Vetovoima ja vastus ovat kaksi päävoimaa, jotka ovat toistensa vastakohtia ja jotka määrittävät tieajoneuvojen suorituskyvyn. Vetovoima on voima, joka kohdistuu ajoradan pintaan, jotta ajoneuvo voi liikkua eteenpäin. Vastus käsittää kaikki voimat, jotka työntävät ja estävät liikettä. Molemmat ilmoitetaan voimayksikköinä. Yleinen kaava on esitetty alla:
F t = m a + R a + R r l + R g {\displaystyle F_{t}=ma+R_{a}+R_{rl}+R_{g}\,\!}
Missä:
- F t {\displaystyle F_{t}\,\!}
= Tractive Effort
- m {\displaystyle m\,\!}
= Ajoneuvon massa
- a {\displaystyle a\,\!}
= Kiihtyvyys
- R a {\displaystyle R_{a}\,\!}
= Aerodynaaminen vastus
- R r l {\displaystyle R_{rl}\,\!}
= Vierintävastus
- R g {\displaystyle R_{g}\,\!}
= Luiskavastus
Näitä komponentteja käsitellään yksityiskohtaisemmin seuraavissa kappaleissa.
Aerodynaaminen vastus Muokkaa
Aerodynaamisella vastuksella tarkoitetaan voimaa, joka syntyy turbulenttisesta ilmavirtauksesta ajoneuvon korin ympärillä. Tämä turbulenssi riippuu ajoneuvon muodosta sekä ajoneuvon pinnan yli kulkevan ilman kitkasta. Pieni osa tästä vastuksesta johtuu ajoneuvon osien, kuten sisäilmanvaihdon, läpi kulkevasta ilmavirtauksesta. Tämä vastus voidaan arvioida seuraavan kaavan avulla:
R a = ρ 2 A C D V 2 {\displaystyle R_{a}={\frac {\rho }{2}}AC_{D}V^{2}\,\!}
Missä:
- ρ {\displaystyle \rho \,\!}
= Ilman tiheys
- A {\displaystyle A\,\!}
= Ajoneuvon etupinta-ala
- C D {\displaystyle C_{D}\,\!}
= Vetokerroin
- V {\displaystyle V\,\!}
= Ajoneuvon nopeus
Ilmatiheys on korkeuden ja lämpötilan funktio. Etupinta-ala ja ilmanvastuskerroin ovat yleensä yksilöllisiä kullekin ajoneuvolle tai ajoneuvotyypille.
Vierintävastus Muokkaa
Vierintävastus aiheutuu renkaiden ja tienpinnan vuorovaikutuksesta. On olemassa kolme pääasiallista syytä, jotka aiheuttavat tämän vastuksen. Ensimmäinen on renkaan ja tienpinnan jäykkyys. Toinen on rengaspaine ja lämpötila. Kolmas on ajoneuvon käyttönopeus. Tämä vierintäkitkan arvo voidaan laskea hyvin yksinkertaistetulla kaavalla, joka esitetään tässä metrimääräisenä. V {\displaystyle V}
on metreinä sekunnissa.
f r l = 0.01 ( 1 + V 44.73 ) {\displaystyle f_{rl}=0.01(1+{\frac {V}{44.73}})\,\!}
Tämän kitkan aiheuttama vastus kasvaa, kun ajoneuvoon lisätään painoa. Siksi vierintävastus voidaan laskea.
R r l = f r l W {\displaystyle R_{rl}=f_{rl}W\,\!}
Missä:
- W {\displaystyle W\,\!}
= Ajoneuvon paino
- f r l {\displaystyle f_{rl}\,\!}
= Vierintäkitka
LuokkavastusEdit
Luokkavastus on vastuksen yksinkertaisin muoto. Se on ajoneuvoon vaikuttava painovoima. Tämä voima ei välttämättä ole täysin kohtisuorassa ajoradan pintaa vastaan, erityisesti tilanteissa, joissa on kaltevuus. Näin ollen kaltevuusvastus voidaan laskea seuraavalla kaavalla:
R g = W G {\displaystyle R_{g}=WG\,\!}
Jossa:
- W {\displaystyle W\,\!}
= Ajoneuvon paino
- G {\displaystyle G\,\!}
= Aste (pituus/pituus)
VetovoimaEdit
Vetovoima on voima, jonka avulla ajoneuvo pääsee etenemään eteenpäin kolmen edellisen voiman vastusten alaisena. Kaavan johtaminen perustuu eri renkaiden ympärillä vaikuttavien voimien ja momenttien ymmärtämiseen. Se voidaan tiivistää yksinkertaiseksi käsitteeksi, jota havainnollistetaan tässä.
Takavetoiselle autolle:
F m a x = μ W ( l f – f r l h ) / L 1 – μ h / L {\displaystyle F_{max}={\frac {\\mu W(l_{f}-f_{rl}h)/L}}{1-\mu h/L}}}\,\!}
Etuvetoiselle autolle:
F m a x = μ W ( l r + f r l h ) / L 1 + μ h / L {\displaystyle F_{max}={\frac {\mu W(l_{r}+f_{rl}h)/L}{1+\mu h/L}}}\,\!}
Missä:
- F m a x {\displaystyle F_{max}\,\!}
= Maximum Tractive Effort
- μ {\displaystyle \mu \,\!}
= Tien tartuntakerroin
- W {\displaystyle W\,\!}
= Ajoneuvon paino
- l r {\displaystyle l_{r}\,\!}
= Etäisyys taka-akselista ajoneuvon painopisteeseen
- l f {\displaystyle l_{f}\,\!}
= Etäisyys etuakselilta ajoneuvon painopisteeseen
- f r l {\displaystyle f_{rl}\,\!}
= Vierintäkitkakerroin
- h {\displaystyle h\,\!}
= Painopisteen korkeus ajoradan pinnasta
- L {\displaystyle L\,\!}
= Akselivälin pituus
Kaltevuuden laskentaEdit
Suurin osa vetovoimaan liittyvästä työstä kohdistuu tietyn ajoradan sallitun kaltevuuden määrittämiseen. Tietyn tunnetun ajoneuvotyypin käyttäessä tätä tietä, kaltevuus voidaan helposti laskea. Käyttämällä vetovoiman voimatasapainoyhtälöä voidaan erottaa kaltevuuden arvo, jolloin saadaan seuraava kaava:
G = F t – F a – F r l W {\displaystyle G={\frac {F_{t}-F_{a}-F_{rl}}-F_{rl}}{W}}\,\\!}
