Stefan TABACU Ion TABACU Tiberiu MACARIE Elena NEAGU D INAMICA A UTOVEHICULELOR Îndrumar de proiectare Editura Universit ăţ ii din Pite ş ti 2004 Lucrarea a primit acceptul de publicare al Catedrei Automobile din cadrul Facult ăţ ii de Mecanic ă ş i Tehnologie cu ocazia ş edin ţ ei desf ăş urate în data de 21.04.2004 CUVÂNT ÎNAINTE Industria constructoare de autovehicule constitue unul dintre reperele reprezentative ale economiilor tuturor ţă rilor dezvoltate. Pentru a produce mijloace de transport auto cu performante remarcabile, care s ă satisfac ă exigentele competi ţ iei mondiale, definirea categoriilor de performan ţă ş i a valorilor de performan ţă , sunt impuse de destina ţ ia autovehiculului ş i de interesele comune ale industriei de automobile, fundamentate pe dorin ţ ele utilizatorului. Mediul concuren ţ ial, cerin ţ ele legislative ş i de protec ţ ie a mediului, gusturile clien ţ ilor, au impus scurtarea în ultimii 20 de ani a timpului alocat pentru dezvoltarea unui nou model de automobil de la circa 70 de luni la circa 30 luni. Pentru a se atinge asemenea performan ţ e, pe lâng ă suportul oferit de dotarea cu echipamente ş i aplica ţ ii software, este evident ă ş i o repozi ţ ionare a personalului angajat în conceperea unui nou model, ţ inând cont de mijloacele avute la dispozi ţ ie. Facilit ăţ ile oferite de produsele informatice permit definirea unui num ă r mare de variante constructive, pentru a se putea alege în final varianta optim ă . În acest context trebuie sublinat faptul c ă utilizatorul trebuie s ă posede, în afara cuno ş tintelor specifice utiliz ă rii produselor hardare ş i software, cuno ş tin ţ e din domeniul dinamicii autovehiculului. Inscriindu-se în acest context, lucrarea INDRUMAR DE PROIECTARE – DINAMICA AUTOVEHICULEOR RUTIERE , este menit ă s ă deschida aria de cunoa ş tere a unor probleme care se înscriu in sfera de preocupari a inginerului din domeniul autovehiculelor rutiere. In concep ţ ia autorilor prezentului indrumar, utilitatea, gradul de în ţ elegere ş i accesibilitate al unei teme supuse rezolv ă rii cresc sim ţ itor dac ă se recurge la analize comparative ş i aplica ţ ii numerice, capabile s ă familiarizeze studen ţ ii cu folosirea referin ţ lor la autovehicule similare, cu folosirea unor nomograme, caracteristici, constante. Modelele de studiu ş i rela ţ iile matematice stabilite stau la baza calculelor de proiectare a autovehiculelor, a metodologiilor de încercare ale acestora, precum ş i a organiz ă rii ra ţ ionale a utiliz ă rii acestora. Rela ţ iile de calcul sunt prezentate algoritmic, ceea ce u ş ureaz ă transcrierea lor direct în programe pentru calculatoare electronice. Lucrarea este destinat ă , în primul rând, studen ţ ilor ş i absolven ţ ilor de la specializ ă rilei Autovehicule Rutiere ş i Automobile, precum ş i speciali ş tilor forma ţ i care lucreaz ă în domeniul construc ţ iei ş i utiliz ă rii autovehiculelor. Indrumarul a fost redactat dupa cum urmeaz ă : - sef lucr. dr.ing. Ş tefan TABACU: capitolele 3, 5, 6, 10 ş i paragraful 1.1; - prof.univ.dr. ing. Ion TABACU: capitolele 4, 7, 8 ş i paragraful 1.3.1; - prof.univ.dr. Tiberiu-Nicolae MACARIE: capitolul 9; - conf.univ.dr. ing. Elena NEAGU: capitolele 1 (f ă r ă paragrafele 1.1 ş i 1.3.1) ş i 2. Ne face pl ă cere s ă preciz ă m c ă în redactarea lucr ă rii s-au utilizat rezultatele unor cercet ă ri teoretice ş i experimentale ale membrilor Catedrei de Automobile a Universit ăţ ii din Pite ş ti, rezultate ob ţ inute în activitatea de cercetare ş tiin ţ ific ă ş i f ă cute publice în cadrul a numeroase manifest ă ri ş tiin ţ ifice na ţ ionale sau interna ţ ionale. Autorii exprim ă mul ţ umiri tuturor celor care au acordat ajutor în realizarea lucr ă rii în forma actual ă Autorii CUPRINSUL Cuvânt înainte Repere biografice 1. STUDIUL SOLU Ţ IILOR SIMILARE Ş I AL TENDIN Ţ ELOR DE DEZVOLTAR ................................................................................. 3 1.1. Studiul solu ţ ii similare ............................................................... 3 1.2. Tendin ţ e de dezvoltare ............................................................. 11 1.2.1. Tendin ţ e de dezvoltare a autoturismelor............................... 11 1.2.2. Tendin ţ e de dezvoltare a autobuzelor.................................. 15 1.2.3. Tendin ţ e de dezvoltare a autocamioanelor............................ 16 1.3 Organizarea transmisiei autovehiculelor........................................ 18 1.3.1. Organizarea general ă a autoturismelorr............................... 18 1.3.2. Organizarea transmisiei autobuzelor.................................... 23 1.3.3. Organizarea transmisiei autocamioanelor.............................. 23 1.4. Amenajarea interioar ă a autovehiculelor....................................... 24 2. PARAMETRII CONSTRUCTIVI AI AUTOVEHICULELOR ...................... 