Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: POJAZDY SAMOCHODOWE Ćwiczenie nr: PS-2 Wyznaczanie oporów ruchu pojazdu Kod przedmiotu: MHBMS26005, MHBMN26005 Instrukcję opracował: dr inż. Jarosław Czaban dr inż. Konstanty Juziuczuk Białystok 206
CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest określenie: a/ wartości współczynnika oporu toczenia metodą wybiegu w zaleŝności od ciśnienia powietrza w ogumieniu przy znanych wartościach Jp i Jt; b/ wartości współczynnika oporu toczenia i współczynnika oporu powietrza przy nieznanej wartości współczynnika mas wirujących δ. SPIS TREŚCI WPROWADZENIE... 3 2 METODYKA POMIARÓW... 5 2. Sprawdzenie wiedzy ogólnej... 5 2.2 Przebieg pomiarów... 5 2.3 Określenie bezwymiarowego współczynnika oporu powietrza Cx za pomocą próby wybiegu zarejestrowanego przy pomocy piątego koła... 6 3 WYMAGANIA BHP... 8 4 SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA... 8 5 PYTANIA KONTROLNE... 8 6 LITERATURA... 8 PROTOKÓŁ POMIAROWY... 8 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2
WPROWADZENIE Najprostszą porównawczą metodą oceny oporów ruchu samochodu jest tzw. próba wybiegu. Wybiegiem nazywamy odcinek drogi pokonywany silą bezwładności rozpędzonego uprzednio samochodu po odłączeniu napędu od kół jezdnych. Pomiar wykonuje się mierząc drogę, jaką przebywa swobodnie toczący się pojazd, rozpędzony uprzednio do określonej prędkości. Im mniejsze są opory ruchu, tym dłuŝsza jest ta droga. Na podstawie wyniku takiej próby moŝna więc wyznaczyć zaleŝność sumy oporów ruchu od prędkości jazdy ΣF = f(v). Trudność sprawia zapewnienie dostatecznej dokładności pomiarów. Nawet niewielkie podmuchy wiatru lub nierówności odcinka drogi, na którym próba jest realizowana, powodują zakłócenia wyniku. Uzyskanie tą metodą dobrych (poprawnych) rezultatów wymaga: bardzo starannego przygotowania pojazdu do prób; bardzo starannego wyboru odcinka pomiarowego; realizacji pomiarów przy bezwietrznej pogodzie; statystycznego opracowania wyników z wielokrotnie powtarzanej próby. W przypadku próby wybiegu rozpoczynanej od małej prędkości jazdy.(0...5 km/h) moŝna przyjąć, Ŝe opory powietrza są pomijalnie małe i wynikiem pomiarów jest całkowita siła oporów toczenia. ZałoŜenie to jest słuszne dla jazdy po drodze poziomej, tzn. gdy siła oporów wzniesienia Fw = m g sinα. Wynikiem takich załoŝeń jest: a/ nieuwzględnianie wpływu oporu powietrza, oporu tarcia i oporów wentylacyjnych; b/ traktowanie współczynnika oporu toczenia jako zaleŝnego jedynie od rodzaju nawierzchni. Przyjęcie wyniku tych załoŝeń umoŝliwia obliczenie współczynnika oporu toczenia wg wzoru: oraz siły oporu toczenia badanego pojazdu: a a f = + (Jp + Jt ) () 2 g mgr t F t = mgf [N] (2) gdzie: f- współczynnik oporu toczenia; a - średnie opóźnienie wybiegu, m/s 2 ; m - masa całkowita pojazdu, kg; g - przyspieszenie ziemskie, m/s 2 ; rt - promień toczny koła, m; Jp, - moment bezwładności kół przednich i elementów z nimi związanych zredukowanyna oś koła jezdnego, kg m 2 ; Jt, - moment bezwładności kół tylnych i elementów z nimi związanych zredukowany na oś koła jezdnego, kg m 2. Otrzymana z zaleŝności () wartość współczynnika oporu toczenia f jest słuszna dla określonego ogumienia, a dokładniej dla określonych wymiarów, rodzaju bieŝnika i ciśnienia powietrza w ogumieniu oraz dla określonej nawierzchni. Próba wybiegu rozpoczynana od większej prędkości umoŝliwia wyznaczenie współczynnika oporów powietrza cx oraz współczynnika oporów toczenia f. Pominięcie wpływu składowych oporów toczenia zaleŝnych od prędkości pozwala zapisać równanie ruchu pojazdu dla takiej próby w postaci 2 p t x + δ ma = F + F = / 2ρc Av fmg (3) gdzie: δ - współczynnik mas wirujących ( bez uwzględnienia odłączonych mas wirujących silnika); m - masa całkowita pojazdu, kg; Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3
Fp i Ft - odpowiednio, siła oporów powietrza i toczenia, N; p - gęstość powietrza, kg/m 3 ; cx - bezwymiarowy współczynnik oporów powietrza; A - pole powierzchni czołowej samochodu, m 2 ; v - prędkość jazdy, m/s; f- współczynnik oporów toczenia; g - przyspieszenie ziemskie, m/s 2. Równanie to moŝna zapisać w postaci bezwymiarowej a g 2 ρac x v = 2mgδ f + δ (4) Interpretację graficzną równania we współrzędnych a/g, v 2 jest prosta (rys ) nie przechodząca przez początek układu współrzędnych. Z zaleŝności (4) wynika, Ŝe: a(v = 0) f δa(v = 0) gdy v = 0 to = i stąd f = (5) g g g a gdy v = v0 0 to 2mgδ a(v 0 ) f c x = ( Av g ) (6) 2 ρ δ Znając wartości m, g, δ, ρ i A moŝni wyznaczyć współczynniki oporów toczenia i powietrza. Dla niektórych pojazdów wartości Jp i Jt, lub δ,moŝna znaleźć w literaturze. JednakŜe dla większości są one nie publikowane. W związku z tym zachodzi konieczność ich wyznaczenia. Najprościej wyznaczyć moŝna współczynnik mas wirujących δ wykorzystując zaleŝność: m + mred δ = (7) m gdzie: m - masa całkowita pojazdu, kg; mred - zredukowana masa zastępcza, odwzorowująca wpływ mas wirujących pojazdu, kg. o Rys.. Interpretacja graficzna równania (4) Wykonuje się dwie próby wybiegu w tych samych warunkach, lecz z róŝnym obciąŝeniem. Równania ruchu tych prób moŝna zapisać w następującej postaci: dla pierwszej próby: maδ = ΣF dla drugiej próby: a δ = F m Σ Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4
JeŜeli próby wykonywano przy znacznych prędkościach, gdy Fp > Ft (, to moŝna przyjąć z dostatecznym przybliŝeniem, Ŝe suma sił oporów ruchu (ΣF), działających na pojazd podczas obu prób, jest taka sama. Wówczas: Po uwzględnieniu zaleŝności (7) otrzymuje się: red red maδ = m a δ ( m + m )a = (m + m ) a stąd m m a ma red = (8) a a Doświadczalne wyznaczenie a i adla poszczególnych prób przy znajomości wartości m i m umoŝliwia obliczenie mred Wykorzystując wzór (7) moŝna wyznaczyć wartość współczynnika mas wirujących δ. Próby powinny być prowadzone na odcinku prostej, płaskiej i poziomej drogi, na której lokalne pochyłości nie powinny być większe niŝ,5%. Prędkość wiatru w czasie prób nie powinna przekraczać 3 m/s. Warunki atmosferyczne normalne ( t = ok. 20 C, p = 000 hpa, r =,293 kg/m 3 ). W czasie prowadzenia prób powinny być zamknięte wywietrzniki i okna. Stanowisko do przeprowadzenia prób powinno być wyposaŝone w: sprawny technicznie samochód; dwa sekundomierze; dwie chorągiewki; dwa słupki wskaźnikowe; taśmę pomiarową; urządzenie do pompowania ogumienia z ciśnieniomierzem. 2 METODYKA POMIARÓW Zajęcia laboratoryjne powinny przebiegać zgodnie z podaną niŝej kolejnością. Zmiana kolejności wykonywania poszczególnych zadań moŝliwa jest tylko po ustaleniu tego z prowadzącym zajęcia. 2. Sprawdzenie wiedzy ogólnej Warunkiem przystąpienia do zajęć jest wykazanie się wiedzą teoretyczną z zakresu tematu zajęć laboratoryjnych. Sprawdzenie wiadomości z zakresu tematu wykonywanego ćwiczenia odbędzie się na podstawie zaliczenia pisemnego po zakończeniu bloku tematycznego. 