Нахождение силы тяги двигателя

Как найти силу тяги

Что такое сила тяги

Сила тяги — сила, прикладываемая к телу для поддержания его в постоянном движении.

Действие силы тяги

Множество сил, действующих на движущийся объект, для упрощения вычислений делят на две группы: силу тяги и силы сопротивления.

Её прекращение

Когда действие силы тяги прекращается, движущееся тело замедляется и постепенно останавливается, так как на него воздействуют силы, мешающие продолжать двигаться, например, трение.

1 закон Ньютона о действии

Согласно этому закону в формулировке самого Ньютона, любое тело остается в покое или равномерно движется по прямой, пока на него не воздействуют силы, заставляющие его изменить это состояние.

В современной физике в формулировку внесены уточнения:

Чтобы переместить неподвижный предмет, на него должна воздействовать некая сила. Чтобы изменить скорость движения предмета, также необходимо воздействие силы, замедляющей его или ускоряющей. Так как предметы обладают разной массой и соответственно разной инертностью, силы, достаточные для эффективного воздействия, тоже будут различаться.

Состояние ускорения после воздействия силы тяги

Когда движение равномерное, сила тяги и сила трения совершают одинаковую работу, уравновешивая друг друга. Воздействие силы на тело в направлении движения придает ему ускорение. Если направить ту же силу в противоположном направлении, она замедлит движение тела, что можно назвать отрицательным ускорением.

Формулы для определения силы тяги

При нахождении тела на горизонтальной поверхности сила тяжести и сила реакции опоры уравновесят друг друга. Но если транспортное средство движется в гору или под гору, придется учесть влияние уклона. Тогда формула может выглядеть так: \(F_т-\;F_с-\;mg\;\times\;\sin\alpha=m\;\times\;a.\)

Какое условие должно соблюдаться

Сила тяги всегда должна быть больше противодействующих ей сил.

Формула через мощность

Измерение и обозначение силы тяги

Как определить силу тяги двигателя. Примеры решения задач

Задача 1

Автомобиль может разгоняться до 216 км/ч. Максимальная мощность двигателя равна 96 кВт. Определите максимальную силу тяги двигателя.

Решение

Переведем киловатты в ватты, а километры в час — в метры в секунду:

\(F_т\;=\;\frac N v = \frac<96000> <60>= 1600 Н\)

Задача 2

Троллейбус весом 12 тонн за 5 секунд проезжает по горизонтальной дороге 10 метров. Сила трения равна 2,4 кН. Определите силу тяги, которую развивает двигатель.

Решение

Переведем тонны в килограммы, а килоньютоны в ньютоны:

Чтобы определить ускорение а, воспользуемся формулой \(s\;=\;\frac2\)

Подставив численные значения величин, получаем:

Задача 3

Решение

Сделаем проекции на координатные оси:

Подставим значение \(F_<тр>\) в уравнение \(OX\) и определим \(F_т\) :

Получите помощь лучших авторов по вашей теме

Источник

Устройство автомобилей

Основы динамики автомобиля

Скоростная характеристика двигателя

Скоростная характеристика двигателя определяется зависимостями эффективной мощности Ne и крутящего момента Mк от частоты вращения n коленчатого вала.

Ведущие колеса автомобиля приводят его в движение в результате возникновения силы тяги, которая возникает при приложении крутящего момента к полуосям ведущих колес со стороны трансмиссии:

где Pт – сила тяги, Н;
Mт – крутящий (тяговый) момент на ведущем колесе, Нм;
r – радиус колеса, м.

Крутящий момент на ведущих колесах зависит от величины момента, развиваемого двигателем на коленчатом валу, передаточного числа iтр трансмиссии и ее КПД – ηтр :

Анализ графика показывает, что максимальная эффективная мощность и максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, доступен в узком интервале частот вращения коленчатого вала. При небольшой частоте вращения коленчатого вала величина этих динамических показателей недостаточна для появления на ведущих колесах требуемой для движения автомобиля силы тяги, а при превышении частотой вращения коленвала некоторого максимального порога двигатель начинает терять мощность и тяговые показатели, или, как говорят механики, начинает работать «вразнос».
По этой причине эффективная эксплуатация двигателя внутреннего сгорания возможна лишь в некотором узком диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Тяговая характеристика автомобиля

Тягово-скоростные свойства автомобиля удобно оценивать с помощью тяговой характеристики, т. е. зависимостью силы тяги на ведущих колесах от скорости движения на различных передачах (рис. 2).

Число кривых на тяговой характеристике (рис. 2) соответствует числу ступеней в коробке передач.

Читайте также:  Система блокировки двигателя автомобиля

Тяговая характеристика позволяет быстро определить максимальное значение силы тяги на ведущих колесах, которая может быть обеспечена при данной скорости движения автомобиля, поскольку она рассчитывается по наибольшей для данной частоты вращения коленчатого вала мощности двигателя. Меньшее значение силы тяги получается при недоиспользовании мощности двигателя, т. е. при неполной подаче топлива. Следовательно, с помощью тяговой характеристики можно оценить предельные тяговые возможности автомобиля в фактическом интервале скоростей его движения.

Силы и моменты, действующие на ведущие колеса

Реактивные силы, действующие на колеса

Тяговый момент Мт на ведущих колесах стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия, в результате чего со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила Rx – горизонтально направленная касательная реакция дороги.

где Рш – сила, учитывающая потери энергии в шинах ведущих колес.

Таким образом, касательная реакция дороги создает силу тяги.

Боковая сила Рy значительно увеличивается при криволинейном движении автомобиля или при движении по косогору. Боковая реакция Ry со стороны дороги удерживает колеса автомобиля от бокового скольжения (заноса) при движении автомобиля поперек косогора или при выполнении маневра.

Сила тяги на ведущих колесах

При этом не учитываются затраты энергии на деформацию дорожного покрытия, трение внутри шины и силы инерции, обусловленные ускорением вращающихся масс колес и деталей трансмиссии в случае неравномерного движения.

Следует учитывать, что радиус колеса вследствие эластичности шины является переменной величиной.
Различают следующие радиусы автомобильных колес:

Радиус качения колеса определяется по формуле:

Если проскальзывание колеса относительно дороги отсутствует, что характерно для ведомого колеса, то радиусы rд и rк почти равны между собой. В случае полного буксования колеса его пройденный путь будет равен нулю, и тогда (согласно приведенной выше формуле) его радиус качения тоже будет равен нулю.
В случае движения колеса юзом (скольжение без вращения) число оборотов будет равно нулю, и, соответственно, радиус качения rк будет стремиться к бесконечности.

Источник

Расчет реактивной силы (тяги)

Для нахождения величины реактивной силы Р нет необходимости рассматривать детально распределение давления по внутренним и наружным стенкам реактивного аппарата. Реактивную силу можно определить в конечном виде с помощью уравнения количества движения. Совершая полет, тело производит возмущение в окружающей среде. Всегда можно выделить некоторую, достаточно большую, например цилиндрическую, область, границы которой выходят за пределы возмущенной части потока (рис.). На боковых границах этой области давление и скорость потока (считаем двигатель неподвижным, а воздух движущимся со скоростью полета) равны их значениям на бесконечности перед двигателем. Пусть ось х совпадает с направлением полета и является осью симметрии двигателя; спроектируем на ось х силы, действующие на двигатель и на поверхность выделенного контура. Так как силы давления в жидкости нормальны к поверхности, то проекции на ось х сил, действующих на боковые поверхности контура, обращаются в нуль. Поэтому уравнение Эйлера запишется так:

Здесь площади, на которые распространяются интегралы, и область интегрирования первого члена правой части бесконечны. Сила Р берется со знаком + потому, что здесь реактивный двигатель сообщает работу газу; − секундная масса воздуха, втекающая в контур через сечение F; − дополнительная секундная масса горючего, которая подается в двигатель.

