Điều gì giới hạn tốc độ của một chiếc xe hơi?

Từ góc độ kỹ thuật, điều gì giới hạn tốc độ tối đa bạn có thể đạt được với một chiếc xe thông thường? Tôi hiểu rằng một số chiếc xe nhanh hơn là vì lý do an toàn giới hạn không chạy nhanh hơn 250 km / h, nhưng đó không phải là câu hỏi của tôi.

Tôi có thể nghĩ ra một vài lý do, nhưng không chắc cái nào trong số này có liên quan:

1. Là giới hạn được đặt bởi một số phần (mà?) Sẽ phá vỡ nếu tôi tăng vòng / phút, như được đề xuất bởi các dấu đỏ trên mét vòng / phút?
2. Hay đúng hơn là bạn không thể nạp nhiên liệu đủ nhanh để tiếp tục tăng vòng tua máy?
3. Hay là ma sát / lực cản tăng lên khi bạn tăng tốc và động cơ không thể khắc phục điều này vì nó chỉ có thể tạo ra một lực / mô-men xoắn tối đa? Nếu có, lượng mô-men / lực này phụ thuộc vào cái gì?

Có một vài lý do đơn giản khiến tốc độ của một chiếc xe (điều kiện đường xá không được hiểu rõ) có thể bị hạn chế:

1. Gearing - xe sản xuất hộp số thông thường có một số giới hạn các bánh răng. Đối với hầu hết các xe hiện đại, con số này thường là 5 hoặc 6, trong khi những chiếc xe cũ hơn có thể chỉ có 2 hoặc 3. Nếu tỷ số truyền của bánh răng cao nhất quá thấp (bánh răng "thấp hơn" được biểu thị bằng tỷ số số lớn hơn), thì đó hoàn toàn là có thể động cơ sẽ chuyển hướng trước khi sức cản không khí trở thành một yếu tố. Điều này liên quan đến điểm đầu tiên của bạn về vùng màu đỏ trên máy đo tốc độ. Nếu bạn đã đạt đến đường dây đỏ, tốc độ quay tối đa của động cơ của bạn, nhưng không có bánh răng cao hơn để chuyển sang, thì bạn không thể đi nhanh hơn mà không làm hỏng động cơ của bạn.

2. Kéo - Giống như bất kỳ vật thể vật lý nào, ô tô phải chịu lực cản không khí và các nguồn lực kéo khác (lực cản lăn, v.v.). Nếu lực kéo trên xe vượt quá lượng năng lượng mà động cơ có khả năng sản xuất tới các bánh xe, thì tốc độ của bạn lại một lần nữa bị giới hạn.

3. Bộ hạn chế tốc độ - Điều đáng nói là các phương tiện sản xuất hầu như luôn bị giới hạn tốc độ trong ECU (Bộ điều khiển động cơ) vì lý do an toàn hoặc pháp lý. Nếu ECU phát hiện các bánh xe đang quay với tốc độ đủ nhanh, nó sẽ cắt điện cho động cơ để ngăn xe đi nhanh hơn. Có thể phá vỡ sự bảo vệ này bằng một ECU hậu mãi hoặc với một sửa đổi đối với chứng khoán. Ví dụ, một số năm mô hình của Honda Civic bị giới hạn tốc độ trong khoảng 120 dặm / giờ (190 km / h).

4. Xếp hạng lốp xe - Tất cả các lốp xe đều có một mức tốc độ nhất định, có thể thấp hơn nhiều so với tốc độ tối đa thực tế của chiếc xe của bạn. Xếp hạng tốc độ là một chữ cái duy nhất và là một phần của mã lốp xe (xem tại đây để biết thêm thông tin). Ví dụ, lốp dự phòng tạm thời có thể bị giới hạn chỉ 80 dặm / giờ (130 km / h) trước khi chúng có nguy cơ sắp xảy ra tình trạng xả đạn.

5. Ổn định / Khí động lực học - Đây không phải là một quan điểm kỹ thuật so với thực tế, nhưng đối với một chiếc xe "thông thường" sẽ có một điểm nhất định rằng hệ thống treo và các bộ phận khác không đủ để giữ cho chiếc xe lái thẳng xuống đường thời trang an toàn. Bằng chứng giai thoại để hỗ trợ điểm này xuất hiện dưới dạng một câu chuyện về một chiếc xe Mỹ cỡ lớn thập niên 70 mà khi đạt tốc độ ba chữ số, không có khả năng khí động học để giữ bánh trước trên mặt đất. Nói tóm lại, lực nâng từ không khí di chuyển dưới xe đã nâng bánh trước lên khỏi mặt đất thành một "bánh xe" tốc độ cao đáng sợ. Mặc dù quá trình này không về mặt kỹ thuật khiến chiếc xe chạy chậm lại, nhưng chắc chắn nó đã gây khó khăn cho việc điều khiển ở tốc độ đó.

Vì vậy, những gì giới hạn tốc độ là sự kết hợp của hai điều: sức mạnh từ động cơ với bánh răng và lực cản và không khí.

Lên đến xấp xỉ 40mph, lực cản lăn là điện trở lớn nhất, nhưng trên đó, sức cản không khí tốc độ là yếu tố chi phối và tăng tốc độ bạn đi nhanh hơn.

Công suất động cơ là cố định (điều chỉnh ok, v.v.) nhưng việc truyền động cũng rất quan trọng - một động cơ 200bhp có thể cung cấp năng lượng cho máy kéo nông nghiệp hoặc xe thể thao gọn gàng.

Khi tổng điện trở bằng với công suất có sẵn ở các bánh xe thì bạn không đi nhanh hơn nữa.

Vật lý ngăn bạn lại. Bao giờ đi xe đạp? 25 mph là dễ dàng, 30 là khó khăn, 40 yêu cầu thiết bị đặc biệt hoặc một cơ thể rất được bơm lên, và 50 là không thể. Tại sao những nỗ lực trở nên dốc cho tốc độ tăng nhỏ như vậy? Không khí.

Lực cản khí động học

Lực cản lăn là yếu tố chi phối khi xe của bạn chạy chậm - đó là lý do tại sao chúng rất khó đẩy. Nhưng ở tốc độ cao hơn, yếu tố cầm quyền là lực cản khí động học. Đó là bởi vì lực cản lăn khá tuyến tính. Kéo không , và ít nhất là một yếu tố thứ hai - nó xuất hiện giống như một chuyến tàu chở hàng ở tốc độ cao hơn. Trong thực tế, tôi đã nghe nói các đoàn tàu than có thể tải 40 dặm / giờ, chỉ có thể làm khoảng 35 lần trống. Đó là bởi vì mỗi chiếc xe than rỗng là một muỗng lớn, đón gió. Và lực cản lăn gần bằng không cho một chuyến tàu.

Nguồn điện có sẵn

Rõ ràng, lực cản aero được cân bằng với sức mạnh mà động cơ có thể áp dụng chống lại nó. Họ có thể có được chuyến tàu than rỗng tới 70 dặm / giờ nếu họ đặt bốn lần đầu máy xe lửa lên nó.

Bạn đang nói về xe hơi, vì vậy vấn đề là pin có thể cung cấp bao nhiêu và bộ điều khiển động cơ có thể đẩy mà không bị hư hại. Hoặc vì bạn đang giả sử những chiếc xe chạy bằng nhiên liệu, nên động cơ có thể di chuyển qua bao nhiêu không khí . Thêm lượng nhiên liệu chính xác là dễ dàng. Luồng khí được quyết định bằng cách điều chỉnh - ống dẫn / ống xả / cộng hưởng / kích thước, kích thước van và số, camming, những thứ như thế. (Cũng là đường dẫn động cơ (RPM tối đa), nhưng nếu ống dẫn / cộng hưởng của bạn được điều chỉnh nên việc nâng đường đỏ sẽ tạo ra sự khác biệt, động cơ đó sẽ chạy khá kém trên đường phố.)

Thiết bị cũng có thể là một yếu tố. Tôi đã có một chiếc xe vật lộn với tốc độ tối đa của nó. Thiết bị thứ tư quá cao để có thể tăng tốc. Thiết bị thứ ba đưa nó vượt qua đỉnh mã lực của nó, vì vậy bạn càng đi nhanh, bạn càng có ít mã lực. Thiết bị hoàn toàn sai về tốc độ, nhưng thật tuyệt vời cho niềm vui lái xe trên đường phố, sự tinh tế và MPG, đó là những gì tôi đã trả tiền.

Một chiếc xe đường phố không thể thao điển hình như Ford Flex có khả năng đạt giới hạn vật lý của lực cản khí động học trước khi nó đạt đến điểm mà máy tính sẽ giới hạn hoặc giới hạn MPH.

Đối với những chiếc xe hiệu suất cao hiện đại, được chế tạo sau khoảng năm 2000 cho đến ngày hôm nay (2018), câu trả lời rất đơn giản: độ bám lốp .

Hiệu suất và quản lý động cơ đã đạt đến một mức độ có thể vượt trội hơn bao nhiêu lốp xe bám trên đường. Điều gì xảy ra khi bạn cố gắng sử dụng nhiều năng lượng hơn lốp xe của bạn có thể xử lý là trượt bánh xe.

Hầu hết mọi người sẽ quen với trượt bánh xe từ khi bắt đầu đứng (như trong đua xe kéo) và khi xe hơi di chuyển chậm (khi mọi người cố tình đốt cao su). Loại trượt này đã được loại bỏ bằng cách cho CPU điều khiển phanh (kiểm soát lực kéo).

Tiếp đến là trượt bánh xe chúng tôi quan tâm. Bánh xe trượt trong khi di chuyển ở tốc độ cao nhất. Cách khắc phục truyền thống cho việc này là sửa đổi khí động học của xe và thêm lực để cơ bản đẩy xe ra đường.

Bây giờ chúng tôi đã đạt đến giai đoạn mà việc thêm lực xuống nhiều hơn sẽ làm tăng lực cản và giảm hiệu suất. Nhưng động cơ hiệu suất hàng đầu của chúng tôi vẫn có thể tạo ra trượt bánh xe.

Tuy nhiên, song song với việc phát triển động cơ, những tiến bộ trong hóa học và thiết kế lốp xe cũng đã góp phần tăng tốc độ tối đa của xe hơi bằng cách tăng tốc độ mà lốp xe có thể xử lý trước khi mất độ bám. Bây giờ chúng tôi đã đạt đến một điểm mà động cơ tốt nhất của chúng tôi có thể liên tục hỏng lốp, yếu tố hạn chế hiện tại là độ bám của lốp.

Để tìm giới hạn lý thuyết hoàn toàn phụ thuộc hoàn toàn vào giới hạn lực cản lăn của lốp và lực cản không khí. Vì vậy, đây là công việc.

Công thức

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

LƯU Ý: Tôi đang sử dụng các giá trị của mô hình Tesla 3.

Các giá trị đã biết

• A = 0,23 m ²
• g = 9,80665 m / s ²
• m = 1611 kg
• $\mu_s$
• $\mu_d$
• p = 1,2754 kg / m ³

Giả định

• Xe hoàn toàn vuông góc với lực hấp dẫn.
• Xe đang ở mực nước biển.
• Điều kiện là lý tưởng.
• Sức mạnh của động cơ là vô hạn.

Các kết quả

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

Bạn đã không chỉ định một chiếc xe điều khiển bánh răng (lái trực tiếp), cho một điều. Ngay cả đối với các phương tiện truyền động trực tiếp, tốc độ giới hạn được thiết lập cuối cùng bằng cách thiết kế khí động học để giữ cho xe không cất cánh và bay.

Lần kiểm tra cuối cùng, các kỷ lục tốc độ mặt đất đã được thiết lập với những chiếc xe có thiết kế cực đoan, máy bay phản lực hoặc chạy bằng tên lửa, với bánh xe và phanh cực kỳ chuyên dụng (đĩa tiêu chuẩn sẽ bay tách ra ở RPM cao liên quan) giữa các bộ phận khác.

Tóm lại, khi các vật liệu mới được phát triển với tỷ lệ cường độ lớn hơn bao giờ hết, hồ sơ tốc độ đất có thể sẽ tiếp tục bị phá vỡ.