Rozpatrując warunki równowagi sił działających na koło napędzane (wzór 6.9) wprowadziliśmy pojęcie siły na­pędowej FN równej ilorazowi momentu obrotowego na kole Mk i promienia dynamicznego koła rd Siła napędowa działająca na samochód jest sumą sił napędowych działających na koła napędzane tego samochodu. Pomijając drobne niedo­kładności, można przyjąć, że promienie dynamiczne wszystkich kół napędza­nych samochodu są jednakowe. Siła napędowa działająca na samochód jest równa ilorazowi sumy momentów działających na poszczególne koła napę­dzane i promienia dynamicznego. Na przykład jeżeli samochód ma dwa koła napędzane, to gdzie: — moment obrotowy na kole lewym, MkP — moment obrotowy na kole prawym. Aby określić siłę napędową działającą na samochód, musimy naj­pierw określić inną wielkość, a mianowicie moment obrotowy na kolach. Źródłem energii mechanicznej w samochodzie jest silnik, przy czym w ogromnej większości samochodów jest to spalinowy silnik tłokowy. Silnik taki pracuje w samochodzie przy różnych stanach obciążenia i ze zmienną prędkością obrotową. Dla scharakteryzowania pracy silnika na pod­stawie pomiarów na specjalnych stanowiskach badawczych sporządza się wykresy — tzw. charakterystyki — przedstawiające przebieg zmian pod­stawowych parametrów pracy silnika w funkcji prędkości obrotowej jego wału. Do parametrów tych zalicza się przede wszystkim moc N, moment, obrotowy M i jednostkowe zużycie paliwa ge. Na rys. 6.13 przedstawiono przykładowo tzw. charakterystyką zewnętrzną silnika, to znaczy taką, którą sporządzono przy maksymalnym otwarciu przepustnicy gaźnika. Krzywe przedstawione na tym wykresie określają więc graniczne wartości parametrów pracy silnika w wa­runkach, gdy do cylindrów jest doprowadzona największa ilość paliwa. W praktyce ilość dopro­wadzanego paliwa jest regulowa­na w bardzo szerokich granicach. Dlatego, aby uzyskać obraz pracy silnika przy różnych kątach ot­warcia przepustnicy (lub w przy­padku silników z zapłonem samo­czynnym — przy różnych poło­żeniach zębatki sterującej pompą wtryskową), wykonuje się tzw. charakterystyki mocy dławionej (rys. 6.14), to znaczy wykresy parametrów charakteryzujących pracę sil­nika przy mniejszej ilości doprowadzanego paliwa. Znając przebieg wykresów mocy i momentu silnika możemy okre­ślić zakres prędkości obrotowej ns, przy której praca silnika jest najkorzyst­niejsza. Jest to zakres zawarty między prędkością obrotową odpowiadającą maksimum krzywej momentu (tzw. prędkość obrotowa największego mo­mentu nM) oraz prędkością obrotową odpowiadającą maksimum krzywej mocy (tzw. prędkość obrotowa największej mocy ?iN). Załóżmy, że w pewnych warunkach ruchu samochodu silnik pra­cuje z prędkością obrotową nx (rys. 6.15), której odpowiada wartość momentu M na charakterystyce mocy dławionej. Jeżeli pojazd porusza się wówczas ruchem jednostajnym, to znaczy, że wywołana tym momentem siła napędo­wa na kołach jest równa sumie sił oporów ruchu, lub inaczej mówiąc, moment obrotowy na kołach jest równy momentowi oporów ruchu. Wzrost oporów ruchu spowodowany jakimkolwiek czynnikiem sprawia, że dla przywrócenia równowagi bez zmiany prędkości obrotowej należy zwiększyć moment obro­towy na kołach, a więc przejść na wyżej położoną charakterystykę momentu silnika (zwiększyć dawki paliwa). Jest to możliwe, dopóki moment oporów ruchu nie wzrośnie na tyle, że przy danej prędkości obrotowej nx silnik zacznie pracować na charakterystyce zewnętrznej — punkt Afx na wykresie. Dalszy wzrost oporów nie może być już kompensowany przez zwiększenie dawki paliwa, lecz powoduje spadek prędkości obrotowej silnika. Dopóki jednak prędkość obrotowa silnika jest większa od prędkości maksymalnego mome­ntu nM, istnieje tendencja do samoczynnego dostosowywania się prędkości obrotowej silnika do istniejących oporów. Wynika to stąd, że wraz ze zmniej­szeniem się prędkości obrotowej rośnie moment obrotowy silnika, aż osią­gnie taką wartość (np. M2 przy prędkości obrotowej »2), że zostanie przy­wrócony stan równowagi. Tendencja do samoczynnngo dostosowywania się prędkości obro­towej silnika do aktualnego obciążenia jest bardzo istotną cechą silników. Zjawisko to występuje oczywiście tylko w zakresie prędkości obrotowych silnika ns większych od prędkości maksymalnego momentu nM. Spadek prędkości obrotowej silnika poniżej nM powodowałby bowiem również spa­dek wartości momentu silnika, a więc różnica między momentem oporów i momentem silnika nie zmniejszyłaby się, lecz powiększyła. Jak widać, kształt krzywej momentu oraz zakres prędkości obro­towych silnika zawartych między nM i nN mają duże znaczenie dla pracy sil­nika, ponieważ rzutują na jego zdolność do samoczynnego dostosowywania się do chwilowego obciążenia. Zjawisko takie występuje tym wyraźniej, im większe jest pochylenie krzywej momentu, to znaczy im większa jest róż­nica między momentem maksymalnym Mmax i momentem odpowiadają­cym prędkości obrotowej maksymalnej mocy MN. O silnikach, które charak­teryzują się znaczną rozpiętością momentu obrotowego i znaczną rozpię­tością prędkości obrotowej mówimy, że są elastyczne, tzn. łatwo dostoso­wują się do istniejących oporów. Rozpiętość momentu obrotowego oznacza się symbolem eM eM = ,, (6.23) Rozpiętość prędkości obrotowej e„ określona jest wzorem mat en = — (6.24) Miarą elastyczności silnika jest współczynnik elastyczności E, bę­dący iloczynem wymienionych wyżej współczynników rozpiętości E = eM-en (6.25) Współczynnik elastyczności dla silników czterosuwowych wynosi orientacyjnie: dla silników z zapłonem iskrowym E = 2,4; dla silników z zapłonem samoczynnym E = 1,8. Biorąc pod uwagę wartości, jakie może osiągnąć prędkość obro­towa silnika, oraz odpowiadający im zakres momentu silnika łatwo stwierdzić, że wartości te nie odpowiadają zakresowi prędkości obrotowej kół samo­chodu ani zakresowi momentu potrzebnego do pokonania sił oporów ruchu. Dlatego układ napędowy samochodu (układ zespołów służących do prze­niesienia napędu od silnika do kół) wyposażony jest w przekładnie, umoż­liwiające dostosowanie zakresu prędkości i momentu silnika do wartości wymaganych na kołach. Na rys. 6.16 przedstawiony jest schematycznie układ napędowy samochodu w najczęściej spotykanej postaci. Przekładnie znajdują się tu w skrzynce biegów i w moście napędowym. W skrzynce biegów znajduje się zwykle kilka przekładni o różnych przełożeniach. Kolejne przełączanie tych przekładni (biegów) znacznie rozszerza zakresy prędkości obrotowej i momentu, przenoszonych przez układ napędowy. W moście napędowym znajduje się najczęściej jedna przekładnia zwalniająca — dostosowująca wartości przenoszonych momentów i pręd­kości obrotowych do zakresów potrzebnych na kołach (jest to tzw. przekład­nia główna) oraz mechanizm różnicowy, umożliwiający, jeśli zajdzie tego potrzeba, niejednakowy rozdział prędkości obrotowych na lewe i prawe koło. Jeżeli przełożenie przekładni w skrzynce biegów oznaczymy o-gólnie przez i*, a przełożenie przekładni głównej przez ig, wówczas całkowite przełożenie układu napadowego ic wyniesie ie = ib-ig (6.26) Przełożenie ib przyjmuje kilka różnych wartości iIf im im odpowiadających poszczególnym biegom. I tak np. dla biegu pierwszego przełożenie całkowite icl wynosi hi = h'h dla biegu drugiego ha = *n ' h itd- Prędkość obrotowa kół nk=-^ = ^ (6.27) i. a moment obrotowy przenoszony na kola (nie uwzględniając oporów we­wnętrznych mechanizmów) Mk = Ms • ib -ig = Ms- ic (6.28) Przez moment na kołach Mk rozumie się tutaj sumę momentów działających na obydwa koła — lewe i prawe. Jeżeli rozdział momentu jest równomierny, wówczas na każde z kół działa połowa momentu Mk. Nie­kiedy rozdział momentu pomiędzy poszczególne koła jest nierównomierny, jednak sumaryczny moment działający na obydwa koła jest stały. Ponie­waż rozpatrując opory ruchu przyjęto określać je w odniesieniu do całego pojazdu, dlatego w dalszym ciągu zajmować się będziemy momentem na kołach w sensie sumarycznym, a więc całkowitym momentem Mk przeno­szonym przez wszystkie napędzane koła samochodu. Określona wzorem 6.28 wartość momentu Mk na kołach samo­chodu nie jest dokładna. W rzeczywistym układzie napędowym część mocy silnika zostaje