Bir arabanın hızını sınırlayan nedir?

Mühendislik açısından, normal bir otomobille ulaşabileceğiniz maksimum hızı ne sınırlar? Bazı daha hızlı araçların güvenlik nedenleriyle 250 km / s'den daha hızlı koşmamaları ile sınırlı olduğunu anlıyorum, ama bu benim sorum değil.

Birkaç sebep düşünebilirim, ancak bunlardan hangisinin alakalı olduğundan emin değilim:

1. Devir sayısını, rpm metrelerde kırmızı işaretlerle belirtildiği gibi, devri arttırırsam, bir kısım tarafından belirlenen (hangisi?) Kırılır mı?
2. Yoksa devri arttırmaya yetecek kadar hızlı yakıt alamamanız mı?
3. Veya hızlandıkça sürtünme / sürükleme artar mı ve motor sadece bunun üstesinden gelemez, çünkü sadece maksimum miktarda kuvvet / tork üretebilir mi? Evet ise, bu tork / kuvvet neye bağlıdır?

Bir aracın hızının (yol koşulları olmasa da) sınırlı olmasının birkaç basit nedeni vardır:

1. Dişli takımı - Geleneksel şanzımanlı üretim araçlarında sınırlı sayıda dişli bulunur. Çoğu modern otomobil için, bu genellikle 5 veya 6'dır, ancak eski araçlar 2 veya 3 kadar az olabilir. En yüksek vitesin dişli oranı çok düşükse ("düşük" vitesler daha büyük sayısal oranlar olarak ifade edilir) hava direnci hiç bir faktör haline gelmeden önce motorun kırmızıya dönmesi olasıdır. Bu, takometredeki kırmızı bölge hakkındaki ilk noktanıza bağlanır. Motorunuzun maksimum dönüş hızı olan kırmızı çizgiye ulaştıysanız, ancak daha yüksek bir vitese sahip değilseniz, motorunuza zarar vermeden daha hızlı gidemezsiniz.

2. Sürükle - Herhangi bir fiziksel nesne gibi, arabalar da hava direncine ve diğer sürtünme kaynaklarına (yuvarlanma direnci vb.) Maruz kalır. Arabadaki sürükleme, motorun tekerleklere üretebileceği güç miktarını aşarsa, hızınız bir kez daha sınırlanır.

3. Hız Sınırlayıcılar - Üretim araçlarının güvenlik veya yasal nedenlerden dolayı ECU'da (Motor Kontrol Ünitesi) neredeyse her zaman hız sınırlı olduğunu belirtmek gerekir. ECU, tekerleklerin yeterince hızlı döndüğünü tespit ederse, aracın daha hızlı gitmesini önlemek için motora giden gücü kesecektir. Bu korumayı bir satış sonrası ECU ile veya stokta bir değişiklikle atlatmak mümkündür. Örneğin, Honda Civic'in bazı model yılları hız olarak 190 km / s ile sınırlıdır.

4. Lastik Derecelendirmeleri - Tüm lastiklerin belirli bir hız değeri vardır, bu da muhtemelen aracınızın gerçek maksimum hızından çok daha düşüktür. Hız derecesi tek bir harftir ve lastik kodunun bir parçasıdır ( daha fazla bilgi için buraya bakın ). Örneğin, geçici yedek lastikler patlama riskiyle karşılaşmadan önce sadece 130 km / s ile sınırlandırılabilir.

5. Kararlılık / Aerodinamik - Bu, pratik olandan daha az bir mühendislik perspektifidir, ancak "normal" bir araba için, süspansiyonun ve diğer bileşenlerin, aracı düz bir şekilde yolda tutmak için yeterli olmadığı belirli bir nokta olacaktır. güvenli moda. Bu noktayı desteklemek için anekdot kanıtlar, eski bir 70'lerin tam boyutlu Amerikan otomobili hakkında, üç basamaklı hızlara ulaşıldığında, ön tekerlekleri yerde tutmak için aerodinamik yeteneklere sahip olmayan bir hikaye şeklinde geliyor. Kısacası, otomobilin altında hareket eden havadan kaldırma, ön tekerlekleri yerden kaldırarak yüksek hızlı bir "tekerlek" e kaldırdı. Bu işlem teknik olarak aracın yavaşlamasına neden olmasa da, bu hızda kontrol etmeyi kesinlikle zorlaştırdı.

Bu nedenle, hızı sınırlayan şey iki şeyin birleşimidir: motordan dişliye ve yuvarlanma ve hava direncine sahip güç.

Yaklaşık 40mph'ye kadar yuvarlanma direnci en büyük dirençtir, ancak bunun üzerinde hız hava direnci baskın faktördür ve gittikçe daha hızlı artar.

Motor gücü sabittir (tamamlama vb.), Ancak vites de önemlidir - 200 bg'lik bir motor, bir tarım traktörüne veya temiz bir spor otomobile güç verebilir.

Toplam direnç tekerleklerdeki güce eşit olduğunda, daha hızlı gitmezsiniz.

Fizik seni durdurur. Hiç bisiklete bindiniz mi? 25 mil / saat kolay, 30 sert, 40 özel dişli veya çok pompalanmış bir gövde gerektirir ve 50 neredeyse imkansızdır. Bu kadar küçük hız artışları için çaba neden bu kadar dikleşiyor? Hava.

Aerodinamik sürtünme

Arabanız yavaşladığında yuvarlanma direnci baskın faktördür - bu yüzden itmeleri çok zordur. Ancak daha yüksek hızlarda, yönetici faktör aerodinamik sürüklemedir. Çünkü yuvarlanma direnci oldukça doğrusaldır. Aero drag değil ve en azından ikinci dereceden bir faktör - daha yüksek hızlarda bir yük treni gibi geliyor. Aslında 40 mil / saat yükleyebilen kömür trenlerinin duyduğumu duydum. Çünkü her boş kömür arabasının rüzgarı yakalayan büyük bir kepçe olması. Ve bir tren için yuvarlanma direnci sıfırdır.

Mevcut güç

Açıkçası, bu aero drag motorların ona uygulayabileceği güce karşı dengelenmiştir. Bu boş kömür trenini, lokomotiflerin dört katını koyarlarsa 70 mil / saat hıza ulaşabilirlerdi.

Arabalardan bahsediyorsunuz, bu yüzden pillerin ne kadar sağlayabileceği ve motor kontrolörünün zarar görmeden itebileceği meselesi. Ya da yakıtla çalışan arabaları varsaydığınızdan , motorun ne kadar hava geçebileceği ile ilgilidir . Doğru miktarda yakıt eklemek kolaydır. Hava akışı, giriş / egzoz kanalı / taşıma / rezonans, valf boyutu ve sayıları, kamlama, bunun gibi şeyler ayarlanarak belirlenir. (Ayrıca motor redline (maks RPM), ancak kanal / rezonansınız ayarlandığında, redline yükseltmek bir fark yaratacaktır, bu motor sokakta oldukça zayıf çalışacaktır.)

Dişli takımı da bir faktör olabilir. En yüksek hızda mücadele eden bir arabam vardı. Dördüncü vites hızlanamayacak kadar uzundu. Üçüncü vites, beygir gücü zirvesini geçtiği için, ne kadar hızlı giderseniz, o kadar az beygir gücü elde edersiniz. Vites tüm hız için yanlıştı, ama benim için ne ödeme olduğunu sokak sürüş eğlence, arıtma ve MPG için mükemmel oldu.

Ford Flex gibi tipik bir sportif olmayan sokak otomobili, bilgisayarın yeniden sınırlayacağı veya MPH sınırına ulaşacağı bir noktaya gelmeden önce aerodinamik sürüklemenin fizik sınırlarına ulaşması muhtemeldir.

2000 yılından bugüne (2018) kadar inşa edilen modern yüksek performanslı otomobiller için cevap basit: lastik kavrama .

Motor performansı ve yönetimi, yolda lastiklerin ne kadar yol tuttuğundan daha iyi performans gösterebilecek seviyeye ulaştı. Lastiklerinizin taşıyabileceğinden daha fazla enerji vermeye çalıştığınızda olan şey tekerlek kaymasıdır.

Çoğu kişi ayakta durmaya başlarken (drag yarışlarında olduğu gibi) tekerlek kaymalarına ve otomobiller yavaş hareket ettiğinde (insanlar kasıtlı olarak lastik yaktığında) aşina olacaktır. Bu tip bir kayma, CPU'nun frenleri kontrol etmesine (çekiş kontrolü) izin verilerek ortadan kaldırıldı.

Ardından kaygılı olduğumuz tekerlek kayması geliyor. En yüksek hızda hareket ederken tekerlek kayması. Bunun geleneksel düzeltmesi otomobilin aerodinamiğini değiştirmek ve temelde arabayı yola itmek için güç katmaktı.

Şimdi daha da aşağı kuvvet eklemenin sürtünmeyi artıracağı ve performansı düşüreceği aşamaya geldik. Ancak en iyi performans gösteren motorlarımız hala tekerlek kayması üretebilir.

Bununla birlikte, motor geliştirmeye paralel olarak, kimya ve lastik tasarımındaki gelişmeler de, lastiğin yol tutuşunu kaybetmeden önce taşıyabileceği hızı artırarak bir otomobilin en yüksek hızının artmasına katkıda bulunmuştur. Artık en iyi motorlarımızın sürekli olarak lastikleri bozabileceği bir noktaya ulaştığımıza göre, mevcut sınırlayıcı faktör lastik tutuşudur.

Tamamen teorik sınırı bulmak için lastiğin ve hava sürtünmesinin yuvarlanma direncinin sınırlarına bağlı olarak. İşte işte.

Formüller

• $F_d = \dfrac{1}{2}pA\mu_d v^2$
• $f_s = \mu_s mg$

NOT: Tesla model 3 değerlerini kullanıyorum.

Bilinen değerler

• A = 0,23 m ²
• g = 9.80665 m / s ²
• m = 1611 kg
• $\mu_s$
• $\mu_d$
• p = 1,2754 kg / ³

Varsayımlar

• Araba yerçekimi kuvvetine mükemmel bir şekilde diktir.
• Araba deniz seviyesinde.
• Koşullar idealdir.
• Motorun gücü sonsuzdur.

Sonuçlar

$V_{theo} = 1280.9\text{ mph}$

Bir şey için dişli tahrikli (doğrudan tahrikli) bir araba belirtmediniz. Doğrudan tahrikli araçlar için bile, sınırlama hızı, aracın kalkmasını ve uçmasını önlemek için aerodinamik tasarımla belirlenir.

Son kontrol ettim, kara hızı kayıtları, jet veya roketle çalışan aşırı tasarımlı otomobillerle, inanılmaz derecede uzmanlaşmış tekerlekler ve frenlerle (standart diskler, ilgili yüksek RPM'lerde uçup gidiyordu) ayarlandı.

Özetle, yeni malzemeler gittikçe daha fazla güç-kütle oranlarıyla geliştirildikçe, arazi hızı kayıtlarının kırılmaya devam etmesi muhtemeldir.