Размышления дилетанта о лошадиных силах, крутящем моменте, скорости и динамике
Доброго времени суток, джентльмены, леди и сочувствующие!
На днях мне поступил вопрос: как же ты ездила на 90-сильном гольфе 180? Пришлось уточнить, что 140-160 ездила, а до 180 было дело разгонялась (по спидометру даже до 190 однажды). И скорость, динамика и лошади не имеют прямой связи.
Сказала, а потом сомневаться начала. А вдруг таки лошади и скорость имеют прямую связь?
В общем, зачем гадать, надо анализ провести.
Выбрала я десяток автомобилей от 80 до 515 л.с. В интернете нашла их технические характеристики (масса, объём двигателя, количество лошадиных сил, крутящий момент, максимальная скорость, разгон от 0 до 100 км/час). Забила в таблицу.
Сразу оговорюсь: достоверность сведений вызывает некоторые сомнения. Разница на различных ресурсах существенная. Да и цифры в ПТС порой отличаются)
По какому принципу отбирались автомобили? Это либо то, на чём я ездила, либо то, что часто вижу, либо то, что когда-то хотела купить.
Итак, участники нашего мини-псевдоисследования (модель-объём двигателя, л, крутящий момент, ньютон/м, максимальная скорость, км/час, разгон 0-100 сек):
гольф3, 1,8 л, 90 л.с., 145 ньютон/м, 180 км/час, 11,7 сек
хонда концерто 1,6 л, 112 л.с, 137 ньютон/м, 185 км/час, 10,6 сек
ВАЗ 2115, 1,6 л., 80 л/с, 137 ньютон/м, 160 км/ч, 13,2 сек
Лада Гранта, 1,6 л., 106 л.с, 148 ньютон/м, 179 км/ч, 10,9 сек
Лада приора, 1,6 л., 106 л.с, 148 ньютон/м, 183 км/ч, 11,5 сек
Ниссан максима, 3,0 л., 225 л.с, 284 ньютон/м, 225 км/ч, 8,5 сек
Пассат В5, дизель, универсал, 1,9 л, 116 л.с., 285 ньютон/м, 194 км/ч, 11 сек
Пассат В5, седан, л, 1,8Т л, 150 л.с., 210 ньютон/м, 223км/ч, 8,9 сек
Пассат СС, 2,0 л, 210 л.с., 280 ньютон/м, 240км/ч, 7,6сек
Renault Clio RS, 2,0 л, 197л.с., 215 ньютон/м, 215 км/ч, 6,9 сек
Ferarri 575M, 5,8 л, 515л.с., 589 ньютон/м, 325 км/ч, 4,2 сек
Тойота камри, 3,5 л, 249 л.с., 346 ньютон/м, 210 км/ч, 7,1 сек
Уже беглый взгляд на эти разрозненные цифры заставляет почувствовать себя идиотом (это не мат, а термин из клинической психиатрии, обозначающий определённую стадию умственной неполноценности).
Я даже несколько диаграмм составила.
Посудите сами, максимальная скорость 90-сильного гольфа 180 км/час (все мы понимаем, что под горочку да на пустой машине возможно и больше), 112-сильная хонда концерто позволяет ехать на 5 км быстрее (по факту на ней очень мягкая подвеска. Я лишь однажды, на платной дороге под Москвой дала ей 165, поседело левое бедро и больше такие эксперименты не проводились), 197-сильная клюшка (то есть разница по лощадям более чем в два раза) может позволить ехать аж на 35 км быстрее.
Может дело в динамике? Тоже непонятно. Гольф, со своими 90 немецкими пони, разгоняется до сотни за 11.7 сек, приора со 106 кобылками 11,5 сек, концерто 112 лошадей 10,6 сек.
Кстати, по ощущениям, концерто выигрывает у гольфа до сотни, а вот за сотню гольф бодрее. Может оттого, что крутящий момент у гольфика 145, а у консервочки всего 137? Хотя… разница невелика..
Кстати, та же байда и в категории «около 200 кобылок». Только около 100 кобыл цифры разгона около 10-11 сек, а около 200 — 7-8 секунд. Опять нет линейной корреляции.
Ферарри всех положила на лопатки, только мощи у неё больше более чем вдвое. Так что опять зависимость есть, да не прямая…
Я пробовала считать отношения массы автомобиля к скорости, динамике, лошадиным силам, ускорению… и не получается красивой кривой зависимости. Так что… так что… по прежнему выбираем авто сердцем, чуйкой, а не сухими цифрами))))
Сколько лошадиных сил нужно в городе? Меньше, чем думаете!
Мощный двигатель – удовольствие дорогое: тут вам и высокие налоги, и большой расход топлива, и прочие сопутствующие «прелести». Но и с «овощным» мотором в городе не жизнь! Рассказываем, какая же мощность будет в самый раз!
— Что такое лошадиная сила?
— Это сила, которую развивает лошадь высотой один метр и весом один килограмм.
— Где ж вы такую лошадь видели?
— Ее не так-то просто увидеть: она хранится в Париже в Палате мер и весов.
В современных реалиях на вопрос о мощности двигателя возникает соблазн сразу же ответить в риторическом ключе: дескать, при нынешних штрафах и повсеместных камерах видеофиксации чем меньше лошадиных сил в моторе, тем лучше. Ведь логично же: если машина разгоняется лениво, то и ездить быстро на ней вряд ли захочется – а значит, и на штраф нарваться будет меньше шансов.
И все же давайте прикинем, какова оптимальная мощность для автомобиля в условиях городской езды. Начнем с того, что лошадь лошади рознь. С широким распространением турбомоторов значение максимальной мощности в известном смысле отошло на второй план, поскольку инженеры научились извлекать большой крутящий момент из маленьких двигателей. Дело в том, что интенсивность разгона автомобиля определяют не лошадиные силы, а ньютон-метры. И чем шире диапазон, в котором силовой агрегат производит максимум тяги, тем удобнее на такой машине перемещаться по городу: автомобиль легко трогается с места и набирает ход.
Вот смотрите: возьмем схожие по размерам и массе Nissan X-Trail с атмосферником 2.5 и Skoda Kodiaq с турбо 1.4 TSI. Ниссан мощнее: 171 сила против 150 «элэс» у Шкоды. При этом Кадьяк по основным потребительским характеристикам смотрится выигрышнее: у него стремительнее разгон до сотни (9,7 с против 10,5) и скромнее расход топлива – в среднем на 1,2 л на каждые сто километров пробега. И управлять тягой удобнее, поскольку ее максимальное значение у шкодовского мотора (250 Н.м) достигается в диапазоне 1500-3500 об/мин, в то время как двигатель Икс-Трейла выдает предельные 233 Н.м на 4000 об/мин.
На самом деле всегда сложно однозначно говорить о том, сколько должно быть сил под капотом, чтобы уверенно чувствовать себя в городе. По большому счету, если двигатель позволяет разгоняться до сотни быстрее, чем за 11-12 секунд, этого вполне достаточно для поездок по мегаполису: такая динамика разгона вполне достаточна для того, чтобы смело встраиваться в поток, выезжая на оживленную трассу, или резко ускоряться на выезде с дворовой территории или при разъезде на перекрестке.
В принципе, даже внушительные внедорожники не особо нуждаются в моторах мощностью более 250 сил – тем паче, что эта цифра определяет границу финансового комфорта, выше которой начинается существенная налоговая нагрузка на владельца. А если говорить о менее крупном формате, то для небольших машин (до гольф-класса включительно) вполне достаточно мотора в 100-130 сил; седаны среднего класса и компактные паркетники могут довольствоваться двигателями 150-180 л. с., а среднеразмерным кроссоверам за глаза хватит мощности порядка 200 сил.
Текст: Нина Буже
Понравилась заметка? Подпишись и будешь всегда в курсе!
Максимальная скорость, аэродинамика, мощность и момент (мат. часть)
Доброго времени суток, в прошлой записи Максималки Astra G на которую меня сподвигло большое количество сказочников я пропустил мимо практически всю физику. Видимо зря. Не то, чтобы меня это сильно беспокоило, но ввиду свободного времени в выходной и плохой погоды — решил состряпать статейку из нескольких копи-паст (источники вконце) и немножко отсебятины.
