Мотоциклы - Мощность и скорость
Вопрос:"Почему 10-сильный "Минск" развивает 100 км/ч, а 30-сильная "Планета-Спорт" всего 140, а не 300? Почему скорость растет не пропорционально мощности? И можно ли заменив 16-дюймовое колесо на 19-дюймовое увеличить скорость? Колеса менять сложно. Проще менять звездочки в цепной передаче. Когда-то, по простительной незрелости лет, мы тоже пытались увеличить скорость таким способом. На "Яву-350" модели 360/00 вместо стандартной звездочки с 17-ю зубьями втыкали звездочку с 19-ю зубьями, - ребята были, само собой, грамотные, так что уже в уме ухитрялись подсчитать, что скорость возрастет на добрых 12%.И что же? Результат оказался более чем плачевным. Мы обзавелись мотоциклом узко специального назначения, - он здорово ходил на крутых спусках, под гору. А насчет наоборот... - и вспомнить противно! Даже на горизонтальной трассе скорость ощутимо упала, мотор явно не в состоянии был выйти на обороты максимума мощности - "не тянул". Вялый разгон, чувствительность к встречному ветру, нежелание возить пассажира - вот портрет нашего "усовершенствованного" мотоцикла.
Опытные мотоциклисты, авторитеты объясняли дело вполне доходчиво: "Раз чехи поставили 17 зубьев, значит - так надо, и не фиг тут..."
Итак, что же это за штука такая - мощность? Это, как известно, способность машины, человека, лошади и т.д. выполнить некую работу в течение секунды, - например, поднимая груз весом 10 кг на высоту 1 метр за секунду, придется развить мощность в 10 килограммометров в секунду. Если уменьшить в этом примере вес до 5 кг, но поднять его за секунду на 2 метра, мощность потребуется та же. Но выходит, что использовать ее можно по-разному. Чем не иллюстрация к работе коробки передач? На низшей передаче скорость невелика, но при повышенной тяговой силе, на высшей скорость больше, но тяговая сила меньше.
Кроме сил трения в трансмиссии, часть мощности поглощается генератором мотоцикла, - правда, она невелика. На мотоциклах с водяным охлаждением часть мощности тратится на работу помпы, при наличии принудительного воздушного охлаждения часть мощности "съедает" вентилятор. Мы же здесь рассматриваем простой мотоцикл, на котором кроме генератора, других нахлебников нет.
Если в инструкции вы увидите, что мощность указана в непривычных кВт (киловаттах), это не должно вас смущать, - таковы современные требования. Пересчет несложен: 1 л.с. численно равна 0,736 кВт. Действующие на мотоцикле силы, включая его вес, могут измеряться не в килограммах, а в ньютонах. Ну и что? 1 кг равен 9,81 Н. И все! Крутящий момент, соответственно, измеряется не в привычных килограммометрах (кгм), а в ньютон-метрах (Нм). Это тоже сути дела не меняет, как в знаменитом мультфильме про 38 попугаев. Поэкспериментируем (мысленно) с мотоциклом. С открытым на 1/4 дроссельным золотником разгоняем мотоцикл во всем, доступном ему при этом, диапазоне оборотов, регистрируя с помощью неких приборов крутящий момент и мощность. Они меняются с оборотами, - при малом числе оборотов мощность, то есть способность мотора производить полезную работу, невелика, с увеличением числа оборотов она возрастает, а при каких-то оборотах достигает максимума, за которыми уже падает.
Нанеся точки на график, получим, кривую зависимости мощности (или крутящего момента, если хотите) от числа оборотов при фиксированном положении дросселя. Это так называемая скоростная характеристика двигателя для выбранного положения дросселя. Таких "частичных" характеристик вы можете построить сколько угодно, - для разных положений дросселя.
Кривые имеют точки своего максимума при каком-то числе оборотов. Максимум крутящего момента соответствует ситуации, когда среднее эффективное давление в цилиндре наибольшее, - оно зависит от качества продувки цилиндра, наполнения его свежим зарядом смеси, от полноты сгорания, тепловых потерь.
Если, не жалея мотора, разгонять его при различных положениях дроссельного золотника до максимально достижимых оборотов, можно найти интересные точки графика. Например, при небольшом открытии дросселя на нижней передаче мотоцикл разгонится до какой-то скорости - дальнейший разгон невозможен, так как это означало бы, что располагаемая мощность меньше потребной для езды с этой скоростью... и вошло бы в противоречие с уже упоминавшимся, незыблемым Законом сохранения энергии.
Потребная мощность растет с ростом скорости, поэтому при большем открытии дросселя можно разгоняться до скорости побольше. Еще большее открытие даст скорость соответственно еще большую. Наконец: если дроссель открыть полностью, мотор выйдет на высокие, иногда просто опасные, обороты, при максимальной скорости для данной передачи. Соединив полученные предельные точки кривой, мы получим зависимость потребной мощности для движения мотоцикла от скорости движения. Сразу же надо вам понять: потребная мощность - это параметр, целиком зависящий от сил сопротивления движению мотоцикла, - она связана с размерами мотоцикла, весом и так далее. "Тягло", то есть тип двигателя, его мощность и т.д. тут вне игры, - оно значения не имеет. Если вместо мощностей на графике показать силы: располагаемую тяговую силу колеса и потребную для преодоления всех сопротивлений, то их точки пересечения дали бы те же значения оборотов и скоростей. Ведь сила тяги, крутящий момент и мощность связаны однозначной зависимостью.
О каких силах сопротивления идет речь? Прежде всего - это сила сопротивления воздуха, наш и ваш главный враг, вечно мешающий достижению рекордных скоростей. Почему - главный? Потому что растет пропорционально квадрату скорости. Увеличивая ее вдвое, силу сопротивления мы увеличиваем вчетверо. И еще - потому, что сам мотоцикл, мягко говоря, к числу хорошо обтекаемых тел не относится. Это свойство оценивается так называемым коэффициентом аэродинамического сопротивления Сх, зависящим лишь от формы тела, движущегося в воздухе. Этот коэффициент входит в формулу расчета силы сопротивления воздуха: Pw =Сх х S х р х (V2 )/ 2
При нормальной, комфортной, "сидячей" посадке мотоциклиста коэффициент Сх достигает значений 1,1-1,2 и очень редко снижается до единицы. При полулежачей, в которой мы мало ездим, он может уменьшиться до 0,7-0,9. Между тем - сравните! - у скромных стареньких "Жигулей" этот коэффициент составляет около 0,43. Словом, как ни любим мы мотоцикл, особо быстрая езда на нем, говоря строго, энергетически невыгодна, - слишком много бензина горит впустую. Вы можете столкнуться с ситуациями, когда идущий рядом пятиместный автомобиль расходует бензина меньше вашего мотоцикла-одиночки. А уж о езде с боковым прицепом и говорить нечего. Вот вполне официальные данные (журнал "Мотор-ревю" 9 за 1980 г.): расход топлива мотором "Явы-634" при скорости 90 км/час составлял 5 л/100 км, а при скорости 100 км/час - уже 8,5 л/100 км пути. Это - без бокового прицепа.Измерения выполнялись не как-нибудь "на глазок", а в строгом соответствии с общепринятыми требованиями, на предприятии "Ява". Лобовая площадь мотоцикла-одиночки с водителем может лежать в пределах 0,4-0,6 кв.м, -большие или меньшие показатели встречаются не часто.
Имея такие исходные данные, например, как Сх=0,9 и S =0,5 кв.м, вы вряд ли удержитесь от соблазна рассчитать силы воздушного сопротивления для разных скоростей движения,- например, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 м/сек. И окажется, что при скорости 10 м/сек сила сопротивления воздуха еще невелика, - всего 2,8 кг. Но при 20 м/сек она составляет 11,2 кг, а при 30 м/сек - уже 25,2 кг. При 35 м/сек или 126 км/час эта сила равна уже 34,5 кг! Не зря ветерок стаскивает вас с сиденья! Сила сопротивления воздуха действует постоянно за исключением случая езды с попутным ветром, скорость которого равна скорости вашего движения, - тогда она равна нулю. Если скорость попутного ветра больше скорости движения, действующую аэродинамическую силу уже надо учитывать со знаком минус, одновременно понимая, что в этом случае величина коэффициента сопротивления иная, чем при обдуве спереди.
