Elemente de dinamica autovehiculului

1.1 Constructii similare de autovehicule.

Evidentierea caracteristicilor constructive si de utilizare

Autoturismele studiate fac parte din clasa sport, clasa care constituie un segment destul de important din productia mondiala actuala de autoturisme. Concurenta la acest nivel este deosebit de dura, in ultimii ani tot mai multe firme producatoare aducand schimbari substantiale modelelor mai vechi si chiar inlocuindu-le pe cele vechi cu creatii noi, de ultim moment, din punct de vedere al performantelor, sigurantei in exploatare si economicitatii, cerinte esentiale la nivelul constructiei actuale de autovehicule.

Una dintre tendintele actuale de dezvoltare a constructiei de autoturisme este asigurarea unei sigurante sporite in conducere, prin dotarea lor cu dispozitive si sisteme de siguranta activa si pasiva. Cel mai folosit sistem de siguranta activa este ABS-ul, care impiedica blocarea rotilor in timpul franarii indiferent de forta aplicata la pedala sau starea si natura caii de rulare. O rostogolire continua a rotilor in timpul franarii automobilului are ca efect micsorarea considerabila a spatiului necesar opririi dar mai ales mentinerea posibilitatii de a controla traiectoria acestuia.

Dezvoltarea sistemelor electronice amplasate la bordul automobilelor a oferit posibilitatea controlului tractiunii in vederea evitarii patinarii nedorite a rotilor motoare la deplasarea pe drumuri cu aderenta scazuta. Sistemele antipatinaj (Anti-wheel Spin Regulation, Automatic Stability Control and Traction Control, Dynamic Stability Control, Traction Control System) actioneaza pe doua directii:

-marirea momentului motor transmis rotii situate pe un drum cu aderenta ridicata, atunci cand coeficientii de aderenta corespunzatori celor doua roti motoare sunt sensibil diferiti realizandu-se un efect de pseudoblocare a diferentialului;

-reducerea prompta a momentului furnizat de motor atunci cand se inregistreaza depasirea valorii critice a patinarii la ambele roti.

Dintre sistemele de siguranta pasive cel mai des utilizat este airbag-ul. Analiza consecintelor accidentelor produse in ultimii ani a evidentiat importanta capacitate de protectie pe care pernele de aer au avut-o fata de sofer si pasagerul asezat pe scaunul din dreapta, de multe ori vietile si integritatea corporala ale acestora fiind salvate la automobilele prevazute cu astfel de dispozitive.

De mare importanta raman si centurile de siguranta a caror prezenta este din ce in ce mai necesara in conditiile unui trafic rutier aglomerat in care riscul producerii de accidente este tot mai mare. In acelasi timp, purtarea centurilor de siguranta a devenit obligatorie prin lege, pentru reducerea pe cat mai mult posibil gravitatea accidentelor rutiere.

O alta tendinta a dezvoltarii actuale in constructia de automobile este echiparea masinilor cu motoare economice si nepoluante in conditiile mentinerii performantelor. Una din modalitatile de reducere a consumului este folosirea motoarelor Diesel la care consumul ajunge sa fie cu 1/3 mai mic decat in cazul motoarelor cu ciclul Otto. Autonomia masinii ajunge pana la 1000-1300km cu un plin. Frigul nu mai constituie o problema, tehnologiile actuale permitand pornirea fara prea mari eforturi pana la -25°C. La aceste calitati se adauga longevitatea mecanica si chiar reprizele foarte bune mai ales la variantele turbo. La capitolul dezavantaje capul de afis il detine pretul de achizitie mai mare. Pentru cei pretentiosi zgomotul mai intens poate fi considerat o problema. Se mai poate adauga agilitatea inferioara benzinei si vibratiile care se fac simtite la regimuri joase si mai ales la ralanti. Un alt inconvenient il constituie necesitatea unor instalatii pentru depoluare mai sofisticate si deci mai scumpe.

O alternativa in cazul cerintelor  de economicitate si de poluare o constituie folosirea injectiei de benzina. Daca in urma cu cativa ani peste 80% din automobile utilizau carburatoarele, astazi acestea mai pot fi intalnite doar la 1 din 10 autoturisme. Injectia de benzina s-a dovedit solutia viabila in fata problemelor ridicate de economia de combustibil si de tot mai severa legislatie antipoluare, ajungandu-se pana la scoaterea din productie a motoarelor cu carburator.

O tot mai mare amploare o capata folosirea combustibilului verde, o benzina fara tetraetil de plumb. Prin realizarea unor motoare cu modificari minime si adaugarea unei tobe catalitice emisiile poluante scad simtitor in cazul folosirii acestui combustibil.

O amploare din ce in ce mai mare a luat-o utilizarea cutiilor de viteze automate. Nu exista nici un dubiu asupra faptului ca schimbatoarele de viteza automatice faciliteaza sofatul. Acestea fac de asemenea traficul mai sigur deoarece soferii sunt scutiti de un efort fizic si psihic in plus. Datorita aparitiei unor noi sisteme cum ar fi controlul automat si adaptabilitatea transmisiei, transmisiile automatice au capatat o puternica raspandire.

Din punct de vedere al organizarii spatiului interior se constata o raspandire pe scara tot mai larga a solutiilor constructive cu motorul asezat in fata in pozitie transversala, avand ca efect micsorarea spatiului necesar motorului in favoarea maririi habitaclului si deci a oferirii unui confort sporit pasagerilor.

Ca mod de organizare a transmisiei se folosesc solutiile: motor fata si punte motoare fata, spate, transmisie integral permanenta, transmisie integral nepermanenta. Solutia adoptata va fi o masina cu amplasarea motorului in fata dispus longitudinal si tractiune integral permanenta deoarece ceasta solutie prezinta avantajele:

o mai buna mobilitate;

stabilitate in viraje;

uzuri mai uniforme ale pneurilor;

o mai buna repartitie a greutatii aderente;

reducerea pericolului de incendiu, prin dispunerea rezervorului pe consola spate;

simplitatea sistemului de racire.

si dezavantajele:

motorul si transmisia  sunt supuse loviturilor frontale;

cresterea garzi la sol;

aparitia complicatiilor constructive a transmisiei.

In tabelul 1.1 sunt prezentate cateva solutii constructive de automobile break similare cu cel pe care mi-am propus sa-l proiectez.

1.2.Organizarea generala si parametrii principali

1.2.1.Alegerea solutiei de amenajare generala si de organizare a transmisiei

Parametrii constructivi fac parte din calitatile tehnice generale ale autovehiculului care determina gradul de adaptare al acestuia la cerintele de utilizare in conditii optime de siguranta, confort, eficienta economica si performante.

Transmisia va cuprinde:

-tractiune pe toate rotile;

-ambreiaj monodisc uscat cu comanda mecanica;

-cutie de viteze cu 5+1 trepte cu schimbare manuala a treptelor.

Ambreiajul si cutia de viteze pot avea si actionare automata insa cu pastrarea posibilitatii de actionare clasica.

Puntea fata este independenta si are suspensie Mac Pherson cu arcuri elicoidale, amortizoare hidraulice si bara stabilizatoare.

Puntea si suspensia spate : independenta cu brate longitudinale, arcuri elicoidale si amortizoare hidraulice.

Sistemul de franare prezinta:

-discuri ventilate atat in fata cat si in spate;

-servofrana;

Sistemul de directie: servoasistat;

Caroseria -autoportanta in 2 volume.

1.2.2. Dimensiunile geometrice

Ca urmare a analizei solutiilor similare se adopta urmatoarele dimensiuni geometrice:

Tabelul 1.2

Figura 1.1

1.2.3. Greutatea automobilului

Greutatea autovehiculului care este de fapt masa acestuia reprezinta suma dintre masa utila si masa proprie, luandu-se in considerare greutatea tuturor mecanismelor si agregatelor incluse pe autoturism.

Masa utila reprezinta o caracteristica esentiala, ea fiind data prin tema de proiectare sau adoptata functie de tipul autovehiculului in concordanta cu capacitatea de incarcare a tipurilor similare. In calculul masei utile intra numarul de persoane, bagajul aferent fiecaruia si sarcina utila pe care autovehiculul trebuie sa o transporte.

Normele interne si internationale (STAS 6926/1-78) au recomandat la autoturism a urmatoarele mase:

masa personalului de serviciu permanent la bord: 75 kg;

masa unui pasager: 68 kg;

masa bagajului pentru un pasager: 7 kg;

Conform recomandarilor aceluiasi STAS masa utila se calculeaza, pentru faza de proiectare, functie de capacitatea de incarcare, cu formula:

(1.1)

unde: - numarul maxim de pasageri;

- masa bagajului suplimentar.

Masa proprie este o marime ce caracterizeaza constructia de autovehicule, ea cuprinzand suma maselor tuturor sistemelor si subsistemelor incluse pe autoturism atunci cand acesta se afla in perfecta stare de functionare. Masa proprie se recomanda a sa alege functie de mase proprii ale tipurilor de autoturisme similare, avandu-se in vedere tendintele acestora de a scadea aceasta masa prin utilizarea de materiale cat mai usoare si mai rezistente, inlocuind cu succes unele componente metalice cu plasticul. Greutatea proprie se poate gasi in doua ipostaze: greutatea uscata, adica aceea fara lichidele functionale (combustibil, apa (daca este cazul), ulei), trusa de scule, trusa medicala, roate de rezerva si greutatea in ordine de mers care prezinta autovehiculul in perfecta stare de functionare, el putand pleca la drum in orice moment.

Conform solutiilor similare, se adopta masa proprie a autovehiculului: .

Cum masa totala reprezinta suma dintre masa utila si masa proprie rezulta deci:

(1.2)

Functie de masele determinate anterior se calculeaza  greutatea automobilului, greutatea utila si greutatea proprie:

(1.3)

Figura 1.2

1.2.4 Rotile automobilului

Rotile reprezinta un subansamblu important in constructia autovehiculului si au o influenta directa asupra dinamicii, economicitatii, stabilitatii si capacitatii de trecere a autovehiculului.

Rotile constituie:

-elemente de sustinere prin faptul ca primesc si transmit sarcinile verticale de la autovehicul la drum;

-elemente  motoare deoarece asigura aparitia unor forte exterioare la suprafata de contact cu drumul;

-elemente de ghidare deoarece conserva traiectoria de mers a autovehiculului;

-elemente elastice prin gradul ridicat de deformabilitate in toate directiile (vertical, longitudinal, transversal).

Rotile de autovehicul sunt alcatuite din elemente metalice (janta si butucul rotii) si elemente elastice (anvelopa si camera de aer).

Cerintele impuse pentru alegerea pneului pentru un anumit autovehicul sunt functie de cerintele impuse autovehiculului, conditiile de exploatare si viteza maxima a acestuia.

Pentru alegerea anvelopei se va avea in vedere STAS 9090-80 - 'Anvelope in constructie radiala pentru autovehicule'.

Pentru alegerea pneului se vor urma pasii:

se determina greutatea ce revine fiecarei roti:

autoturismul avand doua punti vom avea:

(1.4)

unde conform tabelului 2.2

vom avea dimensiunile:

(1.5)

(1.6)

(1.7)

functie de greutate avem:

(1.8)

din masa repartizata pe punti se calculeaza masa ce revine fiecarui pneu:

pentru pneurile din fata:

(1.9)

(1.10)

- se aleg pneurile care satisfac conditia de obtinere a vitezei maxime, care este de 188 km/h.

Functie de dimensiunile pneurilor utilizate de solutiile similare se orienteaza asupra dimensiunilor rotilor. Se adopta din solutiile similare pneul 175 SR 14, cu urmatoarele dimensiuni:

latimea sectiunii maxime 182

diametrul exterior 634

raza statica 289

circumferinta de rulare 1920

marimea camerei de aer KR 14

presiunea de utilizare 1,9

Pentru calculele de dinamica autovehiculului este necesara cunoasterea razei de rulare care se determina cu relatia:

(1.11)

1.3 Definirea conditiilor de autopropulsare

Miscarea autovehiculului este determinata de marimea, directia si sensul fortelor active si a fortelor de rezistenta ce actioneaza asupra acestuia.

Definirea conditiilor de autopropulsare precede calculul de tractiune, impreuna cu care conditioneaza performantele autovehiculului.

1.3.1. Rezistenta la rulare, rezistenta aerului, rezistenta pantei si rezistenta la demarare

Rezistenta la rulare R_r este o forta cu actiune permanenta la rularea rotilor pe calea de rulare, de sens opus sensului deplasarii autovehiculului.

Cauzele fizice ale rezistentei la rulare sunt:

- deformarea cu histerezis a pneului;

- frecarile superficiale in pneu si cale;

- frecarile in lagarele rotii;

- deformarea caii;

- percutia dintre elementele pneului si microneregularitatile caii de rulare;

- efectul de ventuza produs de profilate cu contur inchis de pe banda de rulare.

Factorii de influenta ai rezistentei la rulare sunt:

- viteza de deplasare a autovehiculului;

- caracteristicile constructive ale pneului;

- presiunea interioara a aerului din pneu;

- sarcina normala pe pneu;

- marimea momentului aplicat rotilor;

- starea drumului.

In calculele de proiectare dinamica a autovehiculelor, rezistenta la rulare este luata in considerare prin coeficientul de rezistenta la rulare f, care reprezinta forta specifica la rulare definita prin relatia:

(1.12)

din care rezulta rezistenta la rulare:

(1.13)

unde: R_r- forta de rezistenta la rulare

- componenta normala pe calea de rulare a greutatii automobilului.

Pentru calculul rezistentei la rulare se recomanda utilizarea de valori medii, determinate experimental ale coeficientului rezistentei la rulare. Astfel se adopta pentru o cale de rulare buna, cum ar fi sosea asfaltata sau betonata.

In functie de aceste aspecte se adopta: f=0,015. [4]

Pentru aceasta valoare a coeficientului f, rezistenta la rulare va fi:

(1.13')

cu G_a=15500 N

- unghiul maxim de inclinare longitudinala a caii de rulare.[4]

Rezistenta aerului R_a reprezinta interactiunea, dupa directia deplasarii, dintre aerul in repaus si autoturismul aflat in miscare rectilinie.

Rezistenta aerului este o forta cu actiune permanenta, de sens opus sensului de deplasare a autovehiculului.

Cauzele fizice ale aparitiei acestei forte sunt:

-repartitia inegala a presiunilor pe partea din fata si din spate a caroseriei;

-frecarea dintre aer si suprafetele pe langa care are loc curgerea acestuia;

-energia consumata pentru turbionarea aerului;

-rezistenta curentilor exteriori folositi pentru racirea diferitelor organe si pentru ventilarea caroseriei.

Factorii de influenta ai rezistentei aerului sunt:

-forma caroseriei;

-viteza si directia de miscare a autoturismului;

-densitatea aerului atmosferei;

Pentru calculul rezistentei aerului se foloseste relatia:

(1.14)

unde:

densitatea aerului pentru conditii atmosferice standard ( si ) densitatea aerului are valoarea de

- - coeficientul de rezistenta al aerului

- - aria sectiunii transversale maxime

- - viteza de deplasare a autovehiculului

Aria sectiunii transversale maxime se poate determina, cu eroare sub 5 %, cu relatia :

(1.15)

unde: ecartamentul autovehiculului;

inaltimea autovehiculului.

Coeficientul rezistentei aerului se adopta functie de tipul autovehiculului si aria sectiunii transversale: se adopta

(1.16

Rezistenta la demarare R_d este forta ce se manifesta in regimul de miscare accelerata a autoturismului.

Ca urmare a legaturilor cinematice determinate in lantul cinematic al transmisiei dintre motor si rotile motoare, sporirea vitezei de translatie a autovehiculului se obtine pe baza sporirii vitezelor unghiulare de rotatie ale elementelor transmisiei si rotilor.

Masa autovehiculului in miscare de translatie capata o acceleratie liniara iar piesele in rotatie, acceleratii unghiulare.

Influenta asupra inertiei in translatie a pieselor aflate in rotatie se face printr-un coeficient numit coeficient de influenta al maselor in miscare de rotatie, care se adopta din tabele , pentru autoturisme cu (raportul de transmitere in prima treapta a cutiei de viteze).

Rezistenta la demarare este astfel data de relatia:

(1.17)

unde este acceleratia miscarii de translatie a autovehiculului

Rezistenta pantei R_p apare la deplasarea autovehiculelor pe cai de rulare cu inclinare longitudinala, reprezentand componenta greutatii totale a autovehiculului G_a dupa directia deplasarii.

Deplasarea unui autovehicul pe un drum cu o inclinatie presupune descompunerea greutatii autovehiculului dupa doua componente: una perpendiculara pe planul drumului () si una paralela cu acesta (), numita si rezistenta pantei, deoarece ea se opune atunci cand autovehiculul urca panta fiind forta negativa, dar devenind activa atunci cand autovehiculul o coboara. Deci expresia rezistentei pantei este:

(1.18)

- pentru urcarea pantei,

- pentru coborarea pantei.

Unghiul maxim de inclinare a fost adoptat anterior, , iar pentru unghiuri mici panta se exprima in procente, deoarece

Coeficientul maxim de rezistenta se calculeaza cu relatia:

(1.19)

Rezistenta maxima pe care o va urca opune panta asupra automobilului va fi de:

(1.18

1.3.2.Forme particulare ale ecuatiei generale de miscare

In scopul stabilirii ecuatiei generale a miscarii, se considera autovehiculul in deplasare rectilinie, pe o cale cu inclinare longitudinala in regim tranzitoriu de viteza, cu acceleratie pozitiva (demaraj).