Если ты, уважаемый читатель, чёткий поцик и твой ТАЗ валит, для тебя физика — не наука, а пацаны на 8ке едут 190 и родственник на ниве 170 разгонял, он-то врать не будет, то проходим мимо. Если ниасилил многабукаф , то просто мотаем иногда вчитываясь вокруг жирных буковок.
Всем остальным для общего развития не помешает почитать и подчерпнуть какие-то знания, или уточнить что-то, что вызывало сомнения. Возможно пригодится кому-то, чтобы объяснить своему товарищу, что » вы, батенька, пиздите » он не прав и немножко привирает. Потому что, даже грамотные и уважаемые люди после прошлой записи немного недопонимали основного. Цитата » Тебя сейчас бомбанет если я напишу что мой нексиевский 8миклоп с длинным коробасом 200 поедет, только скорость буду набирать примерно минут 20» Не бомбануло, он поедет столько-же сколько и с «коротким коробасом», почему? читаем про мощность и момент.
Часть 1. Коэффициент аэродинамического сопротивления Cx
Наверное, каждый слышал о том, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости – столь быстро нарастает противодействие движению в процессе разгона. Впечатляет, но как это соотнести с параметрами автомобиля? Для этого нужно лишь перейти в термины механической работы, и тогда получится, что отбираемая от двигателя мощность находится аж в кубической зависимости от скорости! Только представьте, с каким трудом даются автомобилю последние десятки километров в час. В таких условиях даже значительная прибавка мощности мотора не в состоянии существенно увеличить максимальную скорость.
Таким образом, задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом.
Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки.
А значит остается второй и единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе).
Величина Cx определяется опытным путем. Факторов, влияющих на Cx автомобиля, несколько: во-первых, это внутреннее сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон, во-вторых, сопротивление трения между воздушным потоком и поверхностью кузова, и, в-третьих, сопротивление формы, проявляющееся главным образом в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него.
Внутреннее сопротивление составляет около 12% от общей величины, и пока особых успехов в этой области не наблюдается: напротив, все более и более мощные моторы современных автомобилей требуют все больше воздуха для охлаждения. Например, в пределе 300-сильный бензиновый двигатель выделяет в виде тепла около 450кВт – этого хватило бы для отопления нескольких особняков! Соответственно, растут размеры радиаторов, уплотняются моторные отсеки, увеличивается сопротивление воздуха… Существенные же улучшения здесь возможны лишь при переходе на более эффективные электродвигатели, но пока они так и остаются технологией будущего.
Сопротивление поверхностного трения так же вносит свой 10-процентный вклад в величину Cx. Вообще, наличие столь ощутимого трения между воздухом и кузовом может показаться странным, но оно действительно имеет место: прилегающий к поверхности слой воздуха сталкивается с микронеровностями покрытия и тормозиться — образуется так называемый пограничный слой. Пока это течение находится в ламинарном состоянии, то есть все его частицы движутся в одном направлении, толщина пограничного слоя невелика (около нескольких миллиметров) и сопротивление трения небольшое. Но с переходом в турбулентное состояние, когда поток «спотыкается» о более крупное препятствие, и траектории его частиц становятся хаотичными, пограничный слой расширяется, а вместе с ним увеличивается и трение – воздух словно становится более вязким. Таким образом, от разработчиков в данном случае требуется обеспечение гладкости кузова, дабы пограничный слой дольше оставался ламинарым. А для этого нужно уменьшать зазоры кузовных элементов, закрывать уплотнителями щели между деталями. Помогает и придание поверхностям небольшой кривизны – прилегающий поток ускоряется, давление в нем падает, и траектории частиц упорядочиваются. К сожалению, в целях экономии этими мерами в последнее время частично пренебрегают, например, уплотнители по периметру лобового стекла или вокруг фар сейчас встретишь нечасто.
И, наконец, сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx. Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя. Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно.
Немножко о Cx ВАЗов.
Что может стандартный ВАЗовский двигатель и чего он не может.
Скоростные характеристики.
ВАЗ 2108-09-99-2115: Cx — 0,468; S (площадь лобового сопротивления) — 1,8
1100 карб. (39,7 кВт/54,4 л.с.) — 139, 35 км/ч.
1300 карб. (47 кВт/64,4 л.с.) — 147,42 км/ч.
1500 карб. (51,5 кВт/71,6 л.с.) — 152 км/ч.
1500 инж. (60 кВт/82,2 л.с) — 159,92 км/ч.
ВАЗ 2110: Cx — 0,348; S (площадь лобового сопротивления) — 1,93
1500 инж. 8-кл. (56 кВт/76,7 л.с.) — 168,54 км/ч.
1500 инж. 16-кл. (69 кВт/94,5 л.с.) — 180,69 км/ч
Для достижения «зубилом» скоростного барьера в 200 км/ч. необходима мощность двигателя 160 л.с, «десятке» потребуется поменьше — 130 л.с. Другие «контрольные точки» —
170 км/ч — 100 л.с (2108)/ 80 л.с (2110)
180 км/ч — 120 л.с (2108)/ 95 л.с (2110)
190 км/ч — 140 л.с (2108)/110 л.с (2110)
Будьте реалистами. Законы физики обмануть невозможно. Для преодоления каждых «лишних» 10 км/ч на максимальных скоростях «зубилкам» требуется около 20 л.с, «матрешкам» — 15 (Дальше — еще больше: сопротивление растет пропорционально квадрату скорости) Хвастливые утверждения о достижении на стандартных авто ВАЗ скорости 200 (300) км/ч. могут вызвать лишь улыбку. Cx Нивы 0.536 поэтому я дико ржал с мифического родственника одного из коментаторов, который 170 на ней ехал. 137 максималка НИВЫ.
Барьер 300 км/час требует от двигателя минимум 390 лошадиных сил и двигаться на таких скоростях могут только спортивные авто либо седаны огромной по 600+лс мощности.
400 км/час. Даже имея двигатель мощностью 1000 лошадиных сил не каждый суперкар может развить эту скорость ведь сопротивление воздуха на таких скоростях так велико что для преодоления каждых 10 км/час приходиться добавлять к мощности двигателя около 100 лошадей.
Как улучшить аэродинамику авто
1 Снять все ненужные накладки антенны итд.
2 Занижение автомобиля дает положительный эффект «главное не перестараться»
3 Зделать днище более плоским.
4 установка более обтекаемых бамперов может дать эффект как и установка споллера. Тем самым также можно увеличить прижимную силу. Но такие модернизации чаще всего подобраны не правильно и ухудшают аэродинамику.
5 Установка более обтекаемых зеркал заднего вида или снятие оных (скорее только для трека).
6 Содержите автомобиль в чистоте и наполированным ! (Полированный авто может развить на 3км/ч больше на скорости около 200, чем не полированный)
7 Практически все операции по глобальному улучшению аэродинамических свойств автомобиля в большинстве случаев не доступны простому автолюбителю, здесь скорее работает правило: не навреди!
Часть 2. Мощность и крутящий момент
Часто эксперты автомобильных изданий, рассказывая о выдающейся динамике машины, в первую очередь превозносит огромный крутящий момент двигателя, оставляя мощности роль второго плана. Мол, благодаря именно моменту машина ровно и напористо разгоняется в широком диапазоне оборотов и скоростей. Особенно востребовано это качество на высших передачах, – ведь тяговые силы и ускорения на них в любом случае не столь велики, как на первой или второй передаче. А для безаварийного движения в потоке транспорта возможность быстро прибавить скорость зачастую играет судьбоносную роль. Ездить на таком автомобиле даже психологически легче. И все же, когда нужно быстрей разогнаться, что важней – мощность или крутящий момент?
Сразу отметим: чаще всего эти два параметра «конфликтуют»… в головах журналистов, охотно повторяющих признанные публикой «истины» без какого-либо их анализа. На самом же деле смешно рассматривать мощность в отрыве от крутящего момента и наоборот. Первая показывает энергию, ежесекундно вырабатываемую двигателем, тогда как крутящий момент – всего лишь силовой фактор, показывающий, как нагружен при работе коленчатый вал.
Тут впору вспомнить школьную физику. Нарисуйте круг радиуса R – это будет сечение вала – и приложите к нему «касательную» силу F.
Крутящий момент этой силы М = F • R. За один оборот вала сила F пройдет путь 2πR – и выполнит работу: А = F • R • 2π = М • 2π. А работа за n оборотов: А = М • 2π • n. Если n – число оборотов в минуту, то работа за одну секунду – то есть, мощность – составит N = М • 2πn /60.
Выражение 2π n /60 = 0,1047 n = ω – угловая скорость вала. Итак, N = М • 0,1047 n (Формула [1]).
Но мы имеем дело не только с вращающимися деталями, но и движущимися линейно. В этом случае в формуле (1) момент М заменим силой F, а угловую скорость ω – линейной v. Получим: N = F • v (Формула [2]).
Эти формулы равноправны. Замерив, например, тяговую силу колес, умножим на достигнутую машиной скорость – и найдем затрачиваемую мощность. Но если крутящий момент на ведущей оси умножить на угловую скорость колес, получим то же самое.
Итак, мощность – это работа (или энергия) израсходованная или произведенная за 1 секунду. Конечно, о «законе сохранения энергии» знает каждый. Говоря по пионерски, она «не возникает из ничего», но и не исчезает, не оставив следа. Так, лишь около четверти тепловой энергии, получаемой двигателем от сгорания топлива, превращается в механическую, соответствующая мощность (эффективная) тратится на движение машины. Большая же часть полученной в цилиндрах двигателя теплоты идет на «обогрев» окружающего нас мира.
Эффективная мощность тоже доходит до ведущих колес не вся – до 15 % ее может рассеять в виде тепла трение в узлах и агрегатах трансмиссии. Но для нас важней другое: если при открытом дросселе (или при полной подаче топлива в дизель) двигатель выдает на колеса сколько-то киловатт, то это – его «потолок». Никакими простыми механизмами вроде коробок передач, редукторов и т. п. превысить эту величину невозможно – этого «закон сохранения» не допустит.
Итак, крутящий момент – это удобный для нас «инструмент», связывающий процессы в двигателе с трансмиссией машины и ведущими колесами. Но не более того
Из формулы (1) видно, что для получения достаточной мощности вовсе не обязателен огромный крутящий момент, ведь в произведении два сомножителя. Почему бы, например, не увеличивать мощность при постоянном моменте, наращивая угловую скорость в каком-то диапазоне оборотов? При этом мощность растет по оборотам линейно. А постоянство момента в заданном диапазоне – не чудо, которым некоторые почему-то восторгаются, а всего лишь признак постоянства тяговых сил. Если пренебречь сопротивлением воздуха (к примеру, на первой передаче оно невелико), то и ускорение машины в этом диапазоне постоянное. Это довольно удобно для водителя. Но спросим себя: если бы в начале диапазона момент был таким же, а ближе к пресловутым «верхам» стал больше, стал бы с таким «подхватом» автомобиль хуже? – Вряд ли. Разве только что-нибудь нарушилось бы в смысле экологии.
Мощность можно менять и при постоянных оборотах. Пример: мы ехали со скоростью 90 км/ч по горизонтальному шоссе, а с началом подъема, дабы сохранить скорость, пришлось больше открыть дроссель. Это увеличение момента в чистом виде.
Итак, имеем дело с формулой (1). К примеру, перед нами скромный двигатель грузовика с моментом 35 кгм при оборотах 3000 в минуту. Какова мощность? Тут отметим, что в расчетах всегда важен правильный выбор единиц измерений параметров. Угловую скорость измеряют в 1/сек. А момент? – В старых единицах это кгм. Получаем: N = 35 кгм . 0,1047 . 3000 1/сек = 10993 кгм/сек ≈ 146,6 л.с. А в современной системе СИ: 35 кгм = 343,35 Нм. Тогда N = 343,45 Нм • 0,1047 • 3000 1/сек ≈ 107846 Вт.
На всякий случай напомним, что 1 лс = 75 кгм/сек = 75 • 9,81 Нм/сек = 735,75 Вт. Поэтому 107846 Вт ≈ 146,6 л.с.
А теперь прикинем мощность «формульного» двигателя с таким же скромным моментом, но при оборотах 18 тысяч! Результат – 880 л.с. (647 кВт), которые обеспечивают машине роскошную динамику. Никакого чуда нет: чем больше циклов совершит наш «моментик» за одну секунду, тем больше и совершенная им работа.
Если пренебречь разницей в КПД передач (она невелика), то на любой передаче машину движут одни и те же киловатты. Но движут по-разному. Момент и тяговая сила на ведущих колесах подчиняются «золотому правилу»: сколько процентов выиграешь в скорости, столько потеряешь в силе. Это показывают рис. 1 и 2. Если двигатель заведомо слаб, с ним сильно не разгонишься.
Величины мощности N1 … N5 на ведущей оси не зависят от включенной передачи. Точки пересечения кривой Nсопр с кривыми N3, N4 и N5 дают информацию о максимальных скоростях автомобиля на этих передачах. Здесь самая скоростная на горизонтальной дороге в безветрие – четвертая.
Главные враги любителя скорости – не гаишники, а силы, тормозящие движение, – от этих не откупишься! Мощность сопротивления воздуха вкупе с мощностью шинных потерь показаны на рис. 1 линией Nсопр.
(Желающие посчитать, могут воспользоваться следующими формулами. Nсопр. = Nw + Nf. Мощность аэродинамических потерь Nw для автомобиля весом 15000 Н при плотности воздуха 1,25 кг/м3, Сх = 0,3 и лобовой площади S = 2 • м2 составляет: Nw = (0,3 • 2 • 1,25)/2 • v3 = 0,375 v3 Вт. А мощность шинных потерь Nf = 0,015 • 15000 • v = 225 v Вт. При 100 км/ч Nсопр составляет лишь 14,5 кВт. А при 200 км/ч – 77 кВт. Разница впечатляет?)
Колеса автомобиля, борясь с мощностями сил сопротивления, при максимальной скорости полностью расходуют мощность, получаемую от двигателя. Но ее характеристика (например, показанная кривой N4 на рис.1) при полностью открытом дросселе похожа на гору с округлой макушкой, тогда как характеристика мощности сопротивлений Nсопр. поднимается как крутая парабола. Чтобы полностью использовать арсенал мощности двигателя – и получить максимум скорости V4 (на горизонтальной трассе, без ветра), передаточное число трансмиссии и размер шин подбирают так, чтобы кривая Nсопр пересекла кривую N4 возле вершины. Максимальные скорости на третьей и пятой передачах (V3 и V5) существенно ниже. Но на спуске или с ветром вдогон выгодней может стать пятая передача, а на подъеме или с ветром в лоб – третья.
Другие враги скорости – подъем дороги и встречный ветер. Подъем с углом всего 1,5% добавит к потерям в шинах еще столько же. Но еще коварней ветер. Его скорость сложится со скоростью машины относительно дороги, – и уже эту сумму в расчете затрат мощности надо возвести в куб! При скорости по спидометру 36 км/ч (10 м/сек) и ровном встречном ветре 5 м/сек мощность Nсопр вырастет лишь на 0,9 кВт, а вот при 180 км/ч (50 м/сек) – аж на 15,5 кВт
Так зависит крутящий момент (М1…М5) или тяговая сила (Fтяг 1 …Fтяг 5) на ведущей оси от включенной передачи. При коэффициенте сцепления шин с дорогой 0,7 ведущая ось, нагруженная половиной веса машины (Gавтом = 15000 н), может создать реальную тяговую силу не больше Fмакс. доп. = 5250 Н.
На рис.2 величины крутящего момента М1…М5, а заодно и теоретические тяговые силы F1…F5 на ведущей оси, показаны одними и теми же кривыми, – ведь тяговые силы пропорциональны моментам. Величины сил – на вертикальной оси справа. Но тут важно учесть следующее.
Разгоняет машину не вся тяговая сила, а лишь избыточная – то есть разница между полной тяговой силой колес и сопротивлением воздуха. Отношение этой силы к весу машины академик Чудаков назвал динамическим фактором D. На первой передаче сопротивление воздуха мало, его можно не учитывать – считать, что машину разгоняет полная сила Fтяг.1. Но отталкиваться от дороги сильней, чем позволяет сцепление шин, невозможно! Если, например, ведущая ось несет половину веса машины – 7500 Н, то при коэффициенте сцепления φ = 0,7 тяговая сила не может превысить 35% ее веса. Это неплохо согласуется с такой официальной характеристикой любого автомобиля как предельно возможный угол подъема. С «моноприводом» трудно получить больше. Правда, у машины с задним приводом на подъемах ведущие колеса несколько догружаются весом машины, а вот передний тут невыгоден. Лучшая схема, но сложная и дорогая, – полный привод (конечно, не с такой скромной мощностью, как у «Нивы» или УАЗа!).
Если избыточная сила (на первой передаче, например) слишком велика, машина «шлифует» дорогу. Дело нелепое, нужно перейти на следующую передачу. А вот при разработке нового авто конструктор учитывает высокую мощность двигателя и ее следствие – тяговые силы в передаточных числах трансмиссии. Передачи проектируются как достаточно «длинные», расширяющие диапазон скоростей при достаточных ускорениях. А это значит, что и при более высоких скоростях действуют нужные тяговые силы (или моменты) на колесах. Иначе говоря, реализуется весь арсенал мощности! Значит, она все же важнее.
Споры на тему влияния мощности-момента ведутся давно, и конца им не видно. Вроде бы сто раз уже объясняли самыми разными способами, что тут к чему, а воз и ныне там. Вызывает неподдельный интерес, откуда все же берется заблуждение и почему оно такое устойчивое?
Причин видится две. Одна из них в том, что мощность есть функция от момента. Зависимость мощности от момента стоит барьером, который преодолеть оказывается непросто. Что странно. Поскольку очевидность того, что мощность есть функция не только от момента, но и от оборотов, не оспаривается, и тот факт, что у разных двигателей бывает весьма большой разброс по соотношению мощности к моменту, также не подвергается сомнению. То есть существует молчаливое согласие с тем, что мощность есть функция от двух аргументов — оборотов и момента, но при этом зависимость от оборотов как бы игнорируется. Почему?
А в этом и есть вторая, главная причина заблуждения. И ключевая фраза здесь: «Человек совершенно может не иметь понятие про мощность.А вот разницу в ускорении на 3 и 4 передаче он вполне способен почувствовать.» Ясно, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа КПП. На графике 1 видны кривые мощности двигателя, смещенные в зависимости от разных передаточных чисел и кривая сопротивлений. Видно, что с ростом передаточного числа динамика резко возрастает. Это очевидно и вопросов не вызывает. Странно, что не менее очевидный факт, что бОльшая часть времени при разгоне приходится вовсе не на 1 и 2 передачи, а на 3-4, при этом упускается из виду.
При разгоне здравомыслящий водитель пользуется всеми четырьмя передачами и весьма широким диапазоном частот вращения двигателя. При этом редко задумывается о том, что динамика разгона на высокой скорости мала и плохо ощущается, но именно на нее и приходится львиная доля времени разгона (по той простой причине, повторю, что на высших передачах динамика хуже и потому занимает больше времени). Хорошо ощущается динамика разгона на низших передачах, в диапазоне низких и средних оборотов (дальше водитель двигатель раскручивает редко). И что выходит? А выходит, что «низовой», моментный двигатель дает ощущение уверенного и бодрого разгона по той простой причине, что легко и весело страгивает и начинает разгонять автомобиль. А по достижении скорости ощущения становятся слабыми, и оценить разницу в разгоне 100- и 120 сильного моторов на 4-5 передачах, способен не каждый. Потому и кажется, что момент определяет динамику. По ощущениям. А ощущениям человек склонен верить очень сильно, даже вопреки логике и здравому смыслу.
Проповедующие формулировку «скорость определяется мощностью, а динамика разгона — моментом двигателя» могут убедиться в своем заблуждении, решив простую задачу.
Вводные
1. Равномерный подъем на некоторую высоту равносилен равномерному ускорению, поскольку увеличивает потенциальную энергию тела mgh*. (что можно объяснить — чем с большей высоты упадет, тем сильней ударится).
2. Поднимаем равномерно груз весом 75 кг на высоту 1 м за 1 с.
3. Имеется черный ящик, в котором спрятан мотор неизвестной природы и, возможно, редуктор с КПД=1.
Вопросы.
1. Какая мощность должна быть в моторе, спрятанном внутри черного ящика?
2. Какой момент должен быть в моторе, спрятанном внутри черного ящика?
Подъем указанного груз на нужную высоту за время аналогичен разгону по горизонтали той же массы с ускорением g в 0.5 степени или корень из g.
Если ускорение определяется моментом — просто назовите цифру
Если ускорение определяется мощностью — тоже просто назовите цифру
Если цифру назвать не удается, значит параметр может быть самым разным и роли не играет.
Вы можете разгонять тело с заданным ускорением (или поднимать его вверх), меняя крутящий момент по своей прихоти (и устанавливая каждый раз соответствующий редуктор). Вы можете отталкиваться от параметров редуктора, и всякий раз требуемый момент будет меняться и зависеть от передаточного отношения этого редуктора. Но всегда мощность будет оставаться одной и той же, неизменной величиной — для подъема груза 75 кг на 1 м за 1с понадобится ровно одна лошадиная сила или 0,73549875 кВт
Это практически ответ на цитату про «длинный коробас».
Касаемо тех-же астр, если воткнуть коробку F18 с 2.0 вместо F13 на какой-нибудь 1.2 или 1.4 двигатель, максималка не увеличится, а скорее даже и снизится, потому что передаточные числа подобраны оптимально для более мощного двигателя и с ними не будет достигнута оптимальная мощность на более слабом двигателе.
Повторюсь: будьте реалистами. Законы физики обмануть невозможно.
Если дочитали до конца, то молодцы. Надеюсь кому-нибудь когда нибудь пригодится этот материал. Можно кидать на него ссылку особо упёртым в своей правоте гонщикам))) Хотя таких людей ничего не переубедит.
Мотоциклы — Мощность и скорость
Вопрос:»Почему 10-сильный «Минск» развивает 100 км/ч, а 30-сильная «Планета-Спорт» всего 140, а не 300? Почему скорость растет не пропорционально мощности? И можно ли заменив 16-дюймовое колесо на 19-дюймовое увеличить скорость? Колеса менять сложно. Проще менять звездочки в цепной передаче. Когда-то, по простительной незрелости лет, мы тоже пытались увеличить скорость таким способом. На «Яву-350» модели 360/00 вместо стандартной звездочки с 17-ю зубьями втыкали звездочку с 19-ю зубьями, — ребята были, само собой, грамотные, так что уже в уме ухитрялись подсчитать, что скорость возрастет на добрых 12%.
И что же? Результат оказался более чем плачевным. Мы обзавелись мотоциклом узко специального назначения, — он здорово ходил на крутых спусках, под гору. А насчет наоборот. — и вспомнить противно! Даже на горизонтальной трассе скорость ощутимо упала, мотор явно не в состоянии был выйти на обороты максимума мощности — «не тянул». Вялый разгон, чувствительность к встречному ветру, нежелание возить пассажира — вот портрет нашего «усовершенствованного» мотоцикла.
○ В наличии новые скутеры Stels с доставкой до вашего региона! Большой выбор. Гарантия лучшей цены!
Опытные мотоциклисты, авторитеты объясняли дело вполне доходчиво: «Раз чехи поставили 17 зубьев, значит — так надо, и не фиг тут. «
Итак, что же это за штука такая — мощность? Это, как известно, способность машины, человека, лошади и т.д. выполнить некую работу в течение секунды, — например, поднимая груз весом 10 кг на высоту 1 метр за секунду, придется развить мощность в 10 килограммометров в секунду. Если уменьшить в этом примере вес до 5 кг, но поднять его за секунду на 2 метра, мощность потребуется та же. Но выходит, что использовать ее можно по-разному. Чем не иллюстрация к работе коробки передач? На низшей передаче скорость невелика, но при повышенной тяговой силе, на высшей скорость больше, но тяговая сила меньше.
В инструкциях обычно указывается эффективная мощность мотора. Так общепринято. Однако не вся эта мощность дойдет до заднего колеса, часть ее непременно потратится на преодоление сил трения в силовой передаче, перемешивание масла в коробке передач, смазки в кожухах цепи и т.д. В результате даже на достаточно хорошо сконструированных современных машинах эти потери достигают 15%, а то и более. Они, кстати, больше у нерадивого хозяина, который не заботится о смазке силовой передачи, ее исправности и правильной регулировке. Значит,тратится лишний бензин, понапрасну расходуются денежки. Если мощность мотора, например, равна 18 л.с., реально «крутят» заднее колесо максимум сил 15-15,5.