26 2.1. Solu ţ ia de organizare general ă , organizarea transmisiei, a sistemelo r ş i amenajarea interioar ă ............................................................ 26 2.2. Dimensiuni principale ş i ale capacit ăţ ii de trecere............................ 26 2.3. Masa autovehiculului................................................................ 27 2.3.1. Masa util ă ....................................................................... 27 2.3.2. Masa proprie................................................................... 29 2.4. Centrul de mas ă ş i coordonatele centrului de greutate...................... 31 2.5. Alegerea pneurilor..................................................................... 33 3. DEFINIREA CONDI Ţ IILOR DE AUTOPROPULSARE............................ 38 3.1. Rezisten ţ a la rulare................................................................... 39 3.1.1. Generarea rezisten ţ ei la rulare............................................ 39 3.1.2. Factori de influen ţă asupra rezisten ţ ei la rulare....................... 40 3.1.3. Calculul rezisten ţ ei la rulare................................................ 40 3.2. Rezisten ţ a aerului..................................................................... 45 3.2.1. No ţ iuni de aerodinamica autovehiculului............................... 45 3.2.2. Influen ţ a formei autovehiculului asupra aerodinamicii sale........ 46 3.2.3. Calculul rezisten ţ ei aerului................................................. 49 3.3. Rezisten ţ a la pant ă ................................................................... 49 3.4. Rezisten ţ a la demarare.............................................................. 50 3.5. Exemplu de calcul.................................................................... 52 3.6. Ecua ţ ia general ă de mi ş care rectilinie a automobilului..................... 56 4. REAC ğ IUNILE NORMALE ALE C Ă II DE RULARE ASUPRA RO ğ ILOR AUTOVEHICULELOR...................................................................... 59 4.1. Rela ţ ii de calcul........................................................................ 59 4.2. Calculul reac ţ iunilor normale în regimul demar ă rii la limita de aderen ţă ................................................................................. 60 4.2.1. Autovehicule cu o singur ă punte motoare (4x2)...................... 60 4.2.2. Autovehicule cu ambele pun ţ i motoare (4x4)......................... 62 Cuprinsul 8 4.2.3. Calculul reac ţ iunilor normale în regimul frân ă rii...................... 63 5 CALCUL DE TRAC Ţ IUNE................................................................ 64 5.1. Alegerea randamentului transmisiei............................................. 64 5.2. Motoare pentru automobile......................................................... 65 5.2.1. Motorul – sursa de energie pentru autopropulsare.................. 65 5.2.2. Evaluarea analitic ă a caracteristicii exterioare........................ 66 5.2.3. Calcul caracteristicii exterioare necesare.............................. 71 5.3. Determinarea m ă rimii rapoartelor de transmitere ale transmisiei......... 73 5.3.1. Determinarea valorii maxime a raportului de transmitere al transmisiei..................................................................... 74 5.3.2. Limitarea de c ă tre aderen ţ ă a valorii maxime a raportului de transmitere..................................................................... 76 5.3.3. Determinarea valorii minime a raportului de transmitere al transmisiei...................................................................... 80 5.3.4. Determinarea num ă rului de trepte pentru cutia de viteze ş i a m ă rimii rapoartelor de transmitere ale transmisiei................... 80 5.3.5. Determinarea rapoartelor de transmitere ale transmisiei necesare realiz ă rii performan ţ elor de viteze în zone de tura ţ ie ale motorului caracterizate de func ţ ionare economicoas ă ......... 81 5.4. Exemplu de calcul ................................................................... 82 6 STUDIUL Ş I DETERMINAREA PERFORMAN Ţ ELOR DINAMICE DE TRECERE Ş I DEMARARE ALE AUTOVEHICULELOR.......................... 87 6.1. Performan ţ ele dinamice 87 6.1.1. Caracteristica de trac ţ iune 87 6.1.2. Caracteristica puterilor 90 6.1.3. Caracteristica dinamic ă 93 6.1.4. Influen ţ a valorilor raportelor de transmitere asupra performan ţ elor dinamice ale autoturismelor. 98 6.2. Performan ţ ele de demarare 101 6.2.1. Accelera ţ ia automobilului. Caracteristica ac 101 6.2.2. Caracteristicile de demarare 102 6.2.3. Aprecierea capacit ăţ ii de demarare a autovehiculelor 107 6.3. Exemplu de calcul 108 6.3.1. Caracteristica factorului dinamic 108 6.3.2. Limitarea de c ă tre aderen ţă a factorului dinamic 109 6.3.3. Determinarea parametrilor capacit ă ţ ii de demarare ai autovehiculului. 110 7 PERFORMAN Ţ ELE DE FRANARE ALE AUTOVEHICULELOR 115 7.1. Parametrii capacit ă tii de frânare. 116 7.1.1. Parametrii capacit ă tii de frânare. 