О том, что такое автомобиль.
Как происходит в жизни? Есть топливо, которое окисляется кислородом и при этом выделяет какое то количество энергии. В идеале, каждая молекула кислорода, должна присоединиться к каждой молекуле топлива, а от каждой молекулы топлива, отделиться молекулы, которые делали это топливо стабильным. В случае с бензином, это углерод и водород, сера и т. д. Между количеством углерода и количеством выделяемой энергии, есть прямая связь, и чем больше углерода в топливе, тем меньше будет выделено энергии, а чем больше водорода, тем больше. Все это условно называется эффективным сгоранием топлива или Удельная теплота сгорания , которое как правило выражается в виде коэффициента который равен 43 Мдж/кг. Все это хозяйство при выделении энергии, давит на поршень и стенки цилиндра и условно выражается как среднее индикаторное давление в цилиндре. В свою очередь поршень давит на шатун, который имеет какую то длину, а именно длину рабочего объема цилиндров (как правило так делают, но в целом, шатун может быть любой длины), который давит на шейку колена коленчатого вала, создавая тем самым крутящий момент, на этом самом валу, равный длине колена помноженному на индикаторное давление. Все это дело, называется индикаторное давление двигателя, т.е. можно сказать идеальное.
Вообще на топливе надо остановиться отдельно, для лучшего понимания что это вообще такое в ДВС. Как правило ДВС используют бензин в качестве топлива, реже дизель, и еще реже мазут. Так вот, никто точно не знает, что это за топлива. Тут ситуация примерно такая же как и л.с. - они есть, их можно посчитать, но это не физическая величина и конечная цифра может быть любая. К примеру с бензином, ситуация такая же. Бензин, это смесь высокоуглеродистых веществ и принято считать, что основа его изооктан, который имеет химическую формулу С8Н18 и удельную теплоту сгорания 43 МДж/кг. Обратите внимания сколько водорода в изооктане. Чем больше водорода и меньше связывающих его веществ, тем больше будет удельная теплота сгорания. Предположим возьмем пропан, у которого удельная теплота сгорания выше изооктана. Пропан имеет химическую формулу С3Н8, а его удельная теплота сгорания равна 50,35 Мдж/кг, как раз по тому, что на одну молекулу углерода, приходится больше молекул водорода. Для спирта, который содержит в своей формуле еще и кислород (который уже связал собой какое количество веществ), будет еще ниже чем у изооктана, например для Амилового спирта C5H12O удельная теплота сгорания уже 34.82 Мдж/кг. Для самого же углерода, удельная теплота сгорания 33.30 Мдж/кг. А вот для чистого водорода, удельная теплота сгорания равна 141.8 Мдж/кг. (Кстати, химическая формула древесины, а точнее ее основы — целюлозы, имеет вид C6H10O5 и умные люди, смогут сделать далеко идущие выводы (главное не пиролизить дома!)). Поэтому в принципе можно смело утверждать, что находится некое среднее между удельными теплотами сгорания при окислении вещества, на выходе которого, получается углекислый газ (СО2) и вода (Н2О). Т.е. можно это представить как - кислород, при горении вещества, вступает в реакцию как с водородом, так и с углеродом, тем самым выделяя среднее между этими реакциями количество энергии. Однако поскольку водород имеет бОльшую теплоту сгорания, то всегда стремятся сжечь именно водород, а не что то иное.
В случае с бензином там находится сборная солянка веществ, основные из которых это водород, углерод и сера. Сернистые соединения очень прочные и избавиться от них крайне сложно, и содержание серы в бензине, влияет на его качество. В России добываемая нефть низкого качества, с высоким содержанием серы, потому кроме того что сера разрушает трубы по которым ее вытаскивают на поверхность, снижая рентабильность добычи, еще и получаемый из этой нефти бензин, как правило ниже по качеству чем тот же самый бензин, но полученный из нефти например Ближнего Востока, переработанный например в Европе. Сама же теплота сгорания серы, крайне низкая и равна 10,88 Мдж/кг, поэтому присутствие серы в бензине, мало того что снижает его теплотворные характеристики, так еще и при сгорании такого бензина, кислород соединяясь с серой образует оксид серы SO2, токсичное вещество, который в свою очередь растворяется в воде H2O, которая так же образуется при сгорании, образует сернистую кислоту H2S03, которая как раз и оседает на стенках цилиндра, разрушая масленую пленку, металлах, постепенно разрушая их (особенно сернистые соединения любят нейтрализоторы, где активные вещества — платина, паладий, родий. Хотя конечно разрушение масленой пленки по своим негативным последствиям, намного превосходит окись металлов).
Это основные моменты того, как само топливо влияет на мощность двигателя.
Другим важным компонентом сгорания топливной смеси, является воздушная смесь или просто воздух. Воздух в основном состоит из кислорода и азота который его связывает, в соотношении 30/70. Чем больше кислорода попадет в цилиндры, тем больше можно сжечь топлива, тем больше будет выделено энергии. Однако попаданию воздуха в цилиндры всегда что то мешает и он как бы цепляется за эти препятствия, которые не дают ему туда проникнуть (разные изгибы, гофры, неровные стыки и т.д.). Создается разряжение в впускных коллекторах, по которому можно измерить какое количество воздуха попадает в цилиндры и уже по нему регулировать количество подачи топлива. Это называется инжектор. Инжектор оптимизирует соотношение топлива и воздуха и таким образом оптимизирует сгорание топлива, несколько повышая (или понижая, тут, что нужно производителю, за примером задушенных двигателей далеко ходить не нужно - ВАЗ (к слову, вопреки распространенному мнению, АвтоВаз принадлежит концерну Рено-Ниссан (74,51% с 2014г), а не государству Российскому, так что это вовсе не отечественный автозавод. Так то.)) давление на поршень. Поэтому использование инжектора в ДВС может несколько увеличить мощность двигателя, но не на много и основное предназначение у него, иное.
Простыми средствами в рамках автомобиля изменить это соотношение невозможно, поэтому идут на различные ухищрения. Например ставят нагнетатели. Таким образом увеличивают количество воздуха в одном и том же объеме, а значит и количество кислорода который окисляет топливо. Следовательно, в одном и том же объеме можно сжечь больше топлива, тем самым повысить давление на поршень и таким образом увеличить мощность двигателя. Для этого же используют окисьазота, которая увеличивает количество свободного кислорода при сгорании, благодаря чему, больше топлива им окисляется. Чем больше выделяется энергии, тем больше выделяется тепла (а точнее наоборот), которое нужно куда то девать, что бы детали двигателя не разогрелись до температуры сгорания топлива (1300—1400 °С для бензина, 2800 ° С для водорода, температура плавления алюминия из которого сделаны поршни 660,3°C ), нужно его отводить, для чего делают различные контуры охлаждения и они тем больше, чем больше мощность двигателя. В основном это водяное охлаждение, т.е. вода вокруг цилиндра, но при использовании 95го бензина и выше (атмосферные двигатели), охлаждают еще и поршни, подавая на его дно масло, однако в высоко мощных двигателях, могут использовать даже сжиженные газы для охлаждения двигателя, на подобии холодильных установок.
Охлаждение цилиндров, это плохо для мощности двигателя, поскольку часть выделенной энергии при сгорании топлива, тратится на нагрев деталей двигателя, и тем больше, чем холоднее двигатель. С другой стороны, холодные детали не нагревают поступающий воздух в цилиндры, который при нагревании расширяется и его становится меньше в том же объеме при одном и том же давлении, а значит меньше топлива можно сжечь. Однако у холодного воздуха есть негативная особенность — в нем топливо плохо испаряется, а значит хуже перемешивается с воздухом и не полностью сгорает, что как вы уже поняли, снижает мощность двигателя, особенно это критично для дизельных двигателей. Однако если получается что воздуха несколько больше чем нужно для полного сгорания топлива, т.е. бедная смесь (всегда регулируется подача топлива, а не воздуха для достижения оптимального сочетания топлива и воздуха. Поэтому богатая смесь или обогащенная это когда топлива слишком много, а бедная или обедненная, это когда топлива слишком мало. Давным давно бедными смесями пользовались производители БМВ, потому их движки казались мощнее), то благодаря тому что у молекул кислорода больше шансов окислить молекулы топлива, а значит окисленных молекул будет больше, т.е. сгорит больше топлива, потому холодные двигатели часто мощнее прогретых, но в таком случае они менее экологически чистые. Поэтому в высокофорсированных двигателях вместо бензина используют спирты, как вещество очень хорошо испаряемое и всегда обедненые смеси.
Это в целом все что касается давления на поршень.
Со средним индикаторным давлением разобрались, перейдем к крутящему моменту.
Крутящий момент, как я написал выше ни что иное как давление созданное газами на поршень и плечо колена коленчатого вала. Имеет формулу M = r*F, где М это момент силы, который крутящий момент, r — это длина колена коленчатого вала, который можно обозвать рычагом, F — сила с которой газы давят на поршень. Соответственно единственным динамически изменяемым значением, от которого зависит крутящий момент, является давление газов на поршень. В какой то момент времени, это давление (т.е. топливо сгорает с максимально возможной эффективностью, которое может позволить оборудование двигателя (вот тут как раз и нужен инжектор и прочее) и сам двигатель) достигает своих максимальных значений и тогда говорят, что достигнут максимальный крутящий момент и он равен тому то. Важно понимать, что крутящий момент, не растянут по времени — он произошел один раз и все. Топливо сгорело, толкнуло поршень в низ, поршень шатун, шатун колено коленчатого вала, вал сделал оборот, он передался на колеса, машина тронулась или продолжила движение и на этом весь крутящий момент закончился. Т.е. заставляет двигаться автомобиль, именно крутящий момент и ни что иное.
Мощность же, это количество крутящих моментов за кокой то промежуток времени и имеет формулу P = M * n, где Р — мощность двигателя, М — крутящий момент, n обороты двигателя в минуту. Т.е. ключевым отличием от крутящего момента у мощности является количество совершенных оборотов двигателя за какое то время, или как я писал выше, сколько раз за промежуток времени, этот крутящий момент настал. Когда человек нажал на газ, обороты двигателя начинают увеличиваться, вместе с ними увеличивается скорость автомобиля, т.е. именно мощность, разгоняет автомобиль. С ростом скорости, возрастают силы которые автомобиль останавливают и в основном это силы лобового сопротивления автомобиля. Причем эти силы возрастают в геометрической прогрессии. На преодоление этих сил, тратится энергия сгоревшего топлива, соответственно чем выше скорость, тем больше сил за каждый момент времени останавливает автомобиль, тем сильнее человек давит на педаль газа, что бы как можно больше топлива сгорело, тем самым выделилось как можно больше энергии (прямая зависимость между расходом топлива и скоростью. Снова распространенная чушь, о некой оптимальной скорости - чем меньше скорость, тем меньше расход топлива. Однако надо понимать, что оптимально возможная топливо-воздушная смесь для двигателя, создается в точке максимального крутящего момента - из топлива выжимается максимум энергии которая могут позволить системы двигателя - соответственно при превышении или принижении максимального крутящего момента, всегда будет проигрыш по расходу топлива из за не оптимально приготовленной смеси). Предположим что максимальная мощность двигателя равна 2Н при двух об/сек, автомобиль двигается со скоростью 100км/ч, а силы сопротивления равны 1Н в секунду, соответственно что бы автомобиль двигался с равной скоростью, нужно к нему приложить 1Н в секунду что соответствует одному обороту двигателя. Для того что бы начать ускоряться, нужно приложить уже 2Н в секунду, т. е. Нажать на педаль газа, увеличив тем самым обороты двигателя в два раза, которые теперь будут равны 2 оборота в секунду. С увеличением скорости, возрастут и силы сопротивления движению и к моменту когда автомобиль перестанет набирать скорость, будут равны 2H, сам автомобиль будет двигаться со скорость 150 км/ч, а двигатель будет развивать максимально возможную для него мощность в 2Н при двух оборотах в секунду. Т.е. найдется баланс сил сопротивления движению и сил движения, которая в случае с автомобилем и является максимальной скоростью движения (поэтому распространенная чушь о расходе топлива зависящее непосредственно от оборотов двигателя (Т.е. на скорости 100км/ч при 5000об/мин топлива будет тратиться больше, чем при 100км/ч и 1000об/мин, потому что слишком высокие обороты двигателя), верно только для автомобиля стоящего на месте.).
С мощностью все. Коробка передач.
Единственное предназначение коробки передач в том, что бы водитель имел возможность держать обороты двигателя в диапазоне максимальной мощности, который обычно составляет примерно 1000 об/мин (±), но диапазон зависит от характеристик двигателя.
С коробкой передач все. Колеса, тормоза, сцепление и прочее.
Колеса вещь простая, но мало кто знает о них хоть что то. Колеса обычно резиновые, имеют пятно контакта, на них давит масса автомобиля, и в зависимости от массы автомобиля и типа резины, меняется их сопротивление скольжению.
Вопреки расхожему мнению (вообще чуши вокруг автомобиля много), широкие колеса это вовсе не хорошо и машина не будет лучше сопротивляться прямолинейному движению при поворотах (Fтр = k * m * g, где k - коэффициент сопротивления, m - масса тела, g - ускорение свободного падения). Более того, чем шире поворачиваемые колеса, тем больше будет разница в скоростях на краях покрышки и одним лишь фактом поворота колеса при заходе в поворот, можно сорвать ее в скольжение (наглядный пример - отсутствие дифференциала в главной передаче - примерно тоже самое, но в меньших масштабах происходит при повороте у покрышки.
Очень просто и понятно о дифференциале). Именно по этой причине, всегда передние колеса уже задних.
Чем меньше пятно контакта при одном и том же весе (Уже колеса), тем больше будет давление на каждую молекулу колеса в месте контакта, тем сильнее она будет сопротивляться скольжению, однако общая сила трения для всех молекул, останется прежней. Широкие колеса, как и все остальные увеличенные размеры видов механизмов которые связаны с трением, нужны лишь для того, что бы более эффективно рассеивать тепло от возникшего трения, а меньший удельный вес на квадратную единицу площади, позволит меньше нагреваться этой поверхности при скольжении. Большие тормозные диски, ни как не увеличивают эффективность тормозов, т.е. из за этого машина лучше тормозить не станет, но зато не позволяют перегреваться тормозам при частом и интенсивном торможении или при большой массе автомобиля. Диски сцепления ставят керамические не для того, что бы они лучше сцеплялись, а для того, что бы они не перегревались до критических температур (причем керамика не будет хуже нагреваться, хотя конечно у нее и другая теплоемкость/теплопроводность. Просто порог ее разрушаемости от температуры намного выше чем у обычных фрикционных накладок, что накладывает дополнительные проблемы для охлаждения уже КПП и маховика). Точно так же с колесами — чем шире колесо, тем больше пятно контакта, тем меньше сопротивление скольжению на каждую квадратную единицу поверхности, тем меньше выделяемой теплоты и больше теплоемкость резины, поскольку самой резины больше. А вообще, нет широкой и узкой резины. Предположим что есть машина массой 1000кг и шириной резины 10 см, и машина массой 3000кг, и шириной резины 30см. При движении, эти автомобили будут вести себя полностью одинаково, если исключить разность угловых скоростей у широкой резины при поворотах. Однако, если на машину массой 3000 кг, поставить резину шириной 10см, а на машину 1000кг, поставить 30см, то более тяжелая машина будет лучше проходить повороты и реже срываться в занос, в отличии от второй машины. Но если уж сорвется в занос, то выйти из него ему будет сложнее, поскольку охладить резину до критической температуры, т.е. рассеивать увеличившееся выделяемое тепло при скольжении будет некуда, поскольку резины мало и нужно будет снижать скорость, в отличии от второй, более легкой машины. С другой стороны, более легкая машина будет чаще входить в заносы, но и выходить из них ей будет проще.
Поэтому то что для одной машины широкое, для другой может быть узкое, и что для одной машины узкое, для другой может быть широкое.
Увеличить сопротивление скольжению можно лишь либо изменив состав вещества, либо увеличив на это вещество давление (Fтр = k * m * g, где k - коэффициент сопротивления, m - масса тела, g - ускорение свободного падения). Например когда машина трогается с места, то вес переносится к задней оси автомобиля и если нужно резко тронуться, то имеет смысл поставить более широкую резину, что бы не перегревать ее. Точно так же при торможении, вес автомобиля переносится вперед и больше давит на передние колеса, которые всегда из за этого тормозят лучше чем задние (вспоминаем что написано выше - больший вес > больше выделяемого тепла силами трения > больше тормозные механизмы). Странная глупость которую популяризировали что при сносе передней оси у переднеприводных автомобилей, нужно давить на педаль газа, имеет мало общего с действительностью.
Таким образом налицо зависимость площади пятна контакта, к весу автомобиля, которое будет влиять на силы сопротивления скольжению в перспективе. Почему это важно? Предположим что сила сопротивления скольжению равна 0.5Н на каждое ведущее заднее колесо, которых два, а мощность двигателя из примера выше, 2Н при 2 оборотах в секунду и прямая передача. Это значит, что при этой резине, с таким весом, мы можем реализовать от двигателя только 1Н мощности и не сможем двигаться со скоростью 150км/ч, поскольку уже на 100км/ч, колеса начнут пробуксовывать (необычно, да?) и так будет всегда, пока мы не подберем либо соотношение главной передачи, либо другие колеса, либо вес автомобиля. Но если мы будем постоянно ускоряться, тем самым увеличив давление на задние колеса, то сможем на какое то время превысить 100 км/ч благодаря увеличимушемся(< какое то дурацкое слово) весу на задние колеса, до тех пор, пока не перегреем резину.
В жизни это выглядит примерно так — первая передача имеет соотношение около 4х, главная около 5, мощность, допустим 75л.с. Не будем принимать в расчет радиус колеса и тогда при 5500 об/мин, на первой передаче в пятне контакта мы получим примерно 1500 л.с., при сопротивлении обычной резины в примерно 1000 л.с. (все это весьма условно и призвано просто наглядно показать ситуацию). Т.е. реализовать будет возможно лишь 1000 л.с. и если нагрузка будет больше, то колесо начнет проскальзывать и перегреваться.
Тут кстати интересный момент. Благодаря высоким передаточным числам, у Жигуленка с его 70 л.с. на первой передаче мощность на колесах может быть больше, чем допустим у БМВ 7й серии с 5л двигателем и мощностью в 350л.с.
Точно так же, нет разницы насколько мощным мы сделали двигатель автомобиля, до тех пор пока вес и колеса автомобиля будут оставаться прежними, ущерб от "избыточной" мощности узлам и агрегатам автомобиля наноситься не будет, и их износ будет в пределах запланированной нагрузки на них, точно так же, как и не будет изнашиваться двигатель, при условии точного расчета отвода тепла, при новых реалиях сгорания топлива (конечно постоянная эксплуатация с высокими оборотами, укоротит привычное время жизни деталей автомобиля, что может быть ошибочно принято (и принимается!) за преждевременный износ от избыточной мощности. Увеличивается прочность деталей потому, что подразумевается эксплуатация с более высокой скоростью или в необычных для обычного автомобиля условиях. Движение со скоростью 150 км/ч с обычным двигателем и движение со скоростью 200км/ч с форсированным двигателем и измененными соотношениями пар КПП и редуктора, это не одно и тоже, так же как и преодоление лежащих деревьев).
Поскольку при торможении обычно передние колеса имеют бОльшее сопротивление скольжению, то и к тормозным дискам предъявляют бОльшие требования и делают их намного мощнее чем для задних колес. Если предполагается часто сбрасывать скорость, то что бы исключить перегрев тормозных дисков, делают их больше, организуют пассивное охлаждение в виде вентиляции или используют вещества которые не меняют свои свойства при бОльших температурах, например та же керамика. То же относится и к сцеплению.
Теперь к Unity.
Какое имеет все это отношения к ней? А ни какого. Там ничего этого не реализовано в том виде, как это реализовано на автомобиле. Все это нужно писать ручками, забивать в код и только знания процессов происходящих в автомобиле, помогут вам создать имитацию реального автомобиля в Unity.
Но на самом деле все просто — вы можете написать десятки скриптов, полностью воспроизвести процессы, но при оптимизации, вы приведете ваш код в подобие стандартного примера.
Например расчет мощности будет заключаться в одной формуле выше, максимум в трех, если вы хотите добавить гибкости программе. Переключения передач, примет следующий вид:
Используется csharp
using UnityEngine;
using System.Collections;
public class MotorTest : MonoBehaviour {
public Rigidbody motor;
public float Обороты_двигателя = 0;
float force_Motor;
public WheelCollider колесо;
public float maxMotorTorque;
public float maxBrakeTorque;
public float Обороты_колеса;
public float _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч;
public AudioSource Звук_Двигателя;
// Use this for initialization
void Start ()
{
motor.maxAngularVelocity = 8000;
}
// Update is called once per frame
void Update ()
{
_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч = ((2f * 3.14f * колесо.radius) * колесо.rpm) / 1000 * 60;
Обороты_двигателя = (motor.angularVelocity.magnitude) *10f;
//Звук_Двигателя.pitch = Обороты_двигателя / 1000;
if (_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч >= 0 && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 15)
{
//Debug.Log("с 0 по 1");
Звук_Двигателя.pitch = 0.8f;
}
if (_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч >= 15 && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 50)
{
//Debug.Log("с 1 по 50");
//Debug.Log("_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч / 1000 = " + _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч / 100);
Звук_Двигателя.pitch = колесо.rpm / 100;
}
if (_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч >= 50 && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 100)
{
//Debug.Log("с 50 по 100");
//Debug.Log("колесо.rpm = " + колесо.rpm + " _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч = " + _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч);
//Debug.Log("колесо.rpm / 230 = " + колесо.rpm / 230);
Звук_Двигателя.pitch = колесо.rpm / 230;
}
if (_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч >= 100 && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 150)
{
//Debug.Log("с 100 по 150");
//Debug.Log("колесо.rpm = " + колесо.rpm + " _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч = " + _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч);
Звук_Двигателя.pitch = колесо.rpm / 346f;
}
if (_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч > 150 && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 200)
{
//Debug.Log("с 150 по 250");
//Debug.Log("колесо.rpm = " + колесо.rpm + " _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч = " + _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч);
Звук_Двигателя.pitch = колесо.rpm / 362;
}
if (_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч > 200 && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 250)
{
//Debug.Log("с 200 по 250");
//Debug.Log("колесо.rpm = " + колесо.rpm + " _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч = " + _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч);
Звук_Двигателя.pitch = колесо.rpm / 578;
}
if (_скоростьЛевогоКолеса_Км_ч > 250 && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 300)
{
//Debug.Log("с 250 по 300");
//Debug.Log("колесо.rpm = " + колесо.rpm + " _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч = " + _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч);
колесо.brakeTorque = 0;
Звук_Двигателя.pitch = колесо.rpm / 690;
}
if (Input.GetKey("2") && _скоростьЛевогоКолеса_Км_ч < 300)
{
//Debug.Log("Поехали");
колесо.brakeTorque = 0;
force_Motor = maxMotorTorque;
}
else
{
//Debug.Log("отпустили газ, тормозим");
force_Motor = 0;
колесо.brakeTorque = maxBrakeTorque;
}
}
void FixedUpdate()
{
Обороты_колеса = колесо.rpm;
колесо.motorTorque = force_Motor;
}
}
У тормозов лишь добавить коэффициент перегрева, для снижения усилия на них.
Важно лишь одно помнить — motorTorque, brakeTorque и т.п. принимает значение один раз, а не на каждый просчет физики и когда он не нужен, его нужно обнулять). Все остальное - декорации, с которыми уже придется повозиться. А как известно, дьявол сокрыт в деталях.