Кроме сил трения в трансмиссии, часть мощности поглощается генератором мотоцикла, — правда, она невелика. На мотоциклах с водяным охлаждением часть мощности тратится на работу помпы, при наличии принудительного воздушного охлаждения часть мощности «съедает» вентилятор. Мы же здесь рассматриваем простой мотоцикл, на котором кроме генератора, других нахлебников нет.
Если в инструкции вы увидите, что мощность указана в непривычных кВт (киловаттах), это не должно вас смущать, — таковы современные требования. Пересчет несложен: 1 л.с. численно равна 0,736 кВт. Действующие на мотоцикле силы, включая его вес, могут измеряться не в килограммах, а в ньютонах. Ну и что? 1 кг равен 9,81 Н. И все! Крутящий момент, соответственно, измеряется не в привычных килограммометрах (кгм), а в ньютон-метрах (Нм). Это тоже сути дела не меняет, как в знаменитом мультфильме про 38 попугаев. Поэкспериментируем (мысленно) с мотоциклом. С открытым на 1/4 дроссельным золотником разгоняем мотоцикл во всем, доступном ему при этом, диапазоне оборотов, регистрируя с помощью неких приборов крутящий момент и мощность. Они меняются с оборотами, — при малом числе оборотов мощность, то есть способность мотора производить полезную работу, невелика, с увеличением числа оборотов она возрастает, а при каких-то оборотах достигает максимума, за которыми уже падает.
Нанеся точки на график, получим, кривую зависимости мощности (или крутящего момента, если хотите) от числа оборотов при фиксированном положении дросселя. Это так называемая скоростная характеристика двигателя для выбранного положения дросселя. Таких «частичных» характеристик вы можете построить сколько угодно, — для разных положений дросселя.
Кривые имеют точки своего максимума при каком-то числе оборотов. Максимум крутящего момента соответствует ситуации, когда среднее эффективное давление в цилиндре наибольшее, — оно зависит от качества продувки цилиндра, наполнения его свежим зарядом смеси, от полноты сгорания, тепловых потерь.
Но сам по себе крутящий момент еще не есть мощность. Чтобы при этом производилась какая-то работа, коленвал должен вращаться. Если вы, не запуская двигатель, нажимаете на пусковой рычаг, в цилиндре происходит сжатие,- уже можно говорить о том, что к коленвалу приложен некоторый крутящий момент,- а мощность равна нулю. Не так ли? При оборотах ниже какого-то предела мотор не сможет работать, уже хотя бы потому, что на столь низкой скорости воздушного потока в карбюраторе (ведь дроссель-то открыт!) нормальное распыление топлива становится невозможным. Поэтому кривые начинаются не от нуля оборотов.Мощность с ростом оборотов увеличивается не беспредельно, она тоже имеет точку максимума, но обороты, ей соответствующие, не те, что у максимума момента: мощность и момент (соответственно в л.с. и кгм) связаны формулой: N= Мкр х n / 716,2 где n — число оборотов в минуту.
Продолжим эксперимент, на сей раз при полностью открытом дросселе. Теперь получается так называемая внешняя скоростная характеристика, — действительно, за ней, за этой своеобразной границей, данному мотору не бывать, — это уже его предельные возможности. Поэтому часто соответствующие мощность и крутящий момент называют располагаемыми, внешняя скоростная характеристика мотора показывает, какими мощностными ресурсами он располагает, когда к нему будут предъявлены определенные требования. Кто их предъявит? Или. что их предъявит?
Если, не жалея мотора, разгонять его при различных положениях дроссельного золотника до максимально достижимых оборотов, можно найти интересные точки графика. Например, при небольшом открытии дросселя на нижней передаче мотоцикл разгонится до какой-то скорости — дальнейший разгон невозможен, так как это означало бы, что располагаемая мощность меньше потребной для езды с этой скоростью. и вошло бы в противоречие с уже упоминавшимся, незыблемым Законом сохранения энергии.
Потребная мощность растет с ростом скорости, поэтому при большем открытии дросселя можно разгоняться до скорости побольше. Еще большее открытие даст скорость соответственно еще большую. Наконец: если дроссель открыть полностью, мотор выйдет на высокие, иногда просто опасные, обороты, при максимальной скорости для данной передачи. Соединив полученные предельные точки кривой, мы получим зависимость потребной мощности для движения мотоцикла от скорости движения. Сразу же надо вам понять: потребная мощность — это параметр, целиком зависящий от сил сопротивления движению мотоцикла, — она связана с размерами мотоцикла, весом и так далее. «Тягло», то есть тип двигателя, его мощность и т.д. тут вне игры, — оно значения не имеет. Если вместо мощностей на графике показать силы: располагаемую тяговую силу колеса и потребную для преодоления всех сопротивлений, то их точки пересечения дали бы те же значения оборотов и скоростей. Ведь сила тяги, крутящий момент и мощность связаны однозначной зависимостью.
О каких силах сопротивления идет речь? Прежде всего — это сила сопротивления воздуха, наш и ваш главный враг, вечно мешающий достижению рекордных скоростей. Почему — главный? Потому что растет пропорционально квадрату скорости. Увеличивая ее вдвое, силу сопротивления мы увеличиваем вчетверо. И еще — потому, что сам мотоцикл, мягко говоря, к числу хорошо обтекаемых тел не относится. Это свойство оценивается так называемым коэффициентом аэродинамического сопротивления Сх, зависящим лишь от формы тела, движущегося в воздухе. Этот коэффициент входит в формулу расчета силы сопротивления воздуха: Pw =Сх х S х р х (V2 )/ 2
Здесь р — плотность воздуха, которую для стандартных расчетов принимают равной 0,125 кг см2/м4″; S -лобовая площадь мотоцикла, включая сюда водителя, пассажира и груз. Для высоких скоростей иметь большой рост и широкие плечи невыгодно! Наконец, V — скорость движения в м/сек, V2 — скорость в квадрате.
При нормальной, комфортной, «сидячей» посадке мотоциклиста коэффициент Сх достигает значений 1,1-1,2 и очень редко снижается до единицы. При полулежачей, в которой мы мало ездим, он может уменьшиться до 0,7-0,9. Между тем — сравните! — у скромных стареньких «Жигулей» этот коэффициент составляет около 0,43. Словом, как ни любим мы мотоцикл, особо быстрая езда на нем, говоря строго, энергетически невыгодна, — слишком много бензина горит впустую. Вы можете столкнуться с ситуациями, когда идущий рядом пятиместный автомобиль расходует бензина меньше вашего мотоцикла-одиночки. А уж о езде с боковым прицепом и говорить нечего. Вот вполне официальные данные (журнал «Мотор-ревю» № 9 за 1980 г.): расход топлива мотором «Явы-634» при скорости 90 км/час составлял 5 л/100 км, а при скорости 100 км/час — уже 8,5 л/100 км пути. Это — без бокового прицепа.Измерения выполнялись не как-нибудь «на глазок», а в строгом соответствии с общепринятыми требованиями, на предприятии «Ява». Лобовая площадь мотоцикла-одиночки с водителем может лежать в пределах 0,4-0,6 кв.м, -большие или меньшие показатели встречаются не часто.
Имея такие исходные данные, например, как Сх=0,9 и S =0,5 кв.м, вы вряд ли удержитесь от соблазна рассчитать силы воздушного сопротивления для разных скоростей движения,- например, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 м/сек. И окажется, что при скорости 10 м/сек сила сопротивления воздуха еще невелика, — всего 2,8 кг. Но при 20 м/сек она составляет 11,2 кг, а при 30 м/сек — уже 25,2 кг. При 35 м/сек или 126 км/час эта сила равна уже 34,5 кг! Не зря ветерок стаскивает вас с сиденья! Сила сопротивления воздуха действует постоянно за исключением случая езды с попутным ветром, скорость которого равна скорости вашего движения, — тогда она равна нулю. Если скорость попутного ветра больше скорости движения, действующую аэродинамическую силу уже надо учитывать со знаком минус, одновременно понимая, что в этом случае величина коэффициента сопротивления иная, чем при обдуве спереди.
Другая сила, постоянно действующая тоже в качестве сопротивления, это сила сопротивления качению колес. Вычисляется просто, как произведение полного веса машины на коэффициент сопротивления качению. Этот коэффициент, строго говоря, меняется в зависимости от типа и состояния шины, давления в ней, скорости качения, нагрузки, состояния дороги, температуры среды при испытании. Он увеличивается при снижении давления в шине, причем в этом случае он более чувствителен к величине скорости и может существенно увеличиваться уже при скоростях 90-100 км/час, не говоря о больших. Напротив, шина, несколько «перекаченная», легче катится при достаточно высоких скоростях.
При простых, не требующих высокой точности, расчетах коэффициент принимают постоянным, равным 0,015. Значит, мотоцикл с полным весом 220 кг (150 кг плюс 70 кг веса водителя) испытывает на ходу сопротивление качению Рf = 220 х 0,015 = 3,3 кг. Вообще же коэффициент может изменяться в значительных пределах, возрастая, например, на булыжной мостовой до 0,015-0,03, на грунтовой дороге до 0,05-0,15, а на рыхлой песчаной — до 0,2-0,3 и даже больше.
Что происходит на подъеме дороги? — Появляется еще одна сила — сопротивление подъему, вычислить которую несложно, — умножаем полный вес машины на синус угла подъема. Да вот где его взять синус? Оказывается, это просто. На реальных дорогах углы спуска или подъема, как правило, относятся к малым, для которых справедливо правило: синус угла равен его тангенсу и самому углу, измеренному в долях радиана. Неужто сложно? Тогда еще проще: для угла подъема в 5%, указанного на дорожном знаке, синус или тангенс равны 0,05. Для угла в 3% — соответственно 0,03. И так далее. Поняли?
Значит, на подъеме в 5% движению мотоцикла весом 220 кг противодействует сила Ра = 220 х 0,05=11 кг. На спуске же сила в 11 кг уже помогает движению машины, — желающие легко могут вычислить, зная нужные формулы, что в этом случае лишь при скорости около 60 км/час сумма сил воздушного сопротивления и сопротивления качению уравновесит эти 11 килограммов даровой «тяги»! Если спуск достаточно длинный, мотоцикл на «нейтрали» разгонится до этой скорости.
Зная силы, можно, при необходимости, определить величины потребных мощностей, — при этом мощности, затрачиваемые на преодоление сопротивления качению и подъему, вычисляются как произведения соответствующих сил на скорость, а значит, они пропорциональны скорости. Иначе ведет себя по скорости мощность, потребная на преодоление воздушного сопротивления, — если сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости, то мощность — уже кубу. Иначе говоря, мотор мощностью сил в десять позволяет обыкновенному дорожному мотоциклу развивать скорость около 100 км/час. Для удвоения этой скорости нужно при сохранении всех прочих условий задачи повысить мощность в 8 раз, то есть сил до восьмидесяти. Так как на деле при таком двигателе мотоцикл неизбежно «потяжелеет», то реально мы сталкиваемся с еще более мощными моторами, — при этом не надо забывать, что со скоростью 200 км/час никто сидя не поедет, — трудновато будет удержаться! Такова здесь безжалостная, бескомпромиссная физика: сила сопротивления воздуха достигнет — при сохранении прежних величин площади и коэффициента! — 87 килограммов, значительная частьо которых придется на тело водителя. Попробуйте-ка. Реально с такими скоростями можно ехать, если мотоцикл оснащен обтекателем, — хотя последний на громоздком дорожном мотоцикле почти не влияет на коэффициент Сх в смысле его уменьшения, водитель, прячась за щитком, избегает прямого напора потока воздуха, доверяя это дело машине.
Теперь, зная величины потребных мощностей, соответствующих различным скоростям, мы вправе нанести точки на график (рис.2). Любопытная картина! Езда со скоростью 40 км/час требует мощности всего около 1 л.с., — уверен, многие мотолюбители попросту удивятся! За удовольствие ехать со скоростью 80 км/час придется отдать 5,1 л.с., за 100 км/час — 9,2 л.с, а за 120 км/час — 15,4 л.с. Изменение не совсем «по кубу», так как это суммарная мощность =-Мw+Мf. Здесь важно не блуждать среди трех сосен, — по закону куба меняется лишь мощность , затрачиваемая на преодоление сопротивления.
Вот пример «бухгалтерии» для скорости 200 км/час: Nw = 64,5 л.с., Nf = 2,5 л.с. (несколько заниженная величина, так как на этой скорости коэффициент f, как правило, уже несколько выше, чем 0,015). Другими словами, сумма этих мощностей составила бы около 67-68 л.с. С учетом 15-процентных потерь в трансмиссии мотор должен развивать мощность около 80 л.с. Но, напомним, — реально на такой скорости никто «сидя» не ездит, поэтому либо истинная скорость еще выше, либо затрачиваемая мощность несколько меньше. Надо четко это представлять.
А каковы же возможности самого двигателя, — отнюдь, конечно, не беспредельные?
Вооружимся для примера характеристикой одного очень популярного у нас в 60-х годах мотоцикла. Максимальная мощность составляла 18 л.с. при числе оборотов 5250 об/мин. Радиус качения 16-дюймового колеса — 0,27 м, — отсюда нетрудно определить, что при общем передаточном числе высшей передач I(4) = 4,5 указанному числу оборотов соответствует скорость около 119 км/час. Найдя эту величину (крайне важную!), вы фактически связали воедино две поначалу независимые вещи — то, что нужно для движения мотоцикла, и то, чем он реально располагает.
(Передаточные числа на других пе-редачах: I(1) = 14,3; I(2) = 8,9; I(3) = 6,4. Они нам тоже впоследствии понадобятся).
При потерях в трансмиссии около 15% на заднее колесо будет передана мощность в 15,3 л.с.
Кривая Nпотр. пересекает кривую Nрасп.вед.кол. в точке N1 , вблизи вершины. Опустив из нее вертикаль до пересечения с осью «V,n», вы увидите, что максимальная скорость соответствует как раз числу оборотов 5250 в минуту.
Точка пересечения кривых Nпотр и Nрасп.вед.кол. дает представление о максимальной скорости машины, — на горизонтальной дороге при безветрии около 120 км/час. Очень важно понять, что именно мощность (способность машины произвести определенную работу за секунду) характеризует скоростные возможности транспортного средства, — заметьте, что при правильном выборе передаточного числа, размеров колеса, шины и т.д.точка пересечения этих двух кривых обязательно на вершине кривой располагаемой мощности или очень близко от нее. Значит, мощность машины наиболее полно реализуется в скорость движения. Хотите в этом убедиться?
Вообразите, что на выбранном нами мотоцикле использована ведущая звездочка с 17 зубьями, а мы — хотя бы из любопытства! — ставим вместо нее другую, с большим числом зубьев. Другой вариант — вместо 16-дюймового ведущего колеса ставим большое, 19-дюймовое. Авось, скорость поднимем, да?!
Внимание! Кривая Nпотр. никак от наших манипуляций не зависит, зато кривую Nрасп.вед.кол. мы словно растягиваем по горизонтали, — в пропорции с увеличением звездочки или колеса. Верхушка кривой, те самые 15,3 л.с., сдвинется вправо, а что станет с точкой пересечения кривых? Это показываем на рис.3. Видите, — точка пересечения теперь стала левей прежнего положения! Скорость упала. Сама кривая Nрасп.вед.кол. теперь сблизилась с кривой Nпотр. почти везде, что говорит и об ухудшении разгонных, динамических характеристик машины, но их все-таки лучше оценивать не по мощностям, а по тяговым силам.
А если сделать наоборот? Вместо фирменной звездочки поставить меньшую? Теперь кривую N сожмем по горизонтали, а точка пересечения кривых. снова левей исходной! Зато лучше станет динамика разгона мотоцикла, — кривая располагаемой мощности стала выше относительно первоначального положения.
Итак, если за счет передаточного числа и размеров колеса окружная скорость последнего правильно увязана с мощностью мотора, это обеспечивает максимум скорости самого мотоцикла. Улавливаете, в чем тут разница? Если нагрузка на колесо мала, спидометр может вам показать фантастическую «скорость», — поднимите мотоцикл на подставку, пустите двигатель и включите 4-ю передачу, — но то, что вы увидите, к реальным возможностям машины никакого отношения не имеет.Итак, мы хотим разобраться еще с динамическими возможностями мотоцикла, то есть оценить его способность разгоняться, брать подъемы и т.п.
В этом случае оперировать с мощностями нерационально. Надо перейти к силам на ведущем колесе, — опять-таки располагаемой, за которую в ответе мотор, и потребной, зависящей от условий движения. Имея кривую зависимости Nрасп.вед.кол., можно начертить кривую располагаемого крутящего момента на заднем колесе, — по известной формуле: M = 716,2 Nрасп.х n, где n — число оборотов ведущего колеса в минуту, а Мрасп. — располагаемая мощность в «л.с.» При нашем расчете мы именно так и сделали, но кривую крутящего момента на график не наносим, считая это операцией промежуточной. Вместо этого изобразим кривую изменения располагаемой силы тяги на ведущем колесе, — это ведь очень просто, если момент известен, а радиусом колеса — 0,27 м — мы уже задались раньше. В таком случае тяговая сила колеса равна: Ррасп.вед.кол.=Мкр /0,27 (кг).
Например, при максимальной мощности (15,3 л.с. при оборотах колеса 5250:4,5 = 1166 об/мин) крутящий момент Мкр = 716,2 х 15,3/1166 = 9,45 кгм. Соответствующая этой ситуации тяговая сила колеса составляет: Ррасп.вед.кол.= 9,45/0,27 = 35 кг.
Таким же образом находим значения располагаемой тяговой силы для любых значений скорости и оборотов, — результатом чего и является кривая расп.вед.кол. на 4-й передаче (см рис.1).
Здесь же, вернувшись к вычисленным раньше величинам потребных тяговых сил, рисуем кривую Рпотр, объединяющую воедино силу сопротивления воздуха и качения колес, — точка ее пересечения (Р|) с кривой Ррасп.вед.кол, естественно, приводит нас все к той же максимальной скорости, то есть около 120 км/час. Кривые тяговых сил теперь уже совершенно наглядно дают картину динамических возможностей данного мотоцикла на 4-й передаче. Например, вы видите, что на различных скоростях величина отрезка А-Б меняется, — наибольшая она в диапазоне скоростей около 50-60 км/час. Значит, здесь имеется наибольший «запас» тяговой силы, который мы можем использовать для разгона машины, и, если тут дать полный газ, будет достигнуто наибольшее ускорение для данной передачи. Рост скорости ускорение уменьшает, — особенно вблизи максимальных скоростей. При скорости же 120 км/час запас тяговой силы исчерпывается, — разгон прекращается, скорость максимальная.
Можно ли ее как-нибудь увеличить? Для этого нужно каким-либо способом уменьшить потребную силу тяги. Например, посмотрим, что дает езда с попутным ветром, имеющим скорость, скажем, 20 км/час — вполне обыденную. Это далеко не ураган. Что произойдет с кривой Рw? Она просто сдвинется, как целое, вправо на 20 км/час по оси «V». А сила Рf к ней также добавится, как и в исходном случае. Теперь точка пересечения кривых — P2 — показывает, что скорость может возрасти примерно до 130 км/час. (Отнюдь не на 20 км/час, как на первый взгляд может показаться!)
Опыт изучения данного вопроса показывает, что психология среднестатистического «рокера» имеет одну особенность: из всех своих заездов он запоминает лучший результат! Как видите, попутный ветерок может крепко польстить вашему мотоциклу и его мотору. Не здесь ли корень многих неофициальных наших рекордов?!
Встречный же ветер — серьезный враг, в нашем случае он снижает скорость до 105 км/час. Видите, влияние встречного и попутного ветра неравноценно, — причина в меняющемся наклоне кривой Ррасп.вед.кол. на разных скоростях, — встречный отнимает больше, чем дает попутный. Что касается рокеров, они не имеют привычки запоминать не лучшие результаты!
Наши и ваши знания теперь позволяют оценить и влияние спуска и подъема на скорость, — но рисовать эти кривые на том же графике не стоит,- он будет чрезмерно загроможден. Картина похожа на влияние ветра. Например, движение на достаточно длинном спуске в 5% может дать увеличение скорости до 131 км/час, а на таком же подъеме — снизить ее до 103 км/час. Опять спуск дает меньше, чем отбирает подъем. В целом, влияние рельефа местности на скорость машины, как видим, немалое. Возвращаться к вопросу о рокерах и их привычках больше не будем,- вы и так все поняли. Таким образом, сопоставление тяговых сил ведущего колеса — располагаемой и потребной — дает нам возможность оценки динамических возможностей машины. Но, если сравнивают два мотоцикла — разной мощности, размеров, веса и т.п. — наш подход тоже не вполне удобен. Лучше поступить по-другому. Для этого вычисляем графически величины отрезков А1-Б для разных скоростей, а затем, поделив их величины в «кг» на вес мотоцикла, получаем некую относительную величину — так называемый «динамический фактор», характеризующий возможности любого мотоцикла, независимо от его веса или мощности.
Полученные значения наносим на график (см. рис.2).
Обратим снова внимание на 4-ю передачу (кривая «4»). Наибольшее значение «D» соответствует скоростям 50-60 км/час, — как мы уже раньше отмечали, тут наибольший запас тяговой силы. Так как динамический фактор, как и коэффициенты сопротивления качению и подъему, выражается в «%», можно показать, что на горизонтальной асфальтовой трассе движению нашего мотоцикла отвечает горизонтальная линия, проведенная из точки 1,5%, — это минимальное сопротивление, которое испытывает мотоцикл даже на скорости, близкой к нулю. Значит, максимальная скорость определится точкой пересечения кривой «4» с линией 1,5%. Смотрим. Так и есть. Вот они — те же 120 км/час. Любые же значения «D», лежащие выше 1,5%, могут быть использованы для разгона или движения с какой-то скоростью, преодоления подъема или встречного ветра. В нашем случае на 4-й передаче вершина кривой «4» находится на уровне 12%. Что это значит? — Можно, например, сказать, что наибольший, теоретически преодолеваемый на этой передаче, угол подъема равен 12-1,5=10,5%. Эту точку называют критической, — реально «удержать» машину на ней трудно, — увеличение скорости невозможно, а уменьшение сразу повлечет остановку мотора, — он «не вытянет» на подъеме. А вот, например, на подъеме в 8,5% двигаться уже можно, — ему отвечает горизонталь от точки 10% вертикальной оси. Тут, как видите, можно достигнуть скорости 86 км/час — если она почему-либо станет снижаться, запас «D» увеличивается, достигнет максимума при 55 км/час и только потом падает. Вплоть до этого мгновения мотор, как говорят, «приспосабливается» к меняющимся условиям, — например, вместо подъема 8,5% машина вышла на участок с подъемом на 1% больше, — скорость упадет до 78 км/час — и снова наступит равновесие силы сопротивления и силы тяги. И так — до критической точки — 12% или 55 км/час.
На подъеме 5% (горизонталь от точки 6,5% вертикальной оси) максимум скорости, как и ранее мы видели, соответствует 103 км/час. Вершина кривой «4» дает нам представление также о максимально возможном ускорении мотоцикла на данной передаче, — при безветрии на горизонтальной дороге этому соответствует опять-таки запас «D» в 10,5%. Ускорение вычисляется так: i = 100 х D-g х Qвм , где D — динамический фактор в 0%, g — ускорение свободного падения, т.е. 9,81 м/сек2. Коэффициент Qвм учитывает влияние на ускорение вращающихся масс, вспомните — чем массивней колесо, тем трудней «раскрутить» его. Для нашего мотоцикла и 4-й передачи можно принять, по результатам исследований ВНИИмотопрома, Qвм = 1,1 (на низших передачах этот параметр увеличивается, в зависимости от особенностей машины, до 1,3-1,7). Итак, на 4-й передаче максимальное ускорение равно примерно 0,94 м/сек2 — желающие могут проверить. А на низшей, первой? Для дальнейших оценок надо график расширить, нанеся на него кривые значений «D» на остальных передачах, включая первую. Как видим, с понижением передач запас «D» резко возрастает, показывая, что мотоцикл на них способен преодолевать гораздо большие силы сопротивлений, — будь это подъемы, песчаные трассы, встречный ветер и т.д. На 1-й передаче запас «D» в нашем случае равен 54,5-1,5=53%. Это соответствует скорости около 29 км/час.