116 7.1.2. Determinarea spa ţ iului de frânare 117 7.1.3. Determinarea timpului de frânare 117 7.2. Repartizarea for ţ elor de frânare între pun ţ ile autovehiculului. 118 7.3. Valorificarea rezultatelor 119 7.4. Exemplu de calcul 122 8 PERFORMAN Ţ ELE CONSUMULUI DE COMBUSTIBIL 124 8.1. Determinarea consumului de combustibil pentru autovehiculul ce urmeaz ă a fi echipat cu un motor la care sunt cunoscute caracteristicile consumului de combustibil 126 Cuprinsul 9 8.2. Determinarea consumului de combustibil pentru autovehiculul ce urmeaz ă a fi echipat cu un motor la care nu sunt cunoscute caracteristicile consumului de combustibil. 131 8.2.1. Determinarea lucrului mecanic necesar parcurgerii ciclului ECE 133 8.2.2. Determinarea lucrului mecanic necesar deplas ă rii cu viteze constante 135 8.3. Exemplu de calcul 136 9 STABILITATEA Ş I MANIABILITATEA AUTOVEHICULULUI 138 9.1. Stabilitatea autovehiculului 138 9.1.1. Stabilitatea longitudinal ă a autovehiculului 139 9.1.2. Stabilitatea transversal ă la mersul în viraj 141 9.1.3. Stabilitatea la frânarea pe drum orizontal la mesul rectiliniu 145 9.2 Maniabilitatea autovehiculelor 148 9.2.1. Maniabilitatea în viraj 148 10 PROBLEME 152 ANEXE 156 BIBLIOGRAFIE ............................................................................... 200 1 STUDIUL SOLU Ţ IILOR SIMILARE Ş I AL TENDIN Ţ ELOR DE DEZVOLTARE 1.1. Studiul solu ţ ii similare Pentru abordarea proiect ă rii unui nou tip de autovehicul, ţ inând seama de datele impuse prin tem ă , care precizeaz ă anumite particularit ăţ i legate de destina ţ ia ş i performan ţ ele acestuia, este nevoie, într-o prim ă etap ă , s ă se caute solu ţ ii constructive, deja existente, având caracteristici asem ă n ă toare cu cele ale autovehiculului cerut. Literatura de specialitate cuprinde, pentru fiecare categorie de autovehicule, informa ţ ii legate de organizarea general ă , de modul de dispunere a echipamentului de trac ţ iune, de parametrii constructivi si de capacitatea de înc ă rcare, de organizarea transmisiei, tipul sistemelor de direc ţ ie, frânare, suspensie, etc. Analizând toate aceste informa ţ ii ş i având în vedere tendin ţ ele de dezvoltare pentru fiecare categorie de autovehicul, se pot stabili printr-o metod ă de studiu comparativ ă , ca punct de plecare de la datele ini ţ iale din tema de proiectare, caracteristici constructive ş i de utilizare necesare calculului de predimensionare, cum ar fi: organizarea general ă , amenajarea interioar ă , dimensiunile geometrice, greutatea autovehiculului ş i repartizarea sa pe pun ţ i, alegerea pneurilor, etc. Pentru exemplificare, în tabelul 1.1. se prezint ă , pentru segmentul autoturismelor cu 5 locuri si vitez ă maxim ă V max =185 km/h, principalii parametrii constructivi ş i ai performan ţ elor pentru un num ă r de 15 autoturisme. În privin ţ a dimensiunilor principale, în figurile 1.1....1.5 se prezint ă , pentru fiecare dimensiune, denumit ă criteriu de analiz ă , analize comparative. Pentru fiecare criteriu s-a determinat câte o valoare medie care, va fi folosit ă ca referin ţă pentru reprezentarea autovehiculului ce urmeaz ă a fi proiectat. De re ţ inut c ă în vederea omogeniz ă rii segmentului autoturismelor de referin ţă în analiza comparativ ă efectuat ă se exclud, dupa caz, modelele care dep ăş esc in mod valoare medie a criteriului, dup ă care se reface valoarea medie a criteriului. M ă rimea ampatamentului (fig.1.1) este orientat ă spre valoarea aleas ă ca medie cu mici abateri de la aceasta pentru fiecare model în parte (Valoarea medie: 2572 mm). Lungimea (fig.1.2) se prezint ă de asemenea ca o dimenisiune compact ă datorat ă asem ă n ă rii solu ţ iilor de organizare (Valoarea medie: 4351 mm). L ăţ imea (fig.1.3.) (Valoarea medie: 1718 mm). D INAMICA A UTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare 4 În ă l ţ imea (figura 1.4) acestor autovehicule este apropiat ă ca valoare pentru toate modele men ţ ionate datorit ă clasei din care fac parte. (Valoarea medie: 1409 mm). Ecartamentul (fig.1.5.) (Valoarea medie: 1459 mm). În continuare, pe baza datelor din tabelul 1.1, în figurile 1.6....1.10, s-a extins studiul de analiz ă comparativ ă pentru o serie de criterii definite cu ajutorul performan ţ elor energetice ale motoarelor, a performan ţ ei dinamice de vitez ă maxim ă ş i ale performan ţ elor consumului de combustibil. În figura 1.6. este prezentat ca m ă rime de interes raportul a max m P dintre puterea maxim ă dezvoltat ă de motorul autovehiculului, (P max ) ş i masa autovehiculului, (m a ). Acest parmetru are semnifica ţ ia unui indice de „motorizare”. Valoarea medie a acestui parametru este de 0,0467 [kW/kg], îmbun ă t ăţ irea performan ţ ei de motorizare facându-se la cre ş terea valorii acestui parametru. Figura 1.7. prezint ă ca indice de performan ţă raportul dintre consumul mediu de combustibil, ( ) ş i puterea maxim ă a motorului, (P l 100 Q max ), raport notat max l 100 P Q Acest parametru, care reflect ă cantitatea de combustibil, exprimat ă în litri, consumat ă pentru producerea unei puteri unitare pe un spa ţ iu de 100 km scoate în eviden ţă performan ţ ele motoarelor utilizate. Fa ţă de valoarea medie a autoturismelor din e ş antionul analizat, de 0,1032 litri combustibil pentru producerea unei puteri de 1 kW în timpul parcurgerii unui spa ţ iu de 100 km, cre ş terea performan ţ ei se exprim ă prin reducerea valorii. O alt ă m ă rime folosit ă este prezentat ă în figura 1.8. Raportul a max m V , dintre viteza maxim ă pe care o atinge autovehiculul, (V max ), ş i masa autovehiculului, (m a ), d ă indicii asupra performan ţ elor dinamice de vitez ă maxim ă ale autoturismelor similare, ar ă tând cu ce vitez ă este propulsat fiecare kilogram din masa autoturismului. Fa ţă de valoarea medie a acestui parametru pentru autoturismele din e ş antionul analizat, de 0,1122, cre ş terea performan ţ ei se exprim ă prin cre ş terea valorii parametrului. Un alt parametru de interes, reprezentat în figura 1.9, este raportul dintre consmul mediu de combustibil [litri/100km] ş i masa autovehiculului, m l 100 Q a [kg]. Acest parametru, cu semnifica ţ ia unui indice de performan ţă al construc ţ iei automobilului evalueaz ă economicitatea func ţ ionarii autovehiculului. Valoarea medie a acestui parametru, corespunz ă toare e ş antionului analizat, este de 0,0048 litri combustibil pentru deplasarea pe un spa ţ iu de 100 km a fiec ă rui kilogram din masa autovehiculului. Sporirea performan ţ ei consumului de combustibil pentru transportul masei se ob ţ ine prin reducerea m ă rimii acestui parametru. In figura 1.10. se prezint ă un parametru de analiz ă comparativ ă ce exprim ă influen ţ a nivelului de motorizare asupra performan ţ ei dinamice de vitez ă maxim ă (V max /P max ). Parametrul reprezint ă un criteriu de perfec ţ iune al construc ţ iei de autovehicule prin exprimarea vitezei imprimate de fiecare unitate de putere dezvoltat ă de motor. Fa ţă de valoarea medie a acestui parametru pentru autoturismele din e ş antionul analizat, de 2,4052 cre ş terea performan ţ ei se exprim ă prin cre ş terea valorii parametrului. Studiul solu ţ iilor similare ş i al tendin ţ elor de dezvoltare 5 Tabelul 1.1. Solu ţ iile similare Marca si modelul Cinilndree [cm 3 ] Putere kW la rot/min Moment motor Nm la rot/min Dimensiunea anvelopelor Ampatament [mm] Ecartament fata [mm] Ecartament spate [mm] Lungime [mm] Latime [mm] Inaltime [mm] Masa proprie [kg] Masa total ă [kg] Accelera ţ ie 0-100 km/h [s] Viteza maxim ă [km/h] Consum mediu L/100 Km A1 1596 76/6000 134/4500 185/60 R 14 H 2540 1472 1441 4093 1712 1472 1147 1670 11,0 185 8.1 A2 1984 85/5400 168/3200 195/65R 15 V 2687 1520 1524 4797 1783 1430 1355 1905 11,9 182 9.3 A3 1998 77/5000 169/2800 185/65 R 14 H 2620 1426 1423 4615 1718 1388 1108 1630 10,8 185 7.9 A4 1581 76/5750 144/4000 185/60 R 14 H 2540 1439 1441 4020 1750 1420 1050 1615 11,3 184 7.4 A5 1756 74/6000 140/2750 175/65 R 14 T 2540 1435 1415 4354 1695 1445 1168 1690 12,5 188 8.8 A6 1995 85/5600 162/4000 195/60 R 15 H 2660 1496 1488 4520 1760 1435 1218 1750 10,5 190 8.9 A7 1991 86/5500 168/3500 195/65 R 14 H 2610 1519 1519 4544 1773 1310 1188 1710 n.a. 190 8.9 A8 1796 77/5500 153/4000 175/70 R 13 H 2525 1440 1455 4293 1700 1394 1110 1625 10,9 187 7.9 A9 1756 74/6000 142/2500 185/60 R 14 H 2540 1436 1415 4343 1700 1430 1218 1735 12,5 185 7.9 A10 1840 84/6000 157/4000 185/65 R 14 H 2505 1460 1460 4035 1710 1405 1110 1625 9,7 188 8 A11 1598 74/6200 148/3500 195/55 R 15 H 2517 1424 1423 4051 1696 1397 1065 1550 11,5 190 6.9 A12 1598 74/6200 150/3200 185/70 R 14 H 2640 1484 1470 4477 1707 1428 1200 1730 12,5 188 6.7 A13 1762 74/6000 153/3000 185/60 R 14 H 2580 1454 1429 4232 1689 1386 1100 1625 12,2 185 8 A14 1762 79/5600 150/2600 185/65 R 14 H 2580 1465 1445 4530 1695 1410 1125 1600 11,2 190 6.5 A15 1721 75/5600 142/3900 185/65 R 14 T 2503 1416 1426 4354 1686 1387 1055 1580 12,2 185 9.3 D INAMICA A UTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare 6 Ampatament [mm] 2540 2687 2620 2540 2540 2660 2610 2525 2540 2505 2517 2640 2580 2580 2503 2572 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [mm] Fig.1.1. Ampatamentul automobilelor Lungime [mm] 4093 4797 4615 4020 4354 4520 4544 4293 4343 4035 4051 4477 4232 4530 4354 4351 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [mm] Fig.1.2. Lungimea automobilelor Studiul solu ţ iilor similare ş i al tendin ţ elor de dezvoltare 7 Latime [mm] 1712 1783 1718 1750 1695 1760 1773 1700 1700 1710 1696 1707 1689 1695 1686 1718 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [mm] Fig.1.3. L ăţ imea automobilelor Inaltime [mm] 1472 1430 1388 1420 1445 1435 1310 1394 1430 1405 1397 1428 1386 1410 1387 1409 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [mm] Fig.1.4. In ă l ţ imea automobilelor D INAMICA A UTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare 8 Ecartament [mm] 1472 1520 1426 1439 1435 1496 1519 1440 1436 1460 1424 1484 1454 1465 1416 1459 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [mm] Fig.1.5. Ecartamentul automobielelor Pmax/ma [kW/kg] 0.0454 0.0444 0.0474 0.0469 0.0439 0.0483 0.0503 0.0475 0.0428 0.0516 0.0474 0.0425 0.0457 0.0492 0.0475 0.0467 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [kW/kg] Fig. 1.6. Raportul dintre puterea maxim ă ş i masa automobilului Studiul solu ţ iilor similare ş i al tendin ţ elor de dezvoltare 9 Q_100/Pmax [l/kW] 0.1070 0.1100 0.1023 0.0977 0.1185 0.1053 0.1035 0.1023 0.1064 0.0954 0.0938 0.0911 0.1077 0.0826 0.1240 0.1032 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [l/kW] Fig.1.7. Raportul dintre consumul meiu de combustibil ş i puterea maxim ă a motorului Vmax/ma [km/h/kg] 0.1108 0.0955 0.1135 0.1139 0.1112 0.1086 0.1111 0.1151 0.1066 0.1157 0.1226 0.1087 0.1138 0.1188 0.1171 0.1122 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [km/h/kg] Fig.1.8. Raportul dintre viteza maxim ă ş i masa automobilului D INAMICA A UTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare 10 Q_100/ma [l/kg] 0.0049 0.0049 0.0048 0.0046 0.0052 0.0051 0.0052 0.0049 0.0046 0.0049 0.0045 0.0039 0.0049 0.0041 0.0059 0.0048 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [l/kg] Fig.1.9. Raportul dintre consumul mediu ş i masa automobilului v_max/Pmax [km/h/kW] 2.4427 2.1523 2.3962 2.4295 2.5315 2.2470 2.2085 2.4221 2.4911 2.2428 2.5840 2.5568 2.4911 2.4150 2.4667 2.4052 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 Valoarea medie [km/h/kW] Fig.1.10. Raportul dintre viteza maxim ă ş i puterea maxim ă a motorului Studiul solu ţ iilor similare ş i al tendin ţ elor de dezvoltare 11 1.2. Tendin ţ e de dezvoltare Pentru alegerea sau determinarea parametrilor ini ţ iali care intervin în calcul este necesar, pe lâng ă studiul solu ţ iilor constructive asem ă n ă toare, deja existente în lume, s ă se fac ă ş i o cercetare a tendin ţ elor de dezvoltare specifice categoriei de autovehicule studiate. Direc ţ iile de dezvoltare au în vedere s ă sublinieze orientarea general ă în ceea ce prive ş te modul de organizare a familiei de autovehicule studiate, modul de dispunere a motorului, organizarea ş i tipul transmisiei, construc ţ ia sistemelor ş i a instala ţ iilor auxiliare, amenajarea interioar ă , etc. 1.2.1. Tendin ţ e de dezvoltare a autoturismelor Autoturismele, definite ca fiind autovehicule destinate transportului de persoane, având o capacitate de cel mult opt locuri, au stat ş i stau în permanen ţă în aten ţ ia marelui public, datorit ă implic ă rii lor tot mai intense în via ţ a cotidian ă Construc ţ ia autoturismelor, a elementelor componente, se perfec ţ ioneaz ă permanent, urm ă rindu-se îmbun ă t ăţ irea performan ţ elor de dinamicitate sau frânare, a performan ţ elor de economicitate, de stabilitate ş i de confort, de securitate activ ă ş i pasiv ă , etc. Domeniile de ac ţ iune s-au extins asupra tuturor pãr ţ ilor componente ale autoturismului ş i se aplic ă cele mai noi ş i eficiente solu ţ ii de îmbunãtã ţ ire sau schimbare a acestora. Astfel, motoarele autoturismelor au beneficiat de o aten ţ ie deosebit ă , eforturile de sporire a performan ţ elor lor fiind îndreptate pe multe direc ţ ii: cre ş terea performantelor func ţ ionale ş i constructive prin gestionarea electronic ă a regimurilor de func ţ ionare, reducerea consumului de combustibil, m ă rirea puterii litrice, reducerea costurilor de fabrica ţ ie, reducerea emisiilor nocive din gazele de evacuare, realizarea de motoare cât mai fiabile, cât mai u ş oare ş i cât mai compacte. Se remarc ă tendin ţ ele de aplicare tot mai frecvent ă a injec ţ iei de benzin ă cu comand ă electronic ă , mono sau multipunct, în detrimentul motoarelor cu carburator, ca ş i dezvoltarea motoarelor cu aprindere prin comprimare, datorit ă consumului specific de combustibil mai redus, în compara ţ ie cu motoarele cu aprindere prin scânteie. Folosirea motorului Diesel pe autoturisme a devenit realist ă când tura ţ iile maxime ale acestuia au dep ăş it 4200 – 4400 rot/min, realizându-se exemplare ce dezvolt ă 5000 rot/min. Perfec ţ ionarea acestor motoare privind reducerea zgomotului, a polu ă rii, a pornirii u ş oare pe timp friguros, a f ă cut progrese remarcabile si le-a asigurat cre ş terea ponderii proprii în detrimentul motoarelor cu aprindere prin scânteie. O alta preocupare constant ă este aceea a cre ă rii unor familii de motoare, pornindu-se de la un monocilindru sau de la un motor de baz ă , de la care, în func ţ ie de necesitã ţ i, se realizeaz ă o serie de motoare cu puteri ş i capacit ăţ i diferite, având unele pãr ţ i componente identice, procedeul favorizând folosirea tipiz ă rii în tehnologia de fabrica ţ ie ş i exploatare a autoturismelor. Folosirea supraaliment ă rii prin diferite procedee este tot mai des întâlnitã la motoarele de autoturisme, aceasta asigurând cre ş terea puterii ş i momentului motor maxim, cu sc ă derea tura ţ iilor corespunz ă toare ş i a consumului de combustibil. Injec ţ ia de benzin ă este mult cercetat ă , perfec ţ ionat ă ş i aplicat ă la produc ţ ia de serie deoarece, completat ă cu comand ă ş i control electronic, este în m ă sur ă s ă asigure performan ţ e superioare în ceea ce prive ş te reducerea consumului de D INAMICA A UTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare 12 combustibil, reducerea emisiilor poluante ş i ridicarea gradului de securitate a conducerii autoturismului. Aprinderea cu comand ă electronic ă este o variant ă des întâlnit ă cu influen ţă benefic ă asupra consumului de combustibil, prin declan ş area avansului la aprindere dup ă legea optim ă Sistemele de injec ţ ie electronica Diesel ca ş i sistemele de injec ţ ie cu benzin ă evolueaz ă permanent, fiind tot mai r ă spândite, datorit ă controlului electronic al principalilor parametrii (presiune, debit, cantitatea de combustibil injectat, etc.) care conduce la cre ş terea performan ţ elor func ţ ionale ş i economice ale motoarelor respective. Reducerea dimensiunilor de gabarit ş i a consumului de metal constituie ş i in continuare o surs ă de cercetare permanent ă , ea fiind realizat ă prin for ţ area motoarelor, când se dezvolt ă puteri tot mai ridicate pe unitatea de cilindree si realizarea cilindreei unitare cu o mas ă cât mai mic ă Numeroase sunt ş i preocup ă rile legate de ameliorarea formei camerei de ardere, a tubulaturii de admisie ş i evacuare, a geometriei de dispunere ş i ac ţ ionare a supapelor, a num ă rului, m ă rimii ş i locului lor de amplasare, a func ţ ion ă rii cu dispozitive de alimentare stratificat ă cu combustibil, a înlocuiri materialelor metalice cu materiale ceramice, a realiz ă rii motoarelor adiabatice sau cu raport de comprimare variabil, etc. Ultimele realiz ă ri în domeniul aliment ă rii, aprinderii ş i arderii, care permit reglaje îmbun ă t ăţ ite de avans ş i dozaj, au condus la cre ş terea performan ţ elor motoarelor, la reducerea consumului de combustibil ş i a agen ţ ilor poluan ţ i. Se fac în prezent eforturi considerabile pentru limitarea emisiei de gaze nocive prin folosirea unor dispozitive de purificare a gazelor de evacuare sau a unor catalizatori – purificatori ai acestor gaze. Transmisia autoturismelor a constituit ş i constituie obiectul unor continue cercet ă ri urm ă rindu-se prin solu ţ iile constructive propuse, o cât mai bun ă corelare între momentul motor activ ş i cel rezistent, reducerea consumului de combustibil, sporirea siguran ţ ei ş i confortului de conducere. Se constat ă c ă pe lâng ă transmisiile mecanice clasice se folosesc ş i alte categorii de transmisii, cum sunt cele automate, cele cu varia ţ ie continu ă a raportului de transmitere, sau, mai nou, cele electrice. La transmisiile mecanice ale autoturismelor sunt tot mai r ă spândite cutiile de viteze cu cinci sau ş ase trepte de mers înainte, ultima treapt ă având, de obicei, raportul de transmitere subunitar, fiind „treapta economic ă ”. Aceasta, atunci când este cuplat ă , conduce la reducerea consumului de combustibil, prin mic ş orarea tura ţ iei motorului ş i aducerea acesteia în zona tura ţ iei economice. Apari ţ ia cutiilor de viteze cu ş ase trepte de mers înainte asigur ă autoturismelor performan ţ e de dinamicitate ş i economicitate tot mai ridicate. Cutiile de viteze secven ţ iale constituie apari ţ ii recente, care asigur ă optimiz ă ri ale procesului de cuplare a treptelor de viteze, ale construc ţ iei ş i func ţ ion ă rii acestora. Ele conduc la cre ş terea confortului de conducere ş i la îmbun ă t ăţ irea siguran ţ ei în deplasare. Transmisia automat ă face progrese mai lente, datorit ă costului ridicat al fabrica ţ iei ş i al consumului de combustibil sporit, în compara ţ ie cu cel al transmisiei clasice. Totu ş i se remarc ă introducerea microprocesoarelor de bord, care gestioneaz ă func ţ ionarea transmisiei automate, al ă turi de func ţ ionarea motorului, a frânelor, a suspensiei, a direc ţ iei, etc. Performan ţ ele atinse de ultimele transmisii automate cu comanda electronica, având 5 sau 6 trepte de mers înainte, tind s ă Studiul solu ţ iilor similare ş i al tendin ţ elor de dezvoltare 13 mic ş oreze ş i chiar s ă elimine dezavantajele pe care le au aceste transmisii în compara ţ ie cu transmisiile mecanice, clasice, neautomate, în ceea ce prive ş te dinamicitatea ş i consumul de combustibil. Se remarc ă apari ţ ia unor regimuri de deplasare „economice” sau „sportive”, care asigur ă autoturismelor performan ţ e de economicitate, respectiv de dinamicitate, similare cu cele asigurate de transmisiile clasice. Transmisia cu varia ţ ie continu ă a raportului de transmitere - CVT - (Continously Variable Transmission) se întâlneste tot mai frecvent la autoturismele de clasa mic ă ş i mijlocie, datorit ă asigur ă rii unor rapoarte de transmitere care se modific ă ş i se adapteaz ă continuu, automat, la modificarea rezisten ţ elor la înaintare ale automobilului. O alt ă preocupare tot mai r ă spândit ă , în special la autoturismele sport, la unele autoturisme de ora ş ş i chiar la unele miniturisme, este aceea a trac ţ iunii integrale, cu folosirea unor diferen ţ iale interaxiale blocabile sau, mai frecvent, autoblocabile , tendin ţă existent ă deja în cazul autoturismelor tot-teren, având ca efect cre ş terea confortului de conducere ş i a siguran ţ ei în exploatare, îmbun ă t ăţ irea capacit ăţ ii de trecere ş i a stabilit ăţ ii. Repartizarea optim ă a momentului motor între pun ţ ile motoare fa ţă ş i spate trebuie s ă se fac ă în func ţ ie de aderen ţ a existent ă la ro ţ ile fiec ă rei pun ţ i motoare. Amplasarea grupului motopropulsor, longitudinal sau transversal, fa ţă sau spate, se face având în vedere avantajele ş i dezavantajele pe care fiecare dintre aceste variante de organizare le are asupra confortului ş i spa ţ iului destinat pasagerilor, asupra complexit ăţ ii construc ţ iei transmisiei, a modului de organizare a celorlalte sisteme ale automobilului. Pentru îmbun ă t ăţ irea dinamicii în regim de trac ţ iune, autoturismele au fost dotate cu sisteme de control al trac ţ iunii (ASR), care îndeplinesc în general urm ă toarele func ţ iuni: corijarea ac ţ iunilor de comand ă ale conduc ă torului auto în raport cu regimul de deplasare al automobilului ş i aderen ţ a ro ţ ilor cu calea de rulare, asigurarea stabilit ăţ ii ş i maniabilit ăţ ii, îmbun ă t ăţ irea trac ţ iunii la demaraje ş i în condi ţ ii dificile de drum, informarea conduc ă torului auto asupra apari ţ iei situa ţ iilor deosebite ce duc la patinarea uneia sau mai multor ro ţ i. Suspensia autoturismelor a f ă cut obiectul unor studii aprofundate privind condi ţ ionarea reciproc ă dintre pneu, suspensie ş i calea de rulare. Acestea au permis s ă se ob ţ in ă , prin simularea pe calculator a fenomenelor complexe care au loc în timpul deplas ă rii autoturismului, o suspensie corespunz ă toare pentru fiecare model cercetat. Echiparea autoturismelor cu suspensii independente pe toate ro ţ ile, prin folosirea amortizoarelor hidraulice ş i hidropneumatice ş i a corectoarelor de ruliu a contribuit la m ă rirea confortului, a siguran ţ ei în deplasare ş i a stabilit ăţ ii. Suspensia mecanica clasic ă este supus ă unor modific ă ri permanente, urm ă rindu-se perfec ţ ionarea cinematicii sale, a leg ă turii între suspensie ş i structura de rezisten ţă a automobilului, a atenu ă rii ş ocurilor ş i vibra ţ iilor primite de la ro ţ i, a cinematicii ro ţ ilor directoare, a confortului pasagerilor. Suspensia hidropneumatic ă , caracteristic ă autoturismelor fabricate de concernul Citroën, asigur ă un confort optim pasagerilor, în sensul p ă str ă rii unei pozi ţ ii constante a caroseriei, prin corelarea mi ş c ă rilor tuturor ro ţ ilor automobilului, indiferent de calitatea c ă ii de rulare. Sistemul de frânare cunoa ş te, de asemenea, preocup ă ri intense de îmbun ă t ăţ ire, generalizare având sistemul de frânare cu dublu circuit. D INAMICA A UTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare 14 Autoturismele sunt echipate fie numai cu frâne disc, fie cu frâne mixte, adic ă cu frâne cu tambur la ro ţ ile din spate ş i cu frâne disc la ro ţ ile din fa ţă . Cunosc generalizare frânele autoreglabile, care compenseaz ă automat uzura normal ă a garniturilor de fric ţ iune ş i limitatoarele de frânare, care distribuie for ţ ele de frânare la pun ţ ile automobilului în func ţ ie de înc ă rcarea dinamic ă a acestora. Sistemele de frânare cu control electronic, a ş a numitele ABS (Anty Blocking System), care împiedic ă blocarea ro ţ ilor în cazul frân ă rilor intensive ş i care permit p ă strarea controlului automobilului în orice situa ţ ie, cunosc o larg ă utilizare, la aproape toate categoriile de automobile. De asemenea se generalizeaz ă indicatoarele de uzur ă a garniturilor de frân ă , frânele autoreglabile, servomecanismele de ac ţ ionare a frânelor, comandate de instala ţ ii specifice. Sistemul de direc ţ ie se realizeaz ă în solu ţ ii constructive legate de tipul suspensiei folosite, în scopul asigur ă rii unei cinematici corecte ro ţ ilor de direc ţ ie. Ca tendin ţ e actuale se remarc ă cre ş terea comodit ăţ ii de conducere ş i siguran ţ ei în deplasare prin extinderea folosirii servodirec ţ iilor ş i la clase mai mici de autoturisme, reducerea efectului reac ţ iilor inverse, de la roat ă spre volan, asigurarea cre ş terii siguran ţ ei conduc ă torului sau pasagerilor în deplasare prin folosirea air-bag-urilor (frontale sau laterale) ş i prin folosirea unor volane ş i axe volan rabatabile sau telescopice. Caroseria este aproape în totalitate autoportant ă . Cercet ă rile ş i încerc ă rile efectuate au condus la realizarea unor caroserii având coeficien ţ i aerodinamici tot mai coborâ ţ i. Datorit ă folosirii o ţ elurilor de înalt ă rezisten ţă , cu o limit ă de elasticitate ridicat ă , rigiditatea caroseriei, factor important în ameliorarea ţ inutei de drum, a fost mult