2.2 Przebieg pomiarów a) sprawdzić stan techniczny pojazdu oraz ciśnienie powietrza w ogumieniu ( ewentualnie uzupełnić do wartości zalecanych ), b) zmierzyć promień rt kół jezdnych, c) wyznaczyć szerokość b i wysokość h pojazdu, d) ustalić odcinek pomiarowy drogi i wyznaczyć na nim za pomocą słupków punkt charakterystyczne (rys. 2), e) ustawić dwóch obserwatorów z sekundomierzami w p. O odcinka pomiarowego, f) ustawić po jednym obserwatorze z chorągiewką w p. l i p. 2 odcinka pomiarowego, g) ustalić prędkość samochodu na ok. 5 km/h i z tą prędkością dojeŝdŝać do początki odcinka pomiarowego, h) w chwili najeŝdŝania przednich kół samochodu na początek odcinka pomiarowego (p.0 uruchomić dwa sekundomierze do pomiaru czasu t i czasu t2, i) zatrzymać jeden sekundomierz, gdy przednie koła samochodu znajdują się w punkcie (sygnalizacja chorągiewką), odłączając jednocześnie napęd od kół jezdnych i ustawiają dźwignię zmiany biegów w połoŝeniu luzu. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5
Rys. 2. Schemat odcinka pomiarowego do próby wybiegu (Juziuczuk i in., 20). j) zatrzymać drugi sekundomierz: w chwili, gdy samochód zatrzyma; się (p. 2 odcinka, sygnalizacji chorągiewką), k) zmierzyć taśmą pomiarów; drogę L (do osi kół przednich samochodu), l) powtórzyć próbę w przeciwnym kierunku, m) czasy przejazdu, (t i t2) długości przebytych odcinków L zanotować w karcie pomiarowej n) powtórzyć cały cykl pomiarowy dla ciśnienia powietrza w ogumieniu p = 0,5 pn, wyniki zanotować w karcie o) pomiarów, p) uzupełnić ciśnienie powietrza w ogumieniu do wartości nominalnej, obciąŝyć pojazd dodatkową masą (ok. 200 kg), q) ustalić prędkość samochodu na ok. 60 km/h i z tą prędkością dojeŝdŝać do początki odcinka pomiarowego, powtórzyć punkty od h do m r) obliczyć prędkość początkową wybiegu L v 0 = t m s s) obliczyć średnie opóźnienie w czasie wybiegu a = v0 t t 2 m 2 s t/)obliczyć współczynnik oporu toczenia f wg wzoru (dla ciśnienia nominalnego pn w ogumieniu i 0,5 pn, u) obliczyć współczynnik oporu toczenia f wg wzoru 5 i współczynnik oporu powietrza wg wzoru 2.3 Określenie bezwymiarowego współczynnika oporu powietrza Cx za pomocą próby wybiegu zarejestrowanego przy pomocy piątego koła a) zamocować koło pomiarowe do badanego pojazdu; b) połączyć przetwornik pomiarowy z kartą pomiarową i komputerem; c) uruchomić program do rejestracji prędkości Piąte Koło.exe ; Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6
d) uruchomić podprogram POMIAR WOLNY w celu zarejestrowania przebiegu hamowania pojazdu; e) w zakładce nastawy wprowadzić parametry do rejestracji; f) po zatwierdzeniu wprowadzonych nastaw powrócić do okna POMIAR WOLNY ; g) rozpędzić pojazd do prędkości ustalonej z prowadzącym ćwiczenie h) wciśnięcie przycisku START wyzwala procedurę określania rzeczywistej prędkości jazdy pojazdu; i) w celu przeprowadzenia dalszej analizy, po wykonaniu pomiaru naleŝy wyeksportować wyniki do pliku tekstowego i opracować je w Excelu; j) sporządzić wykres we współrzędnych a(v)/g, v 2 ; k) aproksymując go funkcją liniową wyznaczymy współczynnik kierunkowy funkcji, na podstawie którego mo- Ŝemy wyznaczyć bezwymiarowy współczynnik oporów powietrza cx: ρ A k = 2 m g δ c x gdzie: δ współczynnik mas wirujących (bez uwzględnienia odłączonych mas wirujących silnika); m masa całkowita pojazdu; Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7