Если взять левую торцовую поверхность далеко перед двигателем, то давление на ней постоянно и равно атмосферному (), а скорость потока равна скорости полета (). Кроме того, можно допустить, что в поперечном направлении уже на некотором конечном расстоянии от поверхности двигателя поток является невозмущенным и площадь F, на которую распространяются интегралы левой части, считать конечной; точно так же конечной будет и область интегрирования в первом члене правой части. Тогда следует написать:

В большом числе случаев возмущение, вызываемое летящим телом, настолько незначительно, что в плоскости среза сопла а (вне струи выхлопных газов) давление обтекающего потока мало отличается от давления на бесконечности (). Тогда силы давления на передней и задней торцовых поверхностях контура уравновешиваются везде, кроме участка, соответствующего поперечному сечению выхлопной струи (). Скорости потока во всех элементарных струйках, кроме проходящих через двигатель, одинаковы (пренебрегаем влиянием трения, вихревых и волновых потерь на наружной поверхности двигателя). Следовательно, изменение количества движения получается только в струе, протекающей сквозь двигатель. Тогда уравнение Эйлера принимает следующий вид:

откуда получается основная формула для реактивной силы

В этих выражениях − средняя скорость истечения.

Следует подчеркнуть, что полученное соотношение справедливо только в том случае, если скорость и давление в плоскости а (за исключением участка рабочей струи) равны в точности их значениям на бесконечности перед двигателем. Кроме того, мы здесь пренебрегаем внешним лобовым сопротивлением двигателя, которое всегда может быть учтено отдельно.

Читайте также:  Пятна масла под двигателем

На расчетном режиме работы реактивного двигателя давление в выхлопной струе равно давлению окружающего воздуха (); в этом случае тяга равна изменению количества движения газа, прошедшего через двигатель:

В воздушно-реактивных двигателях второй член правой части мал, и им часто пренебрегают, т.е. принимают для воздушно-реактивных двигателей в расчетном случае

Тяга жидкостного реактивного двигателя, в котором не используется атмосферный воздух, определяется для расчетного режима по формуле

или на нерасчетном режиме

Здесь GO — секундный массовый расход окислителя.

О месте приложения реактивной силы.

Выясним, в каком месте двигателя приложена реактивная сила. Рассмотрим простейший случай − идеальный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (рис.). Пусть скорость во входном отверстии равна скорости полета (); тогда давление во входном отверстии равно атмосферному (), кроме того, предположим, что двигатель работает на расчетном режиме, т. е. давление в выходном отверстии также равно атмосферному (). При малой скорости движения газа в камере сгорания давление в последней можно считать постоянным (). В описанном идеальном двигателе перепады давлений в диффузоре и сопле одинаковы:

Однако ввиду того, что в сопле воздух имеет более высокую температуру, чем в диффузоре, площадь выходного отверстия двигателя должна быть больше площади входного отверстия. В самом деле, в идеальном двигателе скоростной напор в выходном отверстии равен скоростному напору набегающего потока, т.е. в рассматриваемом случае скоростному напору во входном отверстии

С учетом этого равенства, из уравнения неразрывности получаем:

Следовательно, при подводе тепла в камере сгорания () имеем:

Итак, среднее давление, действующее на стенки диффузора и сопла, одно и то же, а проекция стенки диффузора на плоскость, перпендикулярную к оси двигателя, больше соответствующей проекции стенки сопла. Вследствие изложенного сила давления изнутри на диффузор () больше, чем на сопло (); направления этих сил, как явствует из рис., противоположны.

Если внешние очертания двигателя являются очень плавными, то давление воздуха на внешнюю поверхность двигателя весьма близко к атмосферному, т. е. силой давления на внешнюю поверхность можно пренебречь. В рассматриваемом идеальном случае реактивная сила, действующая на двигатель, сводится к разности сил, приложенных соответственно к диффузору и соплу:

Величины сил, действующих на диффузор и сопло, соответственно равны

Согласно принятым выше условиям

Рассмотрим двигатель с малыми скоростями в камере сгорания, т. е. с площадью камеры, существенно большей, чем площади входного и выходного отверстий:

В этом случае мы приходим к следующей простой формуле для реактивной силы, определенной в результате вычитания силы, приложенной к соплу, из силы, приложенной к диффузору:

Тот же результат можно получить непосредственно из формулы для реактивной силы

или, учитывая выведенное выше условие ,

Итак, тяга получается за счет того, что сила давления на диффузор больше, чем на сопло. Это является следствием подогрева газа, в связи с которым площадь выходного отверстия приходится делать больше площади поперечного сечения набегающей струи.

В прямоточном воздушно-реактивном двигателе реактивная сила является результирующей сил давления, приложенных к стенкам внутреннего и наружного обводов двигателя.

Полезная часть реактивной силы, равная разности между реактивной силой и суммарным внешним сопротивлением двигательной установки, называется эффективной тягой:

Реактивная сила двигателя, определяемая формулой (105), может рассматриваться как разность между выходным импульсом струи газов, рассчитанным по избыточному давлению на срезе сопла:

и входным импульсом струи набегающего невозмущенного потока воздуха, засасываемого в двигатель:

Оценку внутренней тяги двигателя (без учета внешнего сопротивления) производят с помощью относительного импульса (116)

называется потерянным относительным импульсом сопла.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Система электронного обучения СамГУПС

Общий форум системы электронного обучения

Лекция 2-4 по тяговым расчетам для СЖД 71-75

Лекция 2-4 по тяговым расчетам для СЖД 71-75

Лекция 1-2

План лекции

1.1 Назначение и сущность тяговых расчетов

1.2 Нормативные документы

2 С ила тяги локомотива

2.1 Виды тяги и типы локомотивов для грузового движения

2.2 Реализация силы тяги

2.3 Тяговые характеристики локомотивов

2.4 Расчетные сила тяги и скорость движения локомотива

3 Силы сопротивления движения

3.1 Основное сопротивление движению

3.2 Дополнительные сопротивления движению

1 Общие положения

1.1 Назначение и сущность тяговых расчетов

При разработке проектов железных дорог необходимо:

разместить устройства и сооружения (раздельные пункты, устройства энергоснабжения, локомотивного и вагонного хозяйства и др.);

запроектировать план и продольный профиль трассы пути (параметры плана и профиля);

решить ряд эксплуатационных задач – определить весовую норму, выбрать тип и мощность локомотива, разместить светофоры, определить пропускную и провозную способность ж.д., установить ограничения скоростей движения поездов по условиям безопасного торможения и т.д.;

Читайте также:  Ремкомплект двигателя ваз ока

оценить и выбрать наиболее рациональные варианты проектных решений.

В процессе эксплуатации составляют плановые графики движения поездов, определяют необходимые возвышения наружного рельса и др.

Все эти задачи требуют умения определять скорости и время движения поезда, максимально-возможную массу состава, а также рассчитывать энергетические показатели (расход топлива или электроэнергии, механическая работа силы тяги и сил сопротивления, работа тормозных сил).

Чтобы решить указанные задачи используют тяговые расчеты, в которых скорость движения поезда увязана с действующими на него силами. При этом использованы известные законы прикладной механики.

силы, действующие на поезд в разных режимах движения;

установим зависимость между равнодействующей, приложенной к поезду, и скоростью и временем движения (уравнение движения поезда);

рассмотрим методы определения скорости и времени хода, а также энергетических показателей (расходы энергоресурсов и другие показатели);

кроме этого, мы изучим тормозные задачи, способы определения массы состава и др.

Нормативные документы

При выполнении тяговых расчетов должны быть выполнены также требования федеральных и ведомственных документов (СП, ПТЭ и другие регламентные материалы).

1.3 Модель поезда

В тяговых расчетах принимается ряд допущений, упрощающих расчеты, но вместе с тем обеспечивающих необходимую точность результата. Например, в большинстве случаев поезд рассматривается как материальная точка, расположенная в центре тяжести поезда (в середине его длины) и концентрирующая в себе всю массу поезда (рисунок 1.1).

Вместе с этим, в некоторых задачах тяговых расчетов длина поезда учитывается дополнительно (протяженность ограничения скоростей по отдельным устройствам, расчет дополнительного сопротивления от кривой и т.д.).

1.4 Силы, действующие на поезд

В тяговых расчетах рассматриваются только те внешние силы, приложенных к поезду, которые направлены по линии движения поезда, так как именно они влияют на поступательное движение поезда по рельсовой колее. К ним относятся: сила тяги F, сила сопротивления движению поезда W и тормозная сила В. Сила тяги и тормозная силы управляемы машинистом, сила сопротивления движения зависит от подвижного состава, плана и продольного профиля, режима движения и других условий эксплуатации.

Полные силы, т.е. приложенные ко всему поезду, измеряются в ньютонах (Н) или килоньютонах (кН).

Удельные силы, приходящиеся на единицу веса поезда, измеряются в Н/кН (вес поезда измеряется в килоньютонах, поскольку масса поезда измеряется в тоннах):

удельная сила тяги

удельное сопротивление движению

удельная тормозная сила

2 С ила тяги локомотива

2.1 Виды тяги и типы локомотивов для грузовых перевозок

На сети железных дорог общего пользования ОАО «РЖД» в поездной работе при грузовых перевозках, в основном, обращаются локомотивы двух видов тяги: электрическая локомотивная и тепловозная. В пассажирском движении при электрической тяге имеет место также моторвагонная тяга (пригородное и скоростное пассажирское движение).

Электровозы постоянного тока: восьмиосные – ВЛ8, ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ11 (две и три секции), 2ЭС6, 2ЭС4К и другие.

Электровозы переменного тока: восьмиосные – ВЛ80 различных индексов, 2ЭС5К и другие.

Тепловозы, в большинстве случаев, имеют электрическую передачу (ТЭ). Источником движения является дизель, работающий на дизельном топливе. От него работает генератор электрической энергии, питающий тяговые электродвигатели. На сети ОАО «РЖД» в настоящее время обращаются тепловозы 2ТЭ10 и 2ТЭ116 различных модификаций, 2ТЭ70, 2ТЭ25К и другие.

В указанных локомотивах использованы тяговые коллекторные электродвигатели постоянного или пульсирующего тока. В последние десятилетия внедряют асинхронный тяговый привод. Асинхронные бесколлекторные двигатели позволяют увеличить надежность эксплуатации за счет исключения коллекторного узла и щеточного аппарата [3]. Уменьшаются расходы на техническое обслуживание, снижаются расходы цветных металлов. Кроме того, возрастает мощность и линейная скорость ротора, а также улучшаются условия сцепления колес с рельсами. КПД асинхронных двигателей увеличивается на 1-2 %.

2.2 Реализация силы тяги

Сила тяги образуется при контакте колес локомотива с рельсами. На ось колесной пары от тягового электродвигателя действует момент М (рисунок 2.1). Этот момент можно разложить на пару сил F1 и F2. Сила F2 приложена в точке касания колеса с рельсом и компенсируется реакцией, равной силе сцепления F, которая должна быть не более 1000рgψk, где р – масса локомотива, приходящаяся на одну ось; ψk— коэффициент сцепления колеса с рельсом.

Так как сила тяги приложена в точке касания колеса и рельса, она называется касательной силой тяги F k .

Таким образом, сила тяги, кН, не может превысить силу сцепления колеса с рельсом. В целом, для локомотива должно быть выполнено условие

Расчетное значение коэффициента сцепления определяют по эмпирическим формулам в зависимости от скорости. Например, для электровоза ВЛ10 и ряда других локомотивов этот коэффициент определяется по формуле

Коэффициенты зависят от типа локомотива и приведены в ПТР. Чем больше скорость, тем коэффициент сцепления меньше, так как при возрастании скорости увеличивается проскальзывание колес.

Источник