Luand in considerare actiunea simultana a fortelor de rezistenta si a fortei motoare (de propulsie), din echilibrul dinamic dupa directia miscarii, se obtine ecuatia diferentiala:

(1.20)

in care F_R- forta la roata

Forta la roata este determinata ca marime de performantele motorului date prin caracteristica de turatie si de parametrii cinematici ai transmisiei.

(1.21)

sau

(1.21')

unde: si reprezinta momentul, respectiv puterea intr-un anumit punct al din caracteristica de turatie a motorului;

raportul de transmitere al transmisiei;

randamentul transmisiei;

raza de rulare a rotii;

viteza de deplasare

Date fiind conditiile de autopropulsare ale autovehiculului, se definesc mai multe forme particulare ale ecuatiei generale de miscare:

a) Deplasarea cu viteza maxima se face pe o cale de rulare orizontala in stare buna de functionare, aceasta ecuatie se obtine din conditia obtinerii vitezei maxime

(1.22)

b) Deplasarea pe calea cu inclinare longitudinala maxima sau  pe calea cu rezistenta specifica maxima:

Aceasta ecuatie se obtine din conditia obtinerii deplasarii autovehiculului pe un drum cu inclinare longitudinala maxima. De regula panta se urca cu viteza minima, de aceea termenul care contine viteza nu se va mai scrie, iar coeficientul rezistentei specifice va lua valoarea maxima. Ecuatia este de forma:

(1.23)

c) Pornirea de pe loc cu acceleratie maxima

Pentru obtinerea acestei ecuatii se va avea in vedere acceleratia maxima din prima treapta a cutiei de viteze , ea conditionand acceleratia autovehiculului la pornirea de pe loc. Forma particulara a ecuatiei generale de miscare va fi de forma:

(1.24)

Calculul de tractiune

Calculul de tractiune se face in scopul determinarii parametrilor principali ai motorului si transmisiei, astfel ca autovehiculul de proiectat sa fie capabil sa realizeze performantele prescrise in tema de proiectat sau a performantelor celor mai bune modele existente.

1.4.1. Alegerea marimii randamentului transmisiei

Transmiterea fluxului de putere de la motor la rotile motoare este caracterizata de pierderi datorate fenomenelor de frecare din organele transmisiei.

Calitativ, pierderile de putere din transmisie se apreciaza prin randamentul transmisiei

In calculul acestui randament intra randamentul tuturor organelor componente transmisiei. Aceste randamente au fost determinate experimental si au urmatoarele valori:

randamentul cutiei de viteze: in priza directa

in celelalte trepte

randamentul transmisiei principale

randamentul transmisiei longitudinale

Deoarece valoarea randamentului transmisiei este greu de calculat datorita numerosilor factori care il influenteaza, in calculul de proiectare, pentru un autoturism, acesta poate fi adoptat intre: .

Deci randamentul transmisiei se adopta:

1.4.2 Determinarea puterii maxime

Din definirea conditiilor de autopropulsare, deplasarea cu viteza maxima presupune dezvoltarea unei forte la roata F_rvmax.

Din definirea puterii ca produs intre forta si viteza, realizarea performantei de viteza maxima, in conditiile prevazute, presupune pentru motor dezvoltarea unei puteri:

(1.22)

unde P_vmax [kW] - puterea dezvoltata de motor pentru atingerea vitezei maxime;

F_rvmax=2099 N - forta la roata la viteza maxima;

v_max=52.22 m/s - viteza maxima a automobilului;

- randamentul transmisiei.

Punand conditia ca puterea la viteza maxima sa corespunda punctului de turatie maxima, se obtine puterea maxima a motorului:

(1.23)

unde , se adopta

Coeficientii au urmatoarele valori :

(1.24)

Aceasta putere va trebui sa fie cel mult egala cu puterea efectiva a motorului cu care se echipeaza autoturismul.

Dar

(1.25)

cu p_e=0,650,9 Mpa= 6,59 daN/cm² - presiunea medie efectiva a motorului

Se adopta

p_e=7,76 daN/cm²

V_s [dm³]- cilindreea unitara a motorului;

i=6 - numarul de cilindrii ai motorului (adoptat)

n=6000rot/min - turatia maxima a motorului (adoptat);

=4 pentru motorul in 4 timpi.

Din relatia (1.24) rezulta: