Что влияет на максимальную скорость автомобиля

Одна из характеристик автомобиля — максимальная скорость. Для обычного водителя она не такая значимая, как расход топлива или время разгона машины до 100 км/ч, но тоже является важным показателем. Максимальная скорость можно назвать мерилом совершенства машины.

От чего зависит максимальная скорость авто

Максимальная скорость зависит от множества факторов, главные из них это:

• ─ двигатель;
• ─ колеса (диаметр колес, ширина шин, сцепление с дорогой, давление в шинах);
• ─ масса автомобиля;
• ─ обтекаемость кузова;
• ─ настройка подвески (клиренс и т.д.), трансмиссии (передаточные числа);
• ─ и др.

Кроме этого на максимальную скорость влияют внешние воздействие, например, погода (холодно — хуже катятся шины, жарко — не развивает полной мощности двигатель, моросящий дождик уменьшит скорость на 2-3 км/ч, ветерок убавит/прибавит 5-7 км/ч, пониженное давление — немного увеличит скорость и т.д.) или качество дорожного покрытия.

Как увеличить максимальную скорость машины

Чаще всего, чтобы повысить максимальную скорость форсируют двигатель. А Вы задумывались, как можно сделать машину быстрее без помощи такого тюнинга? Подобный эксперимент провел журнал ЗаРулем. В качестве подопытного был выбран авто ВАЗ 21103 (по паспорту эта модификация Лады имеет максимальную скорость 185 км/ч). Испытания провели на Дмитровском автополигоне за один вечер при температуре воздуха +24 градуса. Участок выбрали такой, чтобы порывы ветра приходились поперек.

Результаты испытаний представлены в таблице:

Это не предел! Чтобы еще увеличить максимальную мощность можно было уменьшить дорожный просвет, заменить шины Л-5 на шины высокого давления с пониженным коэффициентом сопротивления качению, днище автомобиля сделать ровным, полностью закрыть колесные ниши, установить в ступицы улучшенные подшипники и установить толковый спойлер. С такими доработками максимальная скорость «десятки» могла бы приблизиться к 200 км/ч.

Кстати, в данном примере увеличение максимальной скорости на 7,1 км/ч было эквивалентно форсированию двигателя на 9кВт/12 л.с. Напомним, чтобы немного увеличить мощность автомобиля достаточно залить бензин с увеличенным октановым числом и улучшить подачу воздуха в цилиндры, например, установить фильтр нулевого сопротивления.

The factors that affect a car’s top speed — IMHO — can be grouped to the power train factors :

• engine power
• gear box and differential ratios
• size of the wheel

and to the losses:

• overall aerodynamic coefficient of drag
• friction related loses (e.g. wheel resistance), (however for the top speed it has a negligible effect).

Usually regarding the losses the top speed is mainly affected by the aerodynamic drag force $F_D$ which is
$$F_D =\frac{C_D}{2} A \rho u^2 $$
where:

• $F_D $ is the aerodynamic force in N
• $A$ is the frontal crosssectional area of the car
• $\rho$ is the density of the air (changes only with altitude and temperature)
• $u$ is the velocity of the car
• $C_D $ is drag coefficient

Engine power

The engine power output has a significant effect. Below is a graph that shows the torque and the power. Observe that the maximum torque and the maximum power occur at different rpm. E.g. in this engine the max power is at approximately 5500rpm, (while max torque is at 3500 rpm)

Figure : engine power and torque curves for a car ICE engine of about 150 hp (source carthrottle.com )

The top speed is theoretically reached at the maximum power output, and the highest gear.

The top speed can be approximated by equating the car engine power and the losses (i.e. drag) using the following equation:

$$P = \color{red}{F_D} \cdot u = \color{red}{\frac{C_D}{2} A \rho u^2} \cdot u $$

so the top theoretical (see below why this is stressed) speed that engine can reach is:

$$u = \sqrt[3]{\frac{2 P}{C_D A \rho }}$$

if the data in the original question presented is revisited (in tabular format)

and the equation is applied, then you see because the ratio of power is about 1.56 ($=\frac{470}{300}$), then the ratio of the theoretical speeds should be $1.16 = \sqrt[3]{1.56}$. So (setting as reference car A), then the theoretical speed of car B should have been about 137 mph (which about 10% greater).

This difference can be attributed to A) the AWD which has greater frictional losses in the drivetrain, B) the gearbox setting (usually) AWD vehicles are load carrying so the acceleration is more important than the top speed.

UPDATE: Additionally a third reason (thanks to TigerGuy’s comment), that the theoretical ratio is different is that these two cars might have dissimilar Coefficient of drag $C_D$ And different crosssectional areas. As a result the aerodynamic losses are not directly comparable.

Gearbox

Although, theoretically the top speed is determined by power and aerodynamic drag, the gearbox plays an important role. First of all, (my pardon for being so pedantically detailed), the gearbox determines the compromise between the acceleration and top speed.

For simplicity purposes I will consider the differential as part of the gear box (so I will consider the ratio of the entire drivetrain). I will denote the entire drivetrain as $i_d$, and its defined as:

$$i_d = \frac{n_{engine}}{n_{wheels}}$$

To make more clear what I’m saying, is that if in the above example of the car with 150hp at 5500 rpm, the $i_d$ was equal to 1, and the car had a tire diameter of $d_W=0.5m$, then at the max power the speed would have been:

$$u= \frac{2\cdot \pi}{60} \cdot \frac{n_{engine}}{i_d} \frac{d_W}{2} = 904 \frac{m}{s}$$

so it would be supersonic (speed of sound is 340 m/s). So why don’t we do that?

The problem is that if the gear ratio is too low, then the torque (and therefore the force applied from the tires is too small). On the other had if the drivetrain ratio is high, then the forces on the tires would be too high (and the tires would lose traction — think accelerating in a manual car to hard in 1st gear).

So there is an optimal range, that determines the drivetrain gear ratio.

For example, for Car A (we know the max power of 470hp, and the max speed is 160pmh) if we assume that the max power is reached at 6000 rpm, and the tire diameter is 0.5m, then the overall theoretically optimal drivetrain can be calculated to be
$$i_d= \frac{\pi \cdot n_{engine} \cdot d_w}{ u}$$
$$i_d= 13.8$$

(there is a small asterisk here, which has to do with the exact definition of the car engine rpm (see this, but this is not pertinent to the discussion).

tire size

Tire size is in effect an extension to the gearbox and the differential. By reducing the size of the wheel you can have better acceleration at the expense of top speed (and the inverse is true).

So if you are interested in the top speed, you should select larger wheels. The downside is that it will take you longer to reach a velocity (e.g. 60mph). In general though, the size of the tires, and the differential and the gearbox are set to optimal values.

UPDATE: Calculation of theoretical top speed ratio

The theoretical velocity for car A is $uA = \sqrt[3]{\frac{2 P_A}{C_{D,A} A_A \rho }}$ and for B is $u_B = \sqrt[3]{\frac{2 P_B}{C_{D,B} A_B \rho }}$, then the ratio
$$\frac{u_A}{u_B} = \sqrt[3]{\frac{P_A}{P_B}\cdot \frac{C_{D,B} A_{B} }{C_{D,A} A_A }}$$

Что влияет на максимальную скорость машины?

Далеко не каждый автомобиль может достичь максимального показателя на спидометре. 

Фото: drive2.ru

Если привести человека, не разбирающегося в
автомобилестроении в автосалон, то он выберет машину, которая будет ехать
быстрее. Такой логикой обычно пользуются детишки, когда они через стекло
пытались разглядеть максимальную цифру на спидометре. В настоящее время эти
цифры наносятся с запасом.

Факторы, оказывающие влияние на реальную скорость машины:

Погода 

Обычно испытатели проводят измерение
максимальной скорости в двух направлениях. Это нужно для того, чтобы
воздействие ветра не препятствовало развитию скорости. Даже если ветра не будет
вообще, разница скорости в разных направлениях будет достигать и десяти
километров в час. Плотность воздуха зависит от атмосферного давления, а значит
и от сопротивления движению. При низком давлении показатели также не самые
лучшие, потому что цилиндры будут наполняться хуже, а мощность мотора будет
снижена. В дождливую погоду плотность среды повышается, а это отрицательно
сказывается на возможностях автотранспорта.

Фото: drive2.ru

Аэродинамика

Когда на кузове есть антенны, боковые
зеркала, брызговики, то это влечет появление дополнительного сопротивления
движению. Максимальная скорость будет понижена на шесть процентов. Очистители
стекла сокращают скорость на процент, а открытые окна и багажник на крыше – на десять
процентов.

Колеса и
покрышки

Спущенное давление в шинах повышает
сопротивление качению и снижает скорость авто. Такое же действие возникает в
случае, если сбит угол положения колес. В большинстве случаев это происходит во
время эксплуатации транспортного средства, поэтому необходимо постоянно
контролировать параметр.

Коробка передач

В случае, если хоть одна часть трансмиссии
находится в неисправном состоянии, на колеса будет передаваться не вся
имеющаяся мощность мотора. Снижение скорости может возникнуть и из-за
проскальзывания фрикционов или ремня у вариаторов. Помимо этого, данные явления
могут случиться при блокировке гидравлического трансформатора АКПП.

Двигатель

Речь идет не о серьезной поломке, а о мелких дефектах. Скорость еще
зависит и от качества применяемого топлива. Но есть и другой случай – если вы водитель
использует АИ-92 вместо АИ-95, то мотор будет тормозить.

Дорога

Фото: masmotors.ru

Показатель скорости зависит и от наличия уклонов
на дорожном полотне. Свою долю в этом деле оставляет и неровное дорожное
покрытие.

Высокая нагрузка

Чем больше вес, тем меньше максимальная
скорость. Дело в том, что под высокой нагрузкой растет сопротивление резины,
что и приводит к медленной езде.

Вывод

Максимальная скорость зависит от большого количества факторов. Автомобили
с одним и тем же показателем не всегда могут преодолевать определенные участки
дорог на одинаковой скорости.

Больше об авто в Телеграм-канале
Подписаться

Недопонимание происходит из-за того, что в технических характеристиках к автомобилю указывается максимальная мощность. По науке такая мощность называется номинальной и достигается при высоких оборотах и полном дросселе. А поскольку такой режим в жизни почти не используется, эта самая мощность определяет в основном максимальную скорость автомобиля, которая волнует только пубертатных гонщиков.

Вот пиковый момент – другое дело. Он достигается при средних, а иногда и низких оборотах и косвенно определяет реальный темп разгона, потому что большую часть времени мы и елозим в середине шкалы тахометра. Однако не все так однозначно.

Сразу внесем ясность – мощность и момент связаны жесткой зависимостью:

(Момент, Н*м)=9550*(Мощность, кВт)/(частота вращения, об/мин).

Например, если двигатель Renault Logan развивает 82 л.с. (60,5 кВт) при 5000 об/мин, несложно посчитать, что при этой частоте он выдает 115 Н*м. При этом пиковый момент составляет 134 Н*м при 2800 об/мин. Кстати, соотношение этих двух моментов во многом определяет удобство управления автомобилем в тяжелых условиях. Если пиковый момент существенно превосходит таковой при максимальных оборотах, у двигателя появляется тракторная тяговитость: чем больше его грузишь, тем упорнее он сопротивляется.

Как бы то ни было, характеристики разгона во многом определяются кривой крутящего момента. Она называется внешней скоростной характеристикой, и ее форма может многое рассказать инженерам. Например, если момент растет от низких частот этак до 5000 об/мин, после чего резко скисает – скорее всего, речь о «крученом» моторе, форсированном по частоте: такие любят спортсмены и Honda. Если «горб» крутящего момент достигается, скажем, при 1250 об/мин, а к 2000 об/мин от него не остается и половины – речь о каком-то двигателе-тяжеловесе, призванном таскать прицепы и рыхлить землю. Чудеса современного турбонаддува позволяют создать двигатели с «полками» крутящего момента, когда он остается постоянным в довольно широком диапазоне оборотов. Ездить на таких моторах одно удовольствие: когда ни нажми педаль, следует резвый отклик.

Отсюда складывается впечатление, что все-таки момент рулит, и темп разгона, равно как удобство управления, определяются им и только им. На самом деле не совсем.

Строго говоря, сравнивать двигатели по кривой крутящего момента уместно, если они имеют близкие характеристики и работают в одном диапазоне частот. Скажем, для легковых моторов этот диапазон составляет 800-6000 об/мин. Поэтому, имея два таких агрегата, можно предположить, что в дрег-рейсинге победит тот, у которого крутящий момент больше.

Но по моменту нельзя сравнивать моторы, работающие в разном диапазоне частот. Например, для новой Skoda Octavia предлагаются бензиновые моторы и дизели. Пиковый крутящий момент самого мощного бензинового мотора – 250 Н*м. У дизеля – целых 320 Н*м (+28%). Но при этом бензиновая «Шкода» на секунду быстрее дизельной в разгоне до 100 км/час, и дело даже не в том, что дизель на 10 кг тяжелее. Просто в данном случае крутящий момент уже не является исчерпывающим критерием, а вот тот факт, что бензиновая «Шкода» выдает 180 л.с. против 150 л.с., очень даже значим. Да, бензиновый мотор имеет меньший момент, но более «накручен», и в этом его преимущество.

Как же так? Да очень просто: нам ведь важен не момент на хвостовике двигателя, а момент на колесах – именно он преобразуется в полезное усилие, разгоняющее автомобиль. А между двигателем и колесами есть еще трансмиссия, и в ней крутящий момент увеличивается на порядок: скажем, на маховике мотора имеем 300 Н*м, на колесах – 3500 Н*м.

Так вот, если один мотор развивает гигантский момент, но его рабочая шкала смещена в область низких оборотов (то есть мощность невысока), для реализации преимуществ такого мотора потребуются более длинные передачи в трансмиссии, например, «длинная» главная пара. И момент на колесах, вполне возможно, будет отнюдь не так высок. Если установить на такой мотор «короткую» пару, он попросту не сможет разогнаться до максимальных скоростей – не хватит «кручености» мотора. Такой двигатель напоминает силача с короткими ногами, который может стронуть с места тепловоз, но стометровку бежит на уровне восьмиклассницы.

Скажем, у той же Skoda дизель не разгоняется выше 4000 об/мин, а бензиновый мотор выдает более 6000 об/мин, поэтому для дизеля требуется главная пара с меньшим передаточным числом. В результате итоговый момент на колесах может быть ниже, несмотря на преимущество в моменте двигателя.

Чтобы не углубляться в сложную арифметику, лучше оперировать именно мощностью. Ее прелесть в том, что в трансмиссии она не изменяется (если пренебречь потерями), и, грубо говоря, более мощный мотор при прочих равных всегда обеспечит больший крутящий момент на колесах. Другое дело, что разгон зависит не только от максимальной мощности, но и от ее распределения по шкале оборотов – есть и такая внешняя скоростная характеристика. И тут уже можно говорить веско: из двух моторов лучший разгон обеспечит тот, у которого во всем диапазоне большая мощность.

Уточню еще такой нюанс: чтобы выжать из мотора максимум, нужна правильная трансмиссия с оптимальным набором передаточных чисел. Если это условие выполняется, мощность более показательна, потому что нужный момент на колесах обеспечит трансмиссия.

А почему все-таки люди пользуются моментом? Потому что график мощности от оборотов ненагляден. Скажем, кривая крутящего момента всегда имеет характерную горбинку, и по ней можно многое сказать о характере мотора. Кривая мощности, как правило, напоминает устремленную вверх прямую (или пологую кривую) с крючком на пиковых оборотах и чисто визуально воспринимается плохо. Поэтому для сравнения близких по характеристикам моторов вполне можно мериться крутящими моментами и их характеристиками. Но лишь до тех пор, пока это действительно близкие моторы.

А вообще даже сама постановка вопроса не вполне верная. Что разгоняет, мощность или момент? Обе одновременно, потому что это две стороны одной медали. Иногда удобнее оперировать одной, иногда другой, но разгон обеспечивают обе.