

OZr

odpor zrychlení rotačních částí

[N]

rd

dynamický poloměr kola

[m]

Mrm

moment ke zrychlení rotujících částí motoru

[N.m]

Mrp

moment ke zrychlení rotujících částí přev. ústrojí

[N.m]

MrK

moment ke zrychlení vozidlových kol

[N.m].

Pro moment zrychlení rotačních částí motoru M rm = J m .ϕ m .i c .η kde:

2 3

[N.m],

Jm hmotnostní moment setrvačnosti rot. částí motoru

[kg/m2]

φm úhlové zrychlení rotujících částí motoru

[s-2]

ic celkový převod mezi motorem a hnacími koly3

[–]

η mechanická účinnost.

[–]

Oz = Ozp + Ozr ; Ozp – odpor zrychlení posuvné části, Ozr – odpor zrychlení rotačních částí ic = ip . ir ; ip – převod převodovky, ir – převod rozvodovky

32

Pro moment zrychlení rotujících částí převodového ústrojí M rp = J p .ϕ p .i r .η

[N.m]

a pro moment potřebný pro zrychlení kol M rK =

∑J

Ki

.ϕ Ki

[N.m].

i

Mezi úhlovým zrychlením hnacích kol φk a úhlovým zrychlením motoru φm platí

ϕk =

ϕm ic

=

ϕm

[s-2],

i p .i r

dále mezi úhlovým zrychlením kol vozidla a úhlovým zrychlením spojovacího hřídele

ϕk =

ϕp

[s-2].

ir

Úhlové zrychlení kol vozidla může podle rovnice xk = rk . φk vyjádřit v závislosti na podélném zrychlení

ϕk =

x rk

[s-2].

Po dosazení výše uvedených rovnic do rovnice pro celkový moment potřebný pro rotující části dostaneme výraz

 M r =  (J m .i c2 + J p .i r2 ).η + 

∑J

Ki

 x .  rk

[N.m]

Jestliže je výsledný odpor zrychlení rotačních a posuvných částí dán součtem těchto odporů, pak platí

O z = m. x +

Mr 1  2 2 = m. x +  (J m .i c + J p .i r ).η + rd rd  33

∑J

Ki

 x .  rk

[N].

Položíme-li rk ~ rd, můžeme tedy rovnici zjednodušit do tvaru

 ( J m .i c2 + J p .i r2 ).η + O z = 1 + m.rd2 

∑J

Ki

  m . x = ϑ .m . x 

[N],

kde výraz z hranaté závorky je označen součinitelem ϑ, který představuje součinitel vlivu rotačních částí. (Vlk, F.; 2000)

Pokud uvažujeme stálý převod rozvodovky ir, pak působení rotačních částí bude záviset především na zařazeném převodovém stupni v převodovce. Pokud bude ip = 1 (přímý záběr), budou rotační části vozidla zvětšovat potřebnou zrychlující sílu o přibližně 7 %. Zařazením prvního převodového stupně (osobní vozidla ip = 4, nákladní vozidla ip = 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

3.2.5 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

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.

3.2.6 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

Fh = Of + Ov + Os + Oz

[N].

Po dosazení rovnic jednotlivých jízdních odporů do rovnice celkového odporu dostaneme výraz Fh = f .G + c x .

ρ 2

. S x .v 2 + G .(s + ϑ .

x ) 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 Ph = Fh .v =

Mk .v rd

[kW].

Za předpokladu Ph = Fh . v, můžeme napsat Ph = f .G .v + c x .

ρ 2

. S x .v 2 . v + G . v . s + ϑ .

35

x .v g

[kW],

Pro hnací výkon na kolech vozidla při bezvětří pak

Ph = ( f + s + ϑ .

x ρ ).G .v + c x . . S x .v 3 g 2

[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

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

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 10 – 20 %. 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

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

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. 1991 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 - 6000 [ot./min] točivý moment 220 Nm - 4500 [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/cm3] Hmotnost 1500 kg (přední nápr. 58 %, zadní nápr. 42%) Max. rychlost 214 [km/h] Součinitel cx 0,36 Součinitel Sx 1,803 [m2] rd 0,241 [m] Motor

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

motor prostřednictvím přenosové soustavy přenáší výkon na hnací kola automobilu, která následně roztáčí válce dynamometru. K těmto válcům je přiřazeno zařízení (elektrická vířivá či hydraulická brzda) kladoucí hnacímu kolu brzdný odpor s možností změny jeho velikosti. Poháněná kola vozidla jsou prostřednictvím válců spojena s rotorem brzdného zařízení, čímž se přenáší reakční moment4 přes stator na siloměrné zařízení. Měřením reakčního momentu určíme obvodové hnací síly na kolech automobilu, ze kterých snadno ze znalosti rychlosti otáčení (otáček) určíme výkon motoru. Vozidlová zkušebna se dále skládá z

• vozidlového dynamometru • emisní analýzy • zařízení pro měření spotřeby paliva.

5.1 Konstrukce válcového dynamometru 4VDM E120-D Válcová zkušebna se sestává ze dvou stanovišť, kdy každé je osazeno jedním dynamometrem. Jedno je určeno pro traktory a druhé pro osobní automobily.

Stanoviště pro osobní automobily se skládá z následujících částí:

• válce se spojkou • dynamometry s ventilací • hnací řemeny s brzdou • snímací rolny • ustavovací zařízení • rám. Konstrukční řešení vozidlového dynamometru 4VDM stojí na základních tuhých rámech, na kterých jsou umístěna ložiska válců o průměru 1,2 m. Dále stojnami, základními rámy se stejnosměrnými elektrickými dynamometry. Základními bloky jednotlivých os jsou právě tyto rámy se stojnami. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. 4

vzniká z brzdného momentu, má stejnou velikost a opačný směr

41

Rozpojení levého a pravého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Propojení válcových jednotek s el. Dynamometry je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrzdění. 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 vozidla 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 (v zapuštěném kanálu). Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. (Čupera, J.;2010)

MEZ 4VDM E120-D Vlastnost Max. zkušební rychlost Max. výkon na nápravu Max. hmotnost na nápravu Průměr válců Šířka válců Mezera mezi válci Povrch válců Setrvačná hmotnost válců (každá náprava) Min. rozvor Max. rozvor Zatížitelnost krytí
v místě jízdy
v místě chůze Tlakový vzduch Rozsah měření rychlosti Rozsah měření sil Přesnost měření rychlosti Přesnost měření sil Přesnost regulace rychlosti Přesnost regulace síly

Hodnota 200 240 2000 1,2 600 900 1,6 RAA 1130 2000 3500 2000 500 min. 4 0 - 200 4 x ±5 ± 0,01 ± 0,25 ± 0,1 ± 0,5

Jednotka [km/h] [kW] [kg] [m] [mm] [mm] zdrsnění [kg] [mm] [mm] [kg] [kg] [bar] [km/h] [kN] [km/h] [%] [%] [%]

Tab. 4 Mechanické vlastnosti dynamometru 4VDM

42

Aktuálně měřená data se zapisují až ze 140 možných snímaných kanálů (veličin) v reálné době na PC. Výsledný protokol z měření je ukládán ve formátu HTML s možností exportu dat do tabulkového procesoru pro další zpracování.

Obr. 29 Měřené vozidlo na válcovém dynamometru MEZ 4VDM

5.2 Prováděná měření na dynamometru 4VDM E120-D Vozidlová zkušebna je schopna měřit mnoho rozličných parametrů, které můžeme rozdělit do 4 základních skupin:

• Zkoušky brzdové soustavy – testování a vyhodnocení funkce ABS, pomaluběžné a rychloběžné zkoušky.

• Zkoušky hnacího ústrojí – měření otáčkových charakteristik motorů metodou statickou a dynamickou.

• Kalibrační testy – měření pasivních ztrát pro zkoušky výkonu a brzd • Doplňkové zkoušky – zkouška otáčkoměru, rychloměru, tachometru a náhonu 4x4.

U námi měřeného vozidla Audi Coupe, jsme se zaměřili na zkoušky hnacího ústrojí. U těchto zkoušek se měří tzv. charakteristiky spalovacího motoru, které graficky 43

znázorňují závislosti mezi základními parametry motoru jako např. výkon, točivý moment, měrná spotřeba paliva, exhalace a otáčky. Metody využívané při měření hnacího ústrojí jsou dvě.

Obr. 30 Dynamická metoda měření výkonu

Statická zkouška se provádí při konstantních otáčkách motoru zatíženého dynamometrem. Otáčkám dynamometru odpovídá určitá hodnota točivého momentu snímaného siloměrným zařízením, kde následným přepočtem získáme výkon motoru. Dynamická zkouška spočívá v krátkodobém zatížení motoru odporem setrvačných hmot při jejich roztáčení. Tato zkouška ovšem není příliš přesná, protože nedochází ke stabilizaci vnějších i vnitřních teplot motoru ani proudění ve výfukovém a sacím potrubí. Vlivem těchto faktorů může být výkonová křivka různě deformována.

Mezi základní charakteristiky motoru patří otáčková charakteristika znázorňující závislost točivého momentu, výkonu a dalších důležitých veličin na otáčkách motoru při konstantním nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru). Tato rychlostní charakteristika může být měřena jako vnější charakteristika, kdy je pedál akcelerátoru konstantně nastaven na maximum během celého rozsahu otáček. Nebo jako částečná charakteristika, lišící se od vnější charakteristiky nastavením ovládacího zařízení řídícího výkon motoru. Tato částečná charakteristika bude platit i 44

pro konstantní polohu ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) řídícího výkon motoru v celém otáčkovém spektru. Její hodnota však nebude nabývat maxima, jako tomu bylo u vnější charakteristiky.

Obr. 31 Vnější výkonová charakteristika měřená statickou metodou

Obr. 32 Vnější momentová charakteristika měřená statickou metodou

45

Obr. 33 Zatěžovací charakteristika; IV. převodový stupeň

Mezi další měřené charakteristiky patří zatěžovací charakteristika, jež se oproti otáčkové5 liší tím, že je měřena při konstantních otáčkách. Neboli při konstantní zatěžovací síle. Většinou znázorňuje závislost měrné spotřeby paliva [g.kW-1.h-1] na nějaké z veličin charakterizujících zatížení spalovacího motoru, mezi něž patří např. výkon Pe, či točivý moment Mk. Pro ucelenou představu o parametrech motoru se využívá úplná (celková) charakteristika. Skládá se z naměřených hodnot výkonu, točivého momentu, škodlivin, teplot, spotřeby paliva a dalších dílčích veličin. Všechny hodnoty jsou pak vyneseny do jednoho diagramu, který umožňuje znázornění několika závislostí současně. Tuto úplnou charakteristiku nelze získat ani výpočtem, ani ji přímo naměřit. Sestavuje se sloučením zatěžovací a otáčkové charakteristiky přenesením bodů dané veličiny s konstantní hodnotou

do systému souřadnic n – Pe, resp. n – Mk.

Pro správné a nezkreslené určení parametrů motoru je potřeba zjistit pasivní ztráty na hnaných nápravách, v našem případě na obou, neboť se jednalo o vozidlo s pohonem 4 x 4. K přesnému zjištění těchto ztrát se měří tzv. kalibrační testy. Tyto kalibrační testy se provádějí také z důvodu určení přesné rychlosti vozidla v závislosti na otáčkách motoru. Tab. 5 uvádí hodnoty kalibrace rychlosti na 5. rychlostní stupeň.

5

Jednotlivé body charakteristiky se měří při konstantní rychlosti.

46

Obr. 34 Velikost pasivního odporu a ztrátového výkonu v závislosti na rychlosti vozidla

Po přepočtu pasivního odporu na výkonovou ztrátu vychází maximální hodnota ztrátového výkonu při 165 km/h na 22,14 kW. Kontrolní otáčky Měřená rychlost [1/min] [km/h] 2000 65,2 2500 82 3000 98,5 3500 114,6 4000 131,2 5000 164,7 Tab. 5 Kalibrace rychlosti vozidla v závislosti na otáčkách motoru

Součástí měření bylo i vyhodnocení emisí a kvantitativní zastoupení jednotlivých složek výfukových plynů. I tyto informace mohou složit jako důležitý indikátor eventuální poruchy či již projevené závady. Z jejich množství se dá například posoudit stav katalyzátoru, funkčnost lambda sondy, či problémy spojené s tvorbou směsi anebo její dopravou do spalovacího prostoru motoru.

47

Obr. 35 Obsah NOx při různém zatížení a otevření klapky

Obr. 36 Obsah CO při různém zatížení a otevření klapky

48

Obr. 37 Obsah HC při různém zatížení a otevření klapky

Ačkoli by mohly emise být součástí úplné charakteristiky, v tomto případě nejsou. Jelikož je úplná charakteristika tvořena několika grafy složenými v jeden a je tvořena výpočtovými hodnotami. Bylo by tudíž nemožné svázat tuto charakteristiku s jakoukoli emisní složkou, neboť její hodnota nemá žádnou známou závislost na velikosti regulačního prvku. Do procesu hoření směsi a její tvorby zasahuje mnoho činitelů a ustálení hodnot pro vytvoření jisté závislosti na regulačním prvku, by mohlo trvat i několik minut. Z tohoto pohledu by informace o emisních složkách byly zavádějící a neodpovídaly by skutečnosti. O tomto se můžeme přesvědčit z průběhů jejich hodnot uvedených v grafech výše.

5.3 Simulační program v MS Excel Výstupní data z daného měření vozidla Audi Coupe, jsem shrnul a výsledkem je úplná otáčková charakteristika. Tato úplná charakteristika je zahrnuta v programu, jenž dle zvoleného převodového stupně a polohy regulačního prvku dopočítává další dílčí hodnoty. Kostru této charakteristiky tvoří dvě hodnoty, z nichž pak vycházíme při dalším

řešení. Jedná se o točivý moment a měrnou spotřebu paliva.

49

Obr. 38 Hodnota Mk s příslušnou měrnou spotřebou paliva

Obr. 39 Simulační program v MS Excel

50

Obr. 40 Postup výpočtů v simulačním programu

Jako regulačního prvku, ovlivňujícího chování soustavy, jsem použil klapku regulující množství vzduchu vstupujícího do motoru. Velikost otevření klapky je vyjádřena v procentech a je vlastním regulátorem velikosti točivého momentu. Zavřená klapka představuje 0%, maximálně otevřená pak 100%. Této jednoduché závislosti mezi velikostí točivého momentu a klapkou, jako jeho regulátoru, jsem byl nucen použít z důvodu nemožnosti vyjádření otevření klapky odpovídající matematickou funkcí. Klapka je navíc dvou-stupňová a nelze ani přesně určit při jakém zatížení a kdy se přesně otevírá. Velikostí otevření klapky (pedálu akcelerátoru) určujeme velikost točivého momentu. Točivý moment pak slouží pro výpočet dílčích hodnot. Ze znalosti celkového převodového poměru pak dopočítávám hnací sílu na kole.

Fh = Fv + Fvz

[N]

U výpočtu hnací síly na kolech neuvažujeme o síle pro překonání stoupání. Dále je vynechána i síla potřebná pro zrychlení. Je vynechána z důvodu nemožnosti zjištění její přesné hodnoty pro každou otáčku. Tato hodnota je výpočtová a neexistuje software, který by byl schopen s takovou rychlostí zaznamenat a vypočítat její přesnou hodnotu. Abychom mohli do výpočtů zahrnout i sílu zrychlení, potřebovali bychom zařízení HIL 51

(hardware in loop), což je hardwarová smyčka umožňující v kombinaci s programem Matlab Simulink výpočet této síly. Program Excel tento problém řešit nedokáže. V simulačním programu tak můžeme měnit velikost regulačního prvku i zařazený převodový stupeň, přičemž se automaticky dopočítávají hodnoty výkonu, měrné spotřeby, točivého momentu, rychlosti a otáček. Toto je doplněno o grafické znázornění závislosti točivého momentu na otáčkách na mapě měrné spotřeby paliva. Otáčky jsou pro přehlednost rovněž vyjádřeny i graficky pro snazší orientaci a lepší představu o aktuálním stavu motoru. Ačkoli to není na první pohled patrno, změny měrné spotřeby na točivém momentu pro jednotlivé převodové stupně jsou v jejich průběhu shodné s grafickým vyjádřením uvedeným na Obr. 19. na str. 37.

5.4 Použitá měřící zařízení Hlavním měřícím zařízením je výše uvedený válcový dynamometr MEZ 4VDM E120-D. Pro měření spotřeby paliva jsme použili Coriolisův hmotnostní průtokoměr. Objemové průtokoměry mají totiž nevýhodu v nutnosti přepočtu jejich výsledků na hmotnostní jednotku. To z důvodu závislosti hustoty tekutiny na její teplotě. Dalším důvodem pro použití hmotnostního průtokoměru jsou poměrně vysoké tlakové ztráty u objemových průtokoměrů, způsobené vyšší viskozitou měřeného média. V našem případě by byla tlaková ztráta faktorem přímo ovlivňujícím tlak paliva ve vstřikovacím systému, čímž by mohlo dojít k poruše řízení tvorby směsi.

Siemens

Výrobce

Sitrans F C

Typ Typ snímače

Mass 2100 DI6

Měřící rozsah

0 - 1000 kg//h

Hustota

0 - 2900 kg/m

Teplota

-50°C +180°C

Max. vnitřní tlak

26,5 MPa

Výstupní signál

4-20 mA

3

Tab. 6 Technická specifikace použitého průtokoměru

52

Nejistota měření [%]

8

Nejistota měření průtokoměru

7

Celková nejistota měření spotřeby paliva

6 5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Průtok [kg.h-1]

Obr. 41 Křivky nepřesnosti měření u běžných průtoků

K vyhodnocení složení výfukových plynů jsme použili zařízení od firmy BOSCH. Tímto zařízením je BOSCH ESA 3.250. Jedná se o emisní systémovou analýzu, jež kromě emisí plynných a kouřivosti zajišťuje i měření otáček. Zařízení je složeno z tzv. modulů, kde ETT 8.70/ ETT 8.71 je modul analyzátoru, RTM 430 je modul opacimetru a MTM plus je měřící modul řízený počítačem. Základní složky výfukových plynů CO, HC, CO2, O2, jsou měřeny modulem analyzátoru ETT 8.70, ze kterých pak vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu

λ. Modul ETT 8.71 je osazen snímačem pro měření NOx.

Modul analyzátoru ETT 8.70 CO CO2 HC O2 Lambda

Měřící rozsah 0,000 - 10,00 % obj. 0,00 - 18,00 % obj. 0 - 9999 ppm obj. 0,00 - 22,00 % obj. 0,500 - 1,800

Rozlišení 0,001 % obj. 0,01 % obj. 1 ppm obj. 0,01 % obj. 0,001

Tab. 7 Charakteristika emisní systémové analýzy

53

Obr. 42 Bosch ESA 3.250

6. ZÁVĚR Faktorů ovlivňujících jízdu vozidla je mnoho. Jako nejjednodušší se jeví rozdělení na činitele vnější a vnitřní. Vnější činitele jako jsou povětrnostní podmínky, srážky, nadmořská výška či stav a sklon vozovky ovlivnit nemůžeme. Můžeme však vhodnou konstrukcí či tvarem alespoň zmírnit jejich negativní dopady na jízdu vozidla. V některých případech jsou podmínky prostředí i pozitivního charakteru, kdy můžeme využít odporu stoupání (resp. klesání), či větru vanoucího po směru jízdy.

Faktory vnitřní (související s vozidlem) jsou svým vlivem na dynamiku jízdy vozidla důležitější, už pouze z toho důvodu, že jsou přímo ovlivnitelné. Většina motoristů se snaží provozovat svá vozidla co možná nejúsporněji a tak se nechají zlákat nákupem pneumatik s nižším valivým odporem, v domnění snížení nákladů. Bohužel mnohým nedochází důležitost správného tlaku v pneumatikách, či tak důležité včasné výměny motorového oleje. Primárně tak narůstá spotřeba a sekundárně se zvyšuje opotřebení funkčních prvků, které předčasně ukončí svoji technologickou životnost.