ρ gęstość powietrza; cx bezwymiarowy współczynnik powietrza; A pole powierzchni czołowej pojazdu; g przyspieszenie ziemskie. LABORATORIUM POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH 3 WYMAGANIA BHP Podczas pracy na stanowisku obowiązują ogólne zasady BHP obowiązujące w Laboratorium Pojazdów. Wykonanie pomiarów i przeprowadzanie badań (prób) wiąŝe się z niebezpieczeństwem i moŝliwością powstania wypadków. W celu zminimalizowania tego niebezpieczeństwa studenci i pracownicy zobowiązani są do przestrzegania ogólnych zasad BIP oraz do przestrzegania przepisów porządkowych iorganizacyjnych obowiązujących w laboratorium pojazdów, które były podane do wiadomości. Ponadto, przy wykonywaniu prób z wykorzystaniem pojazdów naleŝy przestrzegać następujących postanowień: a/ studenci mogą posługiwać się elementami wyposaŝenia laboratorium (pojazdem) tylko za zgodą i pod nadzorem prowadzącego zajęcia, b/ studenci przygotowują stanowisko do badań (prób) i zgłaszają prowadzącemu zajęcia jego gotowość. Przystąpienie do badań (prób) jest moŝliwe po sprawdzeniu prawidłowości przygotowania stanowiska przez prowadzącego zajęcia, c/ studenci wykonują samodzielnie wszystkie czynności związane z przeprowadzeniem badań (prób). Kierowanie pojazdem samochodowym (ciągnikiem rolniczym) przez studenta jest moŝliwe tylko pod warunkiem, Ŝe posiada on odpowiednie uprawnienia (odp. kat. prawa jazdy), d/ studenci wykonujący badania (próby) ruchowe pojazdu mają obowiązek: ściśle przestrzegać programu badania (próby); dbać o zachowanie bezpieczeństwa innych uŝytkowników drogi na której odbywa się próba. UWAGA: Przy wykonywaniu badania (próby) zachować szczególną ostroŝność! 4 SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie powinno zawierać: Stronę tytułową, Protokół pomiarowy, Wnioski końcowe 5 PYTANIA KONTROLNE. Opisać metodę wyznaczania oporów toczenia i powietrza 2. Wyjaśnić wpływ wartości współczynnika oporów toczenia na długość drogi wybiegu 3. Wyjaśnić wpływ wartość współczynnika oporów powietrza na długość drogi wybiegu 4. Sposób określania współczynnika mas wirujących pojazdu 5. Wyjaśnić wpływ masy pojazdu na długość drogi wybiegu 6 LITERATURA. Orzełowski S.: Eksperymentalne badania samochodów i ich zespołów. WNT Warszawa 995; 2. Arczyński St.: Mechanika ruchu samochodu. WNT Warszawa 994r 3. Łakomy T.: Praca dyplomowa: Projekt przyrządu do wyznaczania rzeczywistej prędkości samochodu. Promotor J. Czaban, Politechnika Białostocka Wydział Mechaniczny, Białystok 2005; 4. Kuczyński Z., Michalak W.: Pracownia samochodowa. WSiP Warszawa 994. 5. Juziuczuk K., Kamiński Z., Czaban J., Szpica D.: LABORATORIUM POJAZDÓW Analiza funkcjonalna pojazdu oraz zagadnienia ruchu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 20. PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8
Białystok, dn Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: konstrukcja i eksploatacja maszyn i pojazdów PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: PS-2 Wyznaczanie oporów ruchu pojazdu
Obliczony dla danego typu nawierzchni współczynnik oporu toczenia porównać z współczynnikami podawanymi w literaturze technicznej. Porównać wartości współczynników oporu toczenia przy róŝnych ciśnieniach powietrza w ogumieniu, róŝnych prędkościach początkowych wybiegu i róŝnym obciąŝeniu pojazdu. Przeanalizować warunki i metodę badania, określić czynniki, które mogłyby mieć wpływ na uzyskane wyniki. Obliczony współczynnik oporu powietrza cx porównać z danymi zawartymi w literaturze. W sprawozdaniu podać tablicę wyników pomiarów i obliczenia, określić warunki w jakich odbywały się pomiary oraz opracować wnioski... data wykonania ćwiczenia podpis prowadzącego