Was begrenzt die Geschwindigkeit eines Autos?

Was begrenzt aus technischer Sicht die Höchstgeschwindigkeit, die Sie mit einem normalen Auto erreichen können? Ich verstehe, dass einige der schnelleren Autos aus Sicherheitsgründen auf 250 km / h beschränkt sind, aber das ist nicht meine Frage.

Ich kann mir mehrere Gründe vorstellen, bin mir aber nicht sicher, welche davon relevant sind:

1. Wird der Grenzwert durch einen Teil (welcher?) Überschritten, wenn ich die Drehzahl erhöhe, was durch die roten Markierungen auf den Drehzahlmessern angezeigt wird?
2. Oder ist es eher so, dass Sie nicht schnell genug Kraftstoff einfüllen können, um die Drehzahl weiter zu erhöhen?
3. Oder erhöht sich die Reibung / der Luftwiderstand, wenn Sie beschleunigen, und der Motor kann dies nicht überwinden, da er nur ein Maximum an Kraft / Drehmoment erzeugen kann? Wenn ja, wovon hängt diese Größe des Drehmoments / der Kraft ab?

Es gibt einige einfache Gründe, warum die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs (ungeachtet der Straßenzustände) begrenzt sein kann:

1. Getriebe - Serienfahrzeuge mit konventionellen Getrieben haben eine begrenzte Anzahl von Gängen. Bei den meisten modernen Autos sind dies normalerweise 5 oder 6, während ältere Fahrzeuge möglicherweise nur 2 oder 3 haben. Wenn das Übersetzungsverhältnis des höchsten Gangs zu niedrig ist ("niedrigere" Gänge werden als größere Zahlenverhältnisse ausgedrückt), ist es vollständig Es ist möglich, dass der Motor durchläuft, bevor der Luftwiderstand überhaupt zum Faktor wird. Dies knüpft an Ihren ersten Punkt über die rote Zone des Drehzahlmessers an. Wenn Sie die Redline erreicht haben, die die maximale Drehzahl Ihres Motors ist, aber keinen höheren Gang zum Schalten haben, können Sie nicht schneller fahren, ohne Ihren Motor zu beschädigen.

2. Drag - Wie jedes physische Objekt, Autos unterliegen den Luftwiderstand und andere Quellen des Widerstandes (Rollwiderstand, etc.). Wenn der Luftwiderstand des Autos die Leistung übersteigt, die der Motor für die Räder erzeugen kann, ist Ihre Geschwