Что ограничивает скорость автомобиля?

С инженерной точки зрения, что ограничивает максимальную скорость, которую вы можете достичь на обычном автомобиле? Я понимаю, что некоторые из более быстрых автомобилей по соображениям безопасности ограничены тем, что не могут двигаться быстрее, чем, скажем, 250 км / ч, но это не мой вопрос.

Я могу придумать несколько причин, но не уверен, какая из них актуальна:

1. Не нарушается ли предел, установленный какой-либо частью (которая?), Если я увеличиваю обороты, как это предусмотрено красными отметками на счетчиках оборотов?
2. Или, скорее, вы не можете заправиться достаточно быстро, чтобы увеличить скорость вращения?
3. Или это то, что трение / сопротивление увеличивается, когда вы ускоряетесь, и двигатель не может преодолеть это, поскольку он может генерировать только максимальное количество силы / крутящего момента? Если да, от чего зависит это количество крутящего момента / силы?

Существует несколько простых причин, по которым скорость транспортного средства (несмотря на дорожные условия) может быть ограничена:

1. Передача - серийные автомобили с обычными трансмиссиями имеют ограниченное количество передач. Для большинства современных автомобилей это обычно 5 или 6, в то время как у более старых автомобилей может быть всего 2 или 3. Если передаточное число высшей передачи слишком низкое («более низкие» передаются в виде больших числовых передаточных чисел), это полностью Возможно, что двигатель будет краснеть, прежде чем сопротивление воздуха станет фактором вообще. Это связано с вашей первой точкой о красной зоне на тахометре. Если вы достигли красной линии, которая является максимальной скоростью вращения вашего двигателя, но у вас нет более высокой передачи, то вы не сможете двигаться быстрее, не повредив свой двигатель.

2. Перетаскивание. Как и любой физический объект, автомобили подвержены воздействию воздуха и других источников сопротивления (сопротивление качению и т. Д.). Если сопротивление автомобиля превышает мощность, которую двигатель способен выработать на колесах, то ваша скорость снова ограничивается.

3. Ограничители скорости - Стоит отметить, что серийные автомобили почти всегда ограничены по скорости в ЭБУ (блок управления двигателем) по соображениям безопасности или по юридическим причинам. Если ECU обнаружит, что колеса вращаются с достаточно высокой скоростью, он отключит двигатель, чтобы предотвратить ускорение движения автомобиля. Эту защиту можно обойти с помощью ЭБУ вторичного рынка или модификации стандартного. Например, некоторые модели Honda Civic ограничены в скорости до 120 миль в час (190 км / ч).

4. Рейтинги шин - все шины имеют определенный рейтинг скорости, который, вероятно, намного меньше фактической максимальной скорости вашего автомобиля. Оценка скорости - одна буква и является частью кода шины (см. Здесь для получения дополнительной информации). Например, временные запасные шины могут быть ограничены до 80 миль в час (130 км / ч), прежде чем они могут столкнуться с угрозой выброса.

5. Стабильность / аэродинамика - это не столько инженерная перспектива, сколько практическая, но для «обычной» машины будет определенный момент, когда подвеска и другие компоненты недостаточны для того, чтобы автомобиль двигался прямо по дороге в безопасная мода. Неопровержимые свидетельства в поддержку этого положения приводятся в виде рассказа о старом полноразмерном американском автомобиле 70-х годов, который, когда его поднимали до трехзначных скоростей, не имел аэродинамических возможностей удерживать передние колеса на земле. Короче говоря, подъем от воздуха, движущегося под автомобилем, поднял передние колеса с земли в ужасное скоростное «колесо». Хотя этот процесс технически не приводил к замедлению автомобиля, он определенно затруднял управление на этой скорости.

Итак, что ограничивает скорость, это комбинация двух вещей: мощность от двигателя с передачей и сопротивление качению и воздуху.

До приблизительно 40 миль в час сопротивление качению является самым большим сопротивлением, но выше этой скорости сопротивление воздуха является доминирующим фактором и увеличивается, чем быстрее вы едете.

Мощность двигателя фиксированная (нормальная настройка и т. Д.), Но также важна трансмиссия - двигатель мощностью 200 л.с. может приводить в действие сельскохозяйственный трактор или аккуратный спортивный автомобиль.

Как только общее сопротивление станет равным мощности, доступной на колесах, вы не будете двигаться быстрее.

Физика останавливает тебя. Когда-нибудь ездить на велосипеде? 25 миль в час - это легко, 30 - это трудно, 40 требует специального снаряжения или очень накачанный кузов, а 50 почти невозможно. Почему усилие становится таким крутым для такого небольшого увеличения скорости? Воздуха.

Аэродинамическое сопротивление

Сопротивление качению является доминирующим фактором, когда ваша машина едет медленно - вот почему их так сложно толкать. Но на более высоких скоростях правящим фактором является аэродинамическое сопротивление. Это потому, что сопротивление качению довольно линейно. Аэродинамическое сопротивление не является и, по крайней мере, является фактором второго порядка - оно идет как грузовой поезд на более высоких скоростях. На самом деле я слышал, что угольные поезда, которые могут разогнаться до 40 миль в час, могут разгрузить только около 35 миль в час. Это потому, что каждая пустая угольная машина - большой ковш, ловящий ветер. И сопротивление качению близко к нулю для поезда.

Доступная мощность

Очевидно, что аэродинамическое сопротивление сбалансировано с мощностью, которую двигатели могут применить против него. Они могли бы разогнать этот пустой поезд с углем до 70 миль в час, если бы на него поместили локомотивы в четыре раза больше.

Вы говорите об автомобилях, поэтому вопрос состоит в том, сколько аккумуляторов можно поставить, а контроллер мотора может толкать, не получая повреждений. Или, поскольку вы выбираете автомобили с бензиновым двигателем, речь идет о том, сколько воздуха может пройти двигатель . Добавить правильное количество топлива легко. Поток воздуха определяется настройкой - впускной / выпускной воздуховоды / портирование / резонанс, размер и количество клапанов, кулачок, все в таком духе. (Также красная линия двигателя (максимальное число оборотов в минуту), но если ваш воздуховод / резонанс настроен так, что увеличение красной линии будет иметь значение, то двигатель будет работать очень плохо на улице.)

Передача также может быть фактором. У меня была машина, которая боролась на максимальной скорости. Четвертая передача была слишком высокой для ускорения. Третья передача позволила ему преодолеть максимальную мощность, поэтому чем быстрее вы поехали, тем меньше лошадиных сил у вас было. Передача не подходила для скорости, но она отлично подходила для уличного вождения, доработки и MPG, за что я и заплатил.

Типичный не спортивный спортивный уличный автомобиль, такой как Ford Flex, вероятно, достигнет физических пределов аэродинамического сопротивления, прежде чем он достигнет точки, где компьютер будет ограничивать обороты или MPH.

Для современных высокопроизводительных автомобилей, построенных после 2000 года и до сегодняшнего дня (2018 год), ответ прост: сцепление шин .

Эксплуатационные характеристики и управление двигателем уже достигли уровня, который может превзойти то, сколько шин имеют сцепление на дороге. То, что происходит, когда вы пытаетесь приложить больше энергии, чем ваши шины могут выдержать, это пробуксовка колес.

Большинство людей знакомы с пробуксовкой колес с места стоя (например, в гонках на драг) и когда машины движутся медленно (когда люди намеренно сжигают резину). Этот тип скольжения был устранен, позволяя процессору управлять тормозами (контроль тяги).

Затем идет проскальзывание колеса, которое нас интересует. Колесо проскальзывает при движении на максимальной скорости. Традиционным решением этой проблемы было изменение аэродинамики автомобиля и добавление силы, чтобы толкать автомобиль к дороге.

Теперь мы достигли стадии, когда добавление еще большего прижимного усилия увеличит сопротивление и снизит производительность. Но наши высокопроизводительные двигатели все еще могут генерировать пробуксовку колес.

Тем не менее, параллельно с разработкой двигателя, достижения в области химии и дизайна шин также способствовали увеличению максимальной скорости автомобиля за счет повышения скорости, с которой шина способна справиться, прежде чем потерять сцепление с дорогой. Теперь, когда мы достигли точки, когда наши лучшие двигатели могут постоянно выходить из строя шины, ограничивающим фактором является сцепление шин.

Найти чисто теоретический предел, полностью зависящий от пределов сопротивления качению шины и сопротивления воздуха. Итак, вот работа.

Формулы

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

ПРИМЕЧАНИЕ: я использую значения модели Тесла 3.

Известные значения

• А = 0,23 м ²
• г = 9,80665 м / с ²
• м = 1611 кг
• $\mu_s$
• $\mu_d$ = 0,23
• р = 1,2754 кг / м ³

Предположения

• Автомобиль идеально перпендикулярен силе тяжести.
• Автомобиль на уровне моря.
• Условия идеальные.
• Мощность двигателя бесконечна.

Результаты

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

Во-первых, вы не указали автомобиль с прямым приводом (с прямым приводом). Даже для автомобилей с прямым приводом предельная скорость устанавливается в конечном итоге за счет разработки аэродинамики, чтобы автомобиль не взлетал и не летал.

В последний раз, когда я проверял, рекорды скорости движения были установлены на автомобилях экстремального дизайна, реактивных или ракетных, с невероятно специализированными колесами и тормозами (стандартные диски просто разлетелись бы на высоких оборотах) среди других частей.

В итоге, по мере того, как новые материалы разрабатываются с постоянно увеличивающимся отношением прочности к массе, рекорды скорости на суше, вероятно, будут и дальше побиваться.