54

Oblíbenou činností motoristů je i vylepšování karoserií různými doplňky. Je sice pravdou, že použitím aerodynamického prvku se např. zvýší přítlak, v mnohých případech dochází ke zvýšení součinitele odporu vzduchu a slabší pohonná jednotka musí spotřebovat více paliva na překonání zvýšeného odporu. Za své si již vzaly snižování součinitele odporu vzduchu i automobilky, kde příkladem je Kia Sorento, u které se podařilo snížit tuto hodnotu z hodnoty 0,46 na 0,39. Limitem pro optimalizaci proudění vzduchu kolem karoserie jsou pak především bezpečnostní hlediska, z nichž je nutno vycházet přednostně.

Dalším důležitým hlediskem ovlivňujícím jízdu vozidla je způsob pohonu. Základním pohonem je koncepce pohonu kol přední nápravy. Méně využívaná, avšak o to více populární je koncepce pohonu kol zadní nápravy. U obou těchto systémů dochází ke ztrátám pouze na hnané nápravě, hnací náprava se na celkových ztrátách podílí minimálně. U pohonu obou náprav (4x4) je tomu jinak, protože se projevují i ztráty na druhé hnané nápravě. U starších konstrukcí pohonů 4x4 a závodních automobilů se vycházelo z pevného mechanického propojení přední a zadní nápravy bez možnosti odpojení jedné z náprav (např. šnekový diferenciál Torsen). Tato koncepce je výhodná pro provoz ve zhoršených podmínkách či v zimě, neboť dochází ke zlepšení trakčních vlastností vozidla. Nevýhodou jsou již zmíněné vyšší výkonové ztráty vykoupené vyšší spotřebou. V současnosti, až na pár výjimek, se používá moderní systém pohonu 4x4 kdy pro běžný provoz je využívána pouze přední (zadní) náprava a až při prokluzu je připojována náprava druhá (např. Haldex). Toto řešení umožňuje spojit výhody obou koncepcí pohonu a vytěžit z každé maximum bez markantního navýšení provozních nákladů.

Dynamika vozidla je složitou soustavou, ovšem se základní znalostí její zákonitostí dokážeme mnohdy razantně měnit její parametry. Záleží však vždy na konkrétním uživateli, jak se k daným faktům postaví a na kolik jich dokáže využít.

55

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. VLK, F., Dynamika motorových vozidel 1. vydání. Brno. Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2000, ISBN 80-238-5273-6

2. VLK, F., Úlohy z dynamiky motorových vozidel 1. vydání. Brno. Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2001. 221s. ISBN 80-2386574-9 3. VLK, F., Zkoušení a diagnostika motorových vozidel 1. vydání. Brno. Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2001. 576 s. ISBN 80-2386573-0 4. PODOLÁK, A., Mobilné energetické prostriedky 3. vydání. Nitra. Doc. Ing. Anton Podolák, CSc., vydavatelství Príroda, 1989. 231 s. ISBN 80-70-00162-X 5. BAUER, F. a kol., Traktory 1. vydání. Brno. Prof. Ing. František Bauer CSc., vydavatelství Profi Press, 2006. 192 s. ISBN 80-86726-15-0 6. AUTOMOTOREVUE.CZ, Aerodynamické laboratoře GM - Větrný tunel, dostupný na WWW http://www.automotorevue.cz/auto/technika/aerodynamicke-laboratore-gmvetrny-tunel.html 7. AUTOMOTOREVUE.CZ, BMW AVZ - Aerodynamická strategie, dostupný na WWW http://www.automotorevue.cz/auto/technika/bmw-avz-aerodynamickastrategie.html 8. MENDELU.CZ, Vozidlová zkušebna pro osobní automobily, dostupný na WWW http://kiwi.mendelu.cz/~xcupera/html/dynamos.htm

56

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Příklad odporu stoupání......................................................................................... 7 Obr. 2 Síly působící na hnané kolo................................................................................... 9 Obr. 3 Síly působící na hnací kolo.................................................................................. 11 Obr. 4 Jízdní odpory působící na vozidlo ....................................................................... 13 Obr. 5 Tvar stopy pneumatiky ........................................................................................ 14 Obr. 6 Předsunutí normálové reakce od osy kola ........................................................... 15 Obr. 7 Přenos radiální síly .............................................................................................. 16 Obr. 8 Deformace radiální a diagonální pneumatiky v řezu........................................... 17 Obr. 9 Rozložení měrných tlaků v pneumatice............................................................... 17 Obr. 10 Součinitel soudržnosti v závislosti na hloubce profilu ...................................... 19 Obr. 11 Vliv nerovností na součinitel soudržnosti ......................................................... 19 Obr. 12 Povrch vozovky za deště ................................................................................... 20 Obr. 13 Odvod vody drážkami v běhounu...................................................................... 21 Obr. 14 Vznik aquaplaningu ve vztahu k rychlosti a hloubce dezénu............................ 21 Obr. 15 Proudění vzduchu před a za vozidlem ............................................................... 23 Obr. 16 Test aerodynamického konceptu ....................................................................... 24 Obr. 17 Průmět obrysu vozidla do roviny....................................................................... 25 Obr. 18 Dřevěná vrtule v GM Aerodynamics Laboratory ve Warrenu .......................... 27 Obr. 19 Vliv tvaru objektu na součinitel odporu vzduchu.............................................. 28 Obr. 20 Ford Probe V ..................................................................................................... 28 Obr. 21 Nejmodernější aerodynamický tunel od BMW Group...................................... 29 Obr. 22 Vozidlo na nakloněné rovině ............................................................................. 30 Obr. 23 Rotační části automobilu ................................................................................... 31 Obr. 24 Vliv ic na ϑ ....................................................................................................... 34 Obr. 25 Hnací síla a výkon potřebná k překonání jízdních odporů ................................ 36 Obr. 26 Závislost hnací síly a výkonu na rychlosti jízdy a stoupání .............................. 36 Obr. 27 Úplná charakteristika vznětového motoru......................................................... 37 Obr. 28 Hybridní pohon od spol. Toyota........................................................................ 38 Obr. 29 Měřené vozidlo na válcovém dynamometru MEZ 4VDM................................ 43 Obr. 30 Dynamická metoda měření výkonu ................................................................... 44 Obr. 31 Vnější výkonová charakteristika měřená statickou metodou ............................ 45 Obr. 32 Vnější momentová charakteristika měřená statickou metodou ......................... 45

57

Obr. 33 Zatěžovací charakteristika; IV. převodový stupeň ............................................ 46 Obr. 34 Velikost pasivního odporu a ztrátového výkonu v závislosti na rychlosti vozidla ........................................................................................................................................ 47 Obr. 35 Obsah NOx při různém zatížení a otevření klapky ............................................ 48 Obr. 36 Obsah CO při různém zatížení a otevření klapky.............................................. 48 Obr. 37 Obsah HC při různém zatížení a otevření klapky.............................................. 49 Obr. 38 Hodnota Mk s příslušnou měrnou spotřebou paliva.......................................... 50 Obr. 39 Simulační program v MS Excel......................................................................... 50 Obr. 40 Postup výpočtů v simulačním programu ........................................................... 51 Obr. 41 Křivky nepřesnosti měření u běžných průtoků .................................................. 53 Obr. 42 Bosch ESA 3.250............................................................................................... 54

58

SEZNAM TABULEK Tab. 1 Příklady součinitele odporu valení na různých površích..................................... 15 Tab. 2 Hodnoty čelní plochy Sx a součinitele odporu cx ................................................ 26 Tab. 3 Specifikace měřeného vozidla ............................................................................. 40 Tab. 4 Mechanické vlastnosti dynamometru 4VDM...................................................... 42 Tab. 5 Kalibrace rychlosti vozidla v závislosti na otáčkách motoru .............................. 47 Tab. 6 Technická specifikace použitého průtokoměru ................................................... 52 Tab. 7 Charakteristika emisní systémové analýzy.......................................................... 53

59