îmbun ă t ăţ it ă . S-au luat m ă suri de reducere a greut ăţ ii proprii prin înlocuirea pieselor din metal cu piese din materiale plastice sau din materiale compozite. Se îmbun ă t ăţ e ş te permanent securitatea activ ă ş i pasiv ă pe care automobilul o poate asigura pietonilor, respectiv pasagerilor. Insonorizarea caroseriilor a permis reducerea zgomotului. Se folosesc caroserii monovolum, cu dou ă sau trei volume, în func ţ ie de modelul autoturismului. Pentru pneurile de autoturisme , în vederea mic ş or ă rii energiei absorbite în timpul rulajului, a amortiz ă rii ş ocurilor, ale cre ş terii siguran ţ ei ş i duratei în exploatare, se folosesc noi re ţ ete la fabricarea anvelopelor ş i camerelor de aer, se utilizeaz ă diferite profiluri pentru banda de rulare. Se încearc ă folosirea unor pneuri f ă r ă aer în interior (pneuri Denevo, folosite de firma Dunlop) sau a unor pneuri f ă r ă camer ă de aer, care au în interior o solu ţ ie special ă (polygel) care vulcanizeaz ă instantaneu o perforare a pneului (pneuri PunctureGuard), fara s ă afecteze performantele pneului ş i, implicit, siguran ţ a în deplasare ş i confortul în conducere. Aparatura de bord folose ş te tot mai mult circuite integrate cu afi ş aj numeric, folosind tehnica fluorescen ţ ei în vid sau aceea cu cristale lichide, care prezint ă un grad ridicat de fiabilitate. Aparatura electronic ă asistat ă de calculator este de un real folos. Ea supravegheaz ă ş i informeaz ă permanent conduc ă torul despre diferi ţ i parametri necesari conducerii în siguran ţă , informeaz ă asupra func ţ ion ă rii organelor în mi ş care, urm ă re ş te atingerea unor limite maxime de uzur ă , indic ă consumul instantaneu ş i rezerva de combustibil, etc. La toate autoturismele moderne este asigurat controlul electronic al motorului, al sistemului de frânare cu antiblocare, al comenzilor cutiei de viteze, al suspensiei al radarului anticoliziune ş i al altor sisteme. În preocup ă rile speciali ş tilor, un loc Studiul solu ţ iilor similare ş i al tendin ţ elor de dezvoltare 15 central îl ocup ă ş i dispozitivele de dirijare ale autovehiculelor, aparatura de naviga ţ ie, aparatura de urm ă rire, afi ş are a datelor (pe parbriz sau holografic). În prezent toate marile firme constructoare de autoturisme dezvolt ă programe de cercetare privind cre ş terea securit ăţ ii în deplasare, protec ţ ia mediului înconjur ă tor, reducerea consumului de combustibil, dezvoltarea tehnologiilor de fabricare a autoturismelor ş i cre ş terea calit ăţ ii acestora, mic ş orarea costurilor de produc ţ ie ş i respectarea termenelor stabilite pentru toate etapele de concep ţ ie, fabricare ş i vânzare produs. 1.2.2. Tendin ţ e de dezvoltare a autobuzelor În construc ţ ia autobuzelor actuale, se constat ă unele linii directoare care asigur ă m ă rirea confortului, a eficien ţ ei economice ş i tehnice a transportului rutier de persoane. Dintre acestea, se pot enumera: reducerea greut ăţ ii specifice a autovehiculului, sporirea capacit ăţ ii de transport prin utilizarea tot mai larg ă a autovehiculelor articulate, folosirea ra ţ ional ă a spa ţ iului caroseriei în principal prin amplasarea motorului sub podea (motoare orizontale), generalizarea echip ă rii cu motoare cu aprindere prin comprimare, sporirea fiabilit ăţ ii subansamblelor componente ş i adoptarea unor solu ţ ii constructive care s ă reduc ă volumul lucr ă rilor de între ţ inere (reducerea num ă rului de articula ţ ii care trebuie gresate, generalizarea folosirii alternatorului în locul dinamului cu colector), extinderea automatiz ă rii ş i generalizarea mecanismelor servo, în vederea îmbun ă t ăţ irii condi ţ iilor de munc ă ale conduc ă torului autobuzului ş i cre ş terii siguran ţ ei în deplasare, folosirea unor sisteme de climatizare, de iluminare interioara si audio, care sa asigure un confort optim c ă l ă torilor. Autobuzele moderne au caroseria tip vagon ş i motorul dispus sub podea intre pun ţ i sau în spate, fapt ce permite m ă rirea suprafe ţ ei utile de înc ă rcare la aproximativ 98 – 99% din suprafa ţ a total ă . Se constat ă o u ş oar ă tendin ţă spre amplasarea motoarelor în consol ă spate (vezi punctul 1.3.2), dispuse orizontal sau înclinat, în special la autobuzele interurbane ş i turistice, f ă r ă a fi neglijat ă solu ţ ia de dispunere a motorului între pun ţ i, specific ă autobuzelor urbane. Aceast ă solu ţ ie este avantajoas ă mai ales în cazul folosirii transmisiilor automate, la care dispar dezavantajele legate de dificult ăţ ile transmiterii comenzilor, asigurând o mai bun ă repara ţ ie a greut ăţ ilor pe pun ţ i ş i un nivel coborât al platformei. La motoarele Diesel pentru autobuze se urm ă re ş te ob ţ inerea cuplului motor la tura ţ ii reduse (1200-1500 rot/min) pentru a se asigura o func ţ ionare economic ă a motorului ş i realizarea unor motoare compacte ş i u ş oare, mai r ă spândite fiind cele ce dezvolt ă puteri de 180-230 CP având ş ase cilindrii în lini