При простых, не требующих высокой точности, расчетах коэффициент принимают постоянным, равным 0,015. Значит, мотоцикл с полным весом 220 кг (150 кг плюс 70 кг веса водителя) испытывает на ходу сопротивление качению Рf = 220 х 0,015 = 3,3 кг. Вообще же коэффициент может изменяться в значительных пределах, возрастая, например, на булыжной мостовой до 0,015-0,03, на грунтовой дороге до 0,05-0,15, а на рыхлой песчаной - до 0,2-0,3 и даже больше.
Что происходит на подъеме дороги? - Появляется еще одна сила - сопротивление подъему, вычислить которую несложно, - умножаем полный вес машины на синус угла подъема... Да вот где его взять синус? Оказывается, это просто. На реальных дорогах углы спуска или подъема, как правило, относятся к малым, для которых справедливо правило: синус угла равен его тангенсу и самому углу, измеренному в долях радиана. Неужто сложно? Тогда еще проще: для угла подъема в 5%, указанного на дорожном знаке, синус или тангенс равны 0,05. Для угла в 3% - соответственно 0,03. И так далее. Поняли?
Значит, на подъеме в 5% движению мотоцикла весом 220 кг противодействует сила Ра = 220 х 0,05=11 кг. На спуске же сила в 11 кг уже помогает движению машины, - желающие легко могут вычислить, зная нужные формулы, что в этом случае лишь при скорости около 60 км/час сумма сил воздушного сопротивления и сопротивления качению уравновесит эти 11 килограммов даровой "тяги"! Если спуск достаточно длинный, мотоцикл на "нейтрали" разгонится до этой скорости.
Теперь, зная величины потребных мощностей, соответствующих различным скоростям, мы вправе нанести точки на график (рис.2). Любопытная картина! Езда со скоростью 40 км/час требует мощности всего около 1 л.с., - уверен, многие мотолюбители попросту удивятся! За удовольствие ехать со скоростью 80 км/час придется отдать 5,1 л.с., за 100 км/час - 9,2 л.с, а за 120 км/час - 15,4 л.с. Изменение не совсем "по кубу", так как это суммарная мощность =-Мw+Мf. Здесь важно не блуждать среди трех сосен, - по закону куба меняется лишь мощность , затрачиваемая на преодоление сопротивления.
Вот пример "бухгалтерии" для скорости 200 км/час: Nw = 64,5 л.с., Nf = 2,5 л.с. (несколько заниженная величина, так как на этой скорости коэффициент f, как правило, уже несколько выше, чем 0,015). Другими словами, сумма этих мощностей составила бы около 67-68 л.с. С учетом 15-процентных потерь в трансмиссии мотор должен развивать мощность около 80 л.с. Но, напомним, - реально на такой скорости никто "сидя" не ездит, поэтому либо истинная скорость еще выше, либо затрачиваемая мощность несколько меньше. Надо четко это представлять.
Вооружимся для примера характеристикой одного очень популярного у нас в 60-х годах мотоцикла. Максимальная мощность составляла 18 л.с. при числе оборотов 5250 об/мин. Радиус качения 16-дюймового колеса - 0,27 м, - отсюда нетрудно определить, что при общем передаточном числе высшей передач I(4) = 4,5 указанному числу оборотов соответствует скорость около 119 км/час. Найдя эту величину (крайне важную!), вы фактически связали воедино две поначалу независимые вещи - то, что нужно для движения мотоцикла, и то, чем он реально располагает.
(Передаточные числа на других пе-редачах: I(1) = 14,3; I(2) = 8,9; I(3) = 6,4. Они нам тоже впоследствии понадобятся).
При потерях в трансмиссии около 15% на заднее колесо будет передана мощность в 15,3 л.с.
Кривая Nпотр. пересекает кривую Nрасп.вед.кол. в точке N1 , вблизи вершины. Опустив из нее вертикаль до пересечения с осью "V,n", вы увидите, что максимальная скорость соответствует как раз числу оборотов 5250 в минуту.
Точка пересечения кривых Nпотр и Nрасп.вед.кол. дает представление о максимальной скорости машины, - на горизонтальной дороге при безветрии около 120 км/час. Очень важно понять, что именно мощность (способность машины произвести определенную работу за секунду) характеризует скоростные возможности транспортного средства, - заметьте, что при правильном выборе передаточного числа, размеров колеса, шины и т.д.точка пересечения этих двух кривых обязательно на вершине кривой располагаемой мощности или очень близко от нее. Значит, мощность машины наиболее полно реализуется в скорость движения. Хотите в этом убедиться?
Внимание! Кривая Nпотр. никак от наших манипуляций не зависит, зато кривую Nрасп.вед.кол. мы словно растягиваем по горизонтали, - в пропорции с увеличением звездочки или колеса. Верхушка кривой, те самые 15,3 л.с., сдвинется вправо, а что станет с точкой пересечения кривых? Это показываем на рис.3. Видите, - точка пересечения теперь стала левей прежнего положения! Скорость упала. Сама кривая Nрасп.вед.кол. теперь сблизилась с кривой Nпотр. почти везде, что говорит и об ухудшении разгонных, динамических характеристик машины, но их все-таки лучше оценивать не по мощностям, а по тяговым силам.
А если сделать наоборот? Вместо фирменной звездочки поставить меньшую? Теперь кривую N сожмем по горизонтали, а точка пересечения кривых... снова левей исходной! Зато лучше станет динамика разгона мотоцикла, - кривая располагаемой мощности стала выше относительно первоначального положения.
Итак, если за счет передаточного числа и размеров колеса окружная скорость последнего правильно увязана с мощностью мотора, это обеспечивает максимум скорости самого мотоцикла. Улавливаете, в чем тут разница? Если нагрузка на колесо мала, спидометр может вам показать фантастическую "скорость", - поднимите мотоцикл на подставку, пустите двигатель и включите 4-ю передачу, - но то, что вы увидите, к реальным возможностям машины никакого отношения не имеет.Итак, мы хотим разобраться еще с динамическими возможностями мотоцикла, то есть оценить его способность разгоняться, брать подъемы и т.п.
В этом случае оперировать с мощностями нерационально. Надо перейти к силам на ведущем колесе, - опять-таки располагаемой, за которую в ответе мотор, и потребной, зависящей от условий движения. Имея кривую зависимости Nрасп.вед.кол., можно начертить кривую располагаемого крутящего момента на заднем колесе, - по известной формуле: M = 716,2 Nрасп.х n, где n - число оборотов ведущего колеса в минуту, а Мрасп. - располагаемая мощность в "л.с." При нашем расчете мы именно так и сделали, но кривую крутящего момента на график не наносим, считая это операцией промежуточной. Вместо этого изобразим кривую изменения располагаемой силы тяги на ведущем колесе, - это ведь очень просто, если момент известен, а радиусом колеса - 0,27 м - мы уже задались раньше. В таком случае тяговая сила колеса равна: Ррасп.вед.кол.=Мкр /0,27 (кг).
Таким же образом находим значения располагаемой тяговой силы для любых значений скорости и оборотов, - результатом чего и является кривая расп.вед.кол. на 4-й передаче (см рис.1). http://www.moto.by/oppozit/meh_speed1.jpg
Можно ли ее как-нибудь увеличить? Для этого нужно каким-либо способом уменьшить потребную силу тяги. Например, посмотрим, что дает езда с попутным ветром, имеющим скорость, скажем, 20 км/час - вполне обыденную. Это далеко не ураган. Что произойдет с кривой Рw? Она просто сдвинется, как целое, вправо на 20 км/час по оси "V". А сила Рf к ней также добавится, как и в исходном случае. Теперь точка пересечения кривых - P2 - показывает, что скорость может возрасти примерно до 130 км/час. (Отнюдь не на 20 км/час, как на первый взгляд может показаться!)
Опыт изучения данного вопроса показывает, что психология среднестатистического "рокера" имеет одну особенность: из всех своих заездов он запоминает лучший результат! Как видите, попутный ветерок может крепко польстить вашему мотоциклу и его мотору. Не здесь ли корень многих неофициальных наших рекордов?!
Встречный же ветер - серьезный враг, в нашем случае он снижает скорость до 105 км/час. Видите, влияние встречного и попутного ветра неравноценно, - причина в меняющемся наклоне кривой Ррасп.вед.кол. на разных скоростях, - встречный отнимает больше, чем дает попутный. Что касается рокеров, они не имеют привычки запоминать не лучшие результаты!
