Що обмежує швидкість автомобіля?

Що з технічної точки зору, що обмежує максимальну швидкість, яку ви можете досягти за допомогою звичайного автомобіля? Я розумію, що деякі більш швидкі автомобілі з міркувань безпеки обмежені не швидкістю, ніж скажімо, 250 км / год, але це не моє питання.

Я можу подумати з кількох причин, але не впевнений, яка з них актуальна:

1. Чи встановлено обмеження, яке встановлюється деякою частиною (яка?), Якщо я збільшую обертів, як це пропонують червоні позначки на метрах об / хв?
2. Або це швидше те, що ви не можете отримати пальне досить швидко, щоб продовжувати збільшувати оберти?
3. Або це те, що тертя / перетягування збільшуються, коли ви прискорюєте роботу, і двигун не може це подолати, оскільки він може створювати лише максимальну силу / крутний момент? Якщо так, від чого залежить ця кількість крутного моменту / сили?

Є кілька простих причин, через які швидкість руху транспортного засобу (незважаючи на умови дорожнього руху) може бути обмежена:

1. Шестірня - виробничі машини зі звичайними трансмісіями мають обмежену кількість передач. Для більшості сучасних автомобілів це зазвичай 5 або 6, тоді як для старих транспортних засобів може бути менше 2 або 3. Якщо передаточне число найвищої передачі занадто низьке ("нижчі" передачі виражаються як більші числові коефіцієнти), це цілком можливо, що двигун почервоніє, перш ніж опір повітря стане фактором. Це пов'язано з вашою першою точкою про червону зону на тахометрі. Якщо ви досягли червоної лінії, яка є максимальною швидкістю обертання вашого двигуна, але у вас немає вищої передачі для перемикання, ви не зможете їхати швидше, не пошкодивши двигун.

2. Перетягування - Як і будь-який фізичний об'єкт, автомобілі піддаються опору повітря та іншим джерелам тягання (опір коченню тощо). Якщо затягування автомобіля перевищує кількість потужності, яку двигун здатний виробляти на колеса, то ваша швидкість знову обмежена.

3. Обмежувачі швидкості - Варто зазначити, що транспортні засоби майже завжди обмежені швидкістю в ECU (Блок управління двигуном) з безпеки або з юридичних причин. Якщо ECU виявить, що колеса крутяться з достатньо швидкою швидкістю, це знизить потужність двигуна, щоб запобігти швидкому руху автомобіля. Цей захист можна обійти за допомогою післяпродажного ECU або з модифікацією на запас. Наприклад, деякі модельні роки Honda Civic обмежені швидкістю до приблизно 120 миль / год (190 км / год).

4. Рейтинг шин - Усі шини мають певний показник швидкості, який, швидше за все, набагато менший, ніж фактична максимальна швидкість вашого автомобіля. Рейтинг швидкості - це одна буква і є частиною коду шини (див. Тут для отримання додаткової інформації). Наприклад, тимчасові запасні шини можуть бути обмежені лише 130 миль / год (130 км / год), перш ніж вони будуть небезпечно зазнати вибуху.

5. Стабільність / аеродинаміка - це не інженерна перспектива, ніж практична, але для "звичайного" автомобіля буде певний момент, що підвіска та інші компоненти не є достатніми для того, щоб автомобіль рухався прямо по дорозі в безпечна мода. Анекдотичні докази, які підтверджують цю точку, надходять у формі розповіді про старий американський автомобіль 70-х років повного розміру, який, коли його брали до тризначної швидкості, не мав аеродинамічних можливостей утримувати передні колеса на землі. Коротше кажучи, підйомник із повітря, що рухається під машиною, підніс передні колеса від землі у жахливу швидкісну «колісну». Хоча цей процес технічно не спричинив гальмування автомобіля, він, безумовно, ускладнював управління на цій швидкості.

Отже, що обмежує швидкість - це поєднання двох речей: потужність двигуна з передачею та кочення та опір повітря.

До 40 км / год опір коченню - найбільший опір, але вище, ніж швидкість опору повітря є домінуючим фактором і збільшується, чим швидше ви йдете.

Потужність двигуна фіксована (нормальна настройка тощо), але передача також важлива - двигун потужністю 200 к.с. може живити сільськогосподарський трактор або акуратний спортивний автомобіль.

Після того як загальний опір дорівнює потужності, наявної на колесах, ви швидше не їдете.

Фізика вас зупиняє. Коли-небудь їздити на велосипеді? 25 миль / год легко, 30 важких, 40 потребує спеціальної передачі або дуже накачаного кузова, а 50 майже неможливо. Чому зусилля стають такими крутими для таких невеликих збільшення швидкості? Повітря.

Аеродинамічне перетягування

Опір коченню є домінуючим фактором, коли ваш автомобіль їде повільно - ось чому їх так важко натиснути. Але на більш високих швидкостях правлячим фактором є аеродинамічне перетягування. Це тому, що опір коченню досить лінійне. Повітряне перетягування не є , і є принаймні фактором другого порядку - воно відбувається як вантажний потяг з більшою швидкістю. Насправді я чув потяги вугілля, які можуть навантажувати 40 миль / год, можуть робити лише близько 35 порожніх. Це тому, що кожен порожній вугільний автомобіль - це великий совок, що ловить вітер. А опір коченню близький до нуля для поїзда.

Доступна потужність

Очевидно, що аерозатягання врівноважене по потужності, яку двигуни можуть застосовувати проти нього. Вони могли б отримати цей порожній вугільний потяг до 70 миль / год, якщо поставити на ньому чотири рази локомотиви.

Ви говорите про автомобілі, тож питання про те, скільки батарей може поставити і мотор-контролер може штовхати, не завдаючи шкоди. Або оскільки ви припускаєте автомобілі, що працюють на паливі, мова йде про те, скільки повітря може рухатися двигун . Додавати правильну кількість палива легко. Повітряний потік вирішується за допомогою настройки - впускний / витяжний канал / перенесення / резонанс, розмір та кількість клапанів, кемпінг, подібні речі. (Також червона лінія двигуна (макс. Оборотів в хвилину), але якщо ваш протокол / резонанс налаштований таким чином, збільшення червоної лінії призведе до зміни, цей двигун буде працювати погано на вулиці.)

Передача також може бути фактором. У мене був автомобіль, який бився на своїй максимальній швидкості. Четверта передача була занадто високою, щоб можна було розганятися. Третя передача поставила його повз свій пік кінських сил, тому чим швидше ви їхали, тим менше кінських сил у вас було. Передача була все неправильна для швидкості, але це було чудово для вуличної розваги, вишуканості та MPG, за що я заплатив.

Типовий неспортивний вуличний автомобіль, як Ford Flex, ймовірно, вдарить фізичні межі аеродинамічного перетягування, перш ніж він потрапить у точку, де комп’ютер би обертав обмеження або MPH-межа.

Для сучасних автомобілів високої продуктивності, побудованих приблизно від 2000 року до сьогодні (2018), відповідь проста: зчеплення шин .

Продуктивність та управління двигуном вже досягли рівня, який може перевершити, скільки шин зчеплення мають дороги. Коли ви намагаєтеся витратити більше енергії, ніж можуть справити ваші шини, це ковзання коліс.

Більшість людей були б знайомі з ковзанням коліс від стоянок (наприклад, при перетягуванні) та коли машини рухаються повільно (коли люди навмисно спалюють гуму). Цей тип ковзання був усунений, дозволяючи процесору керувати гальмами (контроль тяги).

Далі йде колісне ковзання, про яке ми маємо справу. Ковзання колеса під час руху з максимальною швидкістю. Традиційним виправленням цього було модифікація аеродинаміки автомобіля та додавання сили, щоб в основному штовхати машину на дорогу.

Тепер ми дійшли до того етапу, коли додавання ще більшої сили вниз призведе до збільшення тягання та зниження продуктивності. Але наші найефективніші двигуни все ще можуть генерувати ковзання колеса.

Однак, паралельно з розвитком двигунів, прогрес у галузі хімії та дизайну шин також сприяв збільшенню максимальної швидкості автомобіля, збільшуючи швидкість, з якою шина може управляти, перш ніж втратити зчеплення. Тепер, коли ми дійшли до того, що наші кращі двигуни можуть постійно виводити з ладу шини, обмежуючим фактором струму є зчеплення шин.

Виявити суто теоретичний межа, що повністю залежить від меж опору кочення шини та вологозахисту. Отже ось робота.

Формули

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

ПРИМІТКА. Я використовую значення моделі Tesla 3.

Відомі значення

• А = 0,23 м ²
• г = 9.80665 м / с ²
• м = 1611 кг
• $\mu_s$
• $\mu_d$
• р = 1,2754 кг / м ³

Припущення

• Автомобіль ідеально перпендикулярний силі тяжіння.
• Автомобіль знаходиться на рівні моря.
• Умови ідеальні.
• Потужність двигуна нескінченна.

Результати

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

Ви, наприклад, не вказали автомобіль із прямим приводом. Навіть для транспортних засобів з прямим приводом обмежувальна швидкість встановлюється в кінцевому рахунку, розробляючи аеродинаміку, щоб уберегти автомобіль від зльоту та польоту.

Востаннє я перевірив, що рекорди наземної швидкості були встановлені з автомобілями екстремального дизайну, реактивними або реактивними, з неймовірно спеціалізованими колесами та гальмами (стандартні диски просто розліталися б на високих частотах обертів) серед інших частин.

Підсумовуючи, коли нові матеріали розробляються з дедалі більшими співвідношеннями сили та маси, рекорди щодо швидкості руху на суші, ймовірно, будуть продовжувати порушуватися.