wykorzystana na pokonanie wewnętrznych oporów mecha­nizmów (tarcie w poszczególnych zespołach, przepompowywanie oleju itp.). Spowodowane tym straty energii mechanicznej uwzględnia się wpro­wadzając współczynnik vm, zwany sprawnością mechaniczną układu napado­wego, określany jako iloraz rzeczywistej wartości momentu *) przeniesionego ) Moc przenoszoną przez mechanizmy napędowe można wyrazić jako iloczyn przenoszonego momentu obrotowego i prędkości obrotowej. Ponieważ w przekładniach zębatych nie mogą mieć miejsca straty prędkości obrotowej, więc sprawność wyraża się ilorazem momentów. na koła i wartości momentu, jaką przeniósłby układ idealny — pracujący bez strat Sprawność mechaniczna i przeciętnie wynosi: w samochodach osobowych w samochodach ciężarowych i autobusach jest więc zawsze mniejsza od jedności na biegu bezpośrednim ~ 0,92 na biegach niższych ~ 0,88 na biegu bezpośrednim ~ 0,90 na biegach niższych ~ 0,85 Uwzględniając sprawność mechaniczną można więc ostatecznie przedstawić moment na kołach jako Mk - MkL + MkP = Ms • ic • riM (6.30) Podstawiając tę zależność do wzoru 6.22 larwo wyznaczyć wartość siły napędowej FN działającej na koła samochodu Ms • ic • tm (6.31) Ponieważ prędkość samochodu v określona jest wzorem v = 2nrt nk = 27tr. • — (6.32) więc znając zewnętrzną charakterystyrkę momentu obrotowego silnika (rys. 6.13) Ms =/(«,), posługując się wzorami 6.31 i 6.32, można wyznaczyć dla każdego biegu wykresy FN =/(z>) — największej siły napędowej na kołach samochodu w funkcji prędkości jego ruchu. Wykresy takie można sporządzać zaznaczając na charakterystyce momentu obrotowego silnika szereg punktów i przeliczając ich współrzędne Ms i ns na nowe współrzędne FNiv. Przeliczenia trzeba wy- konywać osobno dla każdego biegu, przy czym przyjmuje się zwykle upraszczające zało­żenie, że rt = rd = r. Na rys. 6.17 przed­stawiono przykładowo taki wykres wykonany dla samo­chodu z trzystopniową skrzyn­ką biegów. Dotychczas oma­wiano zależność największej wartości siły napędowej dzia­łającej na obwodzie kół od charakterystyki momentu obrotowego silnika, całkowitego przełożenia mecha­nizmów napędowych, promienia kół napędzanych i sprawności mechanicznej. Siła ta zawsze jednak może osiągnąć wartość odpowiadającą maksymalnemu momentowi silnika. Decyduje o tym przyczepność kół napędzanych. Przyczepnością koła nazywa się zdolność połączenia ciernego koło—jezdnia do przenoszenia sił stycznych. Zjawisko przyczepności jest analogiczne do zjawiska tarcia, z tym, że jest ono bardziej skomplikowane z uwagi na specyficzne cechy złożonego stanu naprężeń i odkształceń panu­jących na powierzchni styku opony z jezdnią. Analogicznie jak w przypadku zjawiska tarcia wprowadza się tu pojęcia siły przyczepności T i współczynnika przyczepności y., przy czym Tak więc siła przyczepności jest proporcjonalna do nacisku (re­akcji normalnej Z) i współczynnika przyczepności. Wzór 6.33 ma zastosowanie również dla całej osi napędzanej bez względu na to, ile ma ona kół pod wa­runkiem, że reakcję normalną działającą na jedno koło zastąpi się całkowitym naciskiem na oś. Siła przyczepności ogranicza maksymalną wartość siły napędowej, jaką może przynieść połączenie koło—jezdnia. Warunek zachowania przy­czepności, ma więc postać W tablicy 6.2 podano wartości współczynnika przyczepności (i dla różnych rodzajów nawierzchni. Ćwiczenie 6.4. Wykonanie wykresu siły napędowej na obwodzie kół w funkcji prędkości jazdy. Na podstawie wykresu momentu obrotowego dowolnie wybranego silnika wykonać wykresy siły napędowej na poszczególnych biegach. Do obliczeń przyjąć wartości przełożeń oraz promienia koła wg danych charakterystyki technicznej samochodu, w którym zastosowany jest wybrany silnik. Sprawność mechaniczną przyjąć orien­tacyjnie wg danych zawartych w tekście rozdziału. Na wykres nanieść poziomymi liniami wartości siły T obliczone dla różnych współczynników przyczepności u. (tabl. 6.2.) Nacisk na oś napędzaną przyjąć wg danych charakterystyki technicznej (dla samochodu obciążonego). Podać, na jakich rodzajach nawierzchni wystąpi poślizg kół.