Значит, если у мотоциклиста появится желание испытать способности машины на подъеме, желательно не «заваливать» скорость ниже этого значения. В то же время ясно, что теоретически предельным углом подъема, доступным на 1-й передаче, является угол с синусом 0,53 — это угол примерно в 32°. Если же использовать запас динамического фактора для разгона, то и на горизонтальной дороге при безветрии максимальное ускорение на 1-й передаче может составить, ориентировочно, 4 м/сек2. Не ракета, конечно, но все-таки довольно неплохо для скромного мотоцикла. Можно ли превысить эти показатели? Кратковременно — да. Например, после предварительного разгона можно одолеть и более крутой, чем вычислено, подъем, — но скорость будет падать, — значит, тут важно, чтобы подъем был достаточно коротким, а мотор не успел бы заглохнуть. Можно кратковременно получить и значительно большее (примерно в 2 раза) ускорение, если при старте с места сначала раскрутить коленвал до повышенных оборотов при выключенном сцеплении, а потом его резко включить. В этом случае старт осуществляется не столько за счет мощности мотора, сколько за счет накопленной коленвалом и его маховиками кинетической энергии.
Особенно хорошо этот прием выполняется на мотоциклах с тяжелым коленвалом, — типичный представитель этого направления в технике — двухцилиндровая «Ява-350» с очень массивным коленвалом. При стартовом броске ускорение мотоцикла достигает почти 8-9 м/сек2, мотоцикл отрывает переднее колесо и — простите! — при чрезмерном самомнении «гонщика», не подкрепленном тренировками, может опрокинуться назад. Новичкам не вредно это помнить. Влияние веса мотоцикла можно оценить сравнением кривых «1» — сплошной для исходной величины 220 кг и штриховой для случая езды с пассажиром — 290 кг. Во втором случае максимальный угол подъема не превышает 24,5 градусов, а максимальное ускорение — 3 м/сек2. На рис. 2 мы показали также кривые «D» для случаев движения по ветру и против ветра при скорости его 20 км/час. Вы можете делать соответствующие выводы. Ветер оказывает не только сильное влияние на скорострные показатели машины, но и на показатели динамические. В нашем примере попутный ветер увеличивает запас «D» с 10,5 до 12,5%, а встречный уменьшает до 8,5%. Желающие могут сами прикинуть, насколько будет изменяться ускорение мотоцикла или его способность преодолевать подъемы (последнее достаточно наглядно показывают только что приведенные цифры).
Некоторые мотолюбители считают, что езда на высшей передаче — чуть ли не обязательное условие езды вообще! На деле же каждый может сталкиваться с ситуациями, когда даже по шоссе с хорошим покрытием приходится ехать на пониженных передачах (чаще — на 3-й). Например, мотоцикл предельно перегружен плюс крутой, затяжной подъем плюс встречный ветер. Что ж, — и такое порой бывает. При этом совсем не обязательно, как об этом кое-кто думает, непременно снижать скорость движения настолько, чтобы при этом не превысить обороты 5250 в минуту! Ничего страшного (по крайней мере, для двухтактного мотора) не будет, если вы их не надолго превысите процентов на десять, чтобы одолеть подъем. В нашем примере данным оборотам на высшей передаче соответствует скорость 120 км/час, на 3-й — 85 км/час. Если по условиям движения выгодней держать, скажем, 90 км/час на 3-й передаче, — держите! А кончится подъем, — легко, без потерь, перейдете на высшую. Вообще же, как показывает кривая «3», максимальная скорость на 3-й передаче составляет около 99 км/час при 6140 об/мин). Что же в итоге мы получили?
Знатоки, вероятно, уже заметили, что в качестве мотоцикла-прототипа для наших изысканий был выбран чехословацкий — «Ява-350» середины 60гх годов, — мы постарались использовать именно его характеристики мощности, крутящего момента двигателя, сохранить передаточные числа и т.д. Некоторыми данными (в частности, внешней характеристикой двигателя при числах оборотов выше 5500 об/мин) мы не располагаем, — здесь характеристика была нами продолжена до оборотов почти 7 тысяч в минуту, так сказать, волевым решением. Но можно сказать, что оно не было совсем необоснованным, а учитывало опыт моторостроительных фирм. Обратившись к официальному, заводскому описанию «Явы-350» модели 360/00, нетрудно убедиться в том, что вычисленные нами технические характеристики очень близки к реально замеренным. Итак, каковы выводы? — Скоростные возможности машины — при условии правильного выбора передаточного числа от коленвала к колесу — определяются максимальной мощностью двигателя и силами сопротивления.
Важно понять, что любые попытки изменения передаточного числа снижают максимальную скорость, причем наиболее безграмотным оказывается уменьшение передаточного числа, — тут снижаются и скорость, и динамичность машины. Напротив, повышение передаточного числа нередко заслуживает внимания. Например, на рис.3,а,б показаны характеристики для ведущих звездочек с 17 зубьями (стандартная для одиночки — «Явы») и с 16 зубьями (эта предназначена, вообще говоря, для езды с коляской).
Как видите, «одиночка» с уменьшенной звездочкой почти полностью сохраняет максимальную скорость, — кого волнует разница в 1 км/час?! Но насколько выгодней выглядит график динамического фактора! От минимальной скорости до примерно, 117 км/час мотоцикл становится более приемистым, но особенно — на средних скоростях, что очень важно в условиях интенсивного движения, на дорогах с крутыми подъёмами, поворотами и так далее. Например, подъем в 10,5%, практически недоступный на 4-й передаче стандартному мотоциклу, с уменьшенной на 1 зуб звездочкой преодолевается в диапазоне скоростей 33-74 км/час! Небо и земля, не так ли? Особенно полезно знать это мототуристам. Мотоциклы, на которых ездят мотокроссмены, к примеру, заведомо не предназначены для достижения максимальных скоростей, — для них куда важней именно динамические характеристики, поэтому передаточные числа на них обычно намного выше чисто «шоссейных», зато такой мотоцикл едва ли не на любой передаче позволяет уверенно брать крутые подъемы, двигаться с поднятым передним колесом и так далее. Кто-нибудь спросит: почему же заводы, создавая шоссейный мотоцикл-одиночку, все-таки не торопятся увеличивать передаточные числа? Не будем забывать, что понятие «хороший мотоцикл» подразумевает не только достаточные скорости или динамику разгона. Нужно еще иметь разумный расход топлива, достаточное охлаждение двигателя, достаточно большой срок его службы и еще многое другое. Иными словами, конструкция должна быть оптимальной. Когда же мотоцикл куплен кем-то, его владелец вправе вносить в конструкцию те изменения, которые он считает для себя полезными. Например, кто-то, купив стандартную «Планету», привез ее в горы и там ежедневно эксплуатирует, — характер дороги таков, что почти постоянно заставляет пользоваться пониженными передачами. Важно понять, что в этом случае стандартная конструкция, разработанная для равнинных трасс, уже не оптимальна! В частности, расход бензина может оказаться больше, чем в случае сознательного уменьшения ведущей .звездочки, — именно потому, что двигатель при повышенных сопротивлениях движению заставляет часто ездить на низших передачах. Уменьшив звездочку на 1-2 зуба, можно попасть как раз в «золотое яблочко», — и ездить станет легче, и расход бензина уменьшится. Что горы? Похожая ситуация может поджидать и того, кто постоянно ездит, скажем, по таежным тропам, грунтовым, песчаным трассам и т.д. Еще один вопрос: оппозит. При привращении его в «одиночку» общая масса мотоцикла уменьшается. Следовательно можно уменьшить передаточное отношение главной передачи, заменив штатную главную пару с отношением 4.62 на «скоростную» с отношением 3.89. Это увеличит максимальную скорость, улучшит режим работы двигателя за счет уменьшения оборотов двигателя на средних скоростях.
В общем, вариантов много. И каждый должен сам решить, что ему нужно и нужно ли вообще.