Полученные значения наносим на график (см. рис.2).http://www.moto.by/oppozit/meh_speed5.jpg
На подъеме 5% (горизонталь от точки 6,5% вертикальной оси) максимум скорости, как и ранее мы видели, соответствует 103 км/час. Вершина кривой "4" дает нам представление также о максимально возможном ускорении мотоцикла на данной передаче, - при безветрии на горизонтальной дороге этому соответствует опять-таки запас "D" в 10,5%. Ускорение вычисляется так: i = 100 х D-g х Qвм , где D - динамический фактор в 0%, g - ускорение свободного падения, т.е. 9,81 м/сек2. Коэффициент Qвм учитывает влияние на ускорение вращающихся масс, вспомните - чем массивней колесо, тем трудней "раскрутить" его. Для нашего мотоцикла и 4-й передачи можно принять, по результатам исследований ВНИИмотопрома, Qвм = 1,1 (на низших передачах этот параметр увеличивается, в зависимости от особенностей машины, до 1,3-1,7). Итак, на 4-й передаче максимальное ускорение равно примерно 0,94 м/сек2 - желающие могут проверить. А на низшей, первой? Для дальнейших оценок надо график расширить, нанеся на него кривые значений "D" на остальных передачах, включая первую. Как видим, с понижением передач запас "D" резко возрастает, показывая, что мотоцикл на них способен преодолевать гораздо большие силы сопротивлений, - будь это подъемы, песчаные трассы, встречный ветер и т.д. На 1-й передаче запас "D" в нашем случае равен 54,5-1,5=53%. Это соответствует скорости около 29 км/час.
Особенно хорошо этот прием выполняется на мотоциклах с тяжелым коленвалом, - типичный представитель этого направления в технике - двухцилиндровая "Ява-350" с очень массивным коленвалом. При стартовом броске ускорение мотоцикла достигает почти 8-9 м/сек2, мотоцикл отрывает переднее колесо и - простите! - при чрезмерном самомнении "гонщика", не подкрепленном тренировками, может опрокинуться назад. Новичкам не вредно это помнить. Влияние веса мотоцикла можно оценить сравнением кривых "1" - сплошной для исходной величины 220 кг и штриховой для случая езды с пассажиром - 290 кг. Во втором случае максимальный угол подъема не превышает 24,5 градусов, а максимальное ускорение - 3 м/сек2. На рис. 2 мы показали также кривые "D" для случаев движения по ветру и против ветра при скорости его 20 км/час. Вы можете делать соответствующие выводы. Ветер оказывает не только сильное влияние на скорострные показатели машины, но и на показатели динамические. В нашем примере попутный ветер увеличивает запас "D" с 10,5 до 12,5%, а встречный уменьшает до 8,5%. Желающие могут сами прикинуть, насколько будет изменяться ускорение мотоцикла или его способность преодолевать подъемы (последнее достаточно наглядно показывают только что приведенные цифры).
Знатоки, вероятно, уже заметили, что в качестве мотоцикла-прототипа для наших изысканий был выбран чехословацкий - "Ява-350" середины 60гх годов, - мы постарались использовать именно его характеристики мощности, крутящего момента двигателя, сохранить передаточные числа и т.д. Некоторыми данными (в частности, внешней характеристикой двигателя при числах оборотов выше 5500 об/мин) мы не располагаем, - здесь характеристика была нами продолжена до оборотов почти 7 тысяч в минуту, так сказать, волевым решением. Но можно сказать, что оно не было совсем необоснованным, а учитывало опыт моторостроительных фирм. Обратившись к официальному, заводскому описанию "Явы-350" модели 360/00, нетрудно убедиться в том, что вычисленные нами технические характеристики очень близки к реально замеренным. Итак, каковы выводы? - Скоростные возможности машины - при условии правильного выбора передаточного числа от коленвала к колесу - определяются максимальной мощностью двигателя и силами сопротивления.
Важно понять, что любые попытки изменения передаточного числа снижают максимальную скорость, причем наиболее безграмотным оказывается уменьшение передаточного числа, - тут снижаются и скорость, и динамичность машины. Напротив, повышение передаточного числа нередко заслуживает внимания. Например, на рис.3,а,б показаны характеристики для ведущих звездочек с 17 зубьями (стандартная для одиночки - "Явы") и с 16 зубьями (эта предназначена, вообще говоря, для езды с коляской).
В общем, вариантов много. И каждый должен сам решить, что ему нужно и нужно ли вообще?..
Я это 10-15 лет постягал методом.....тыка....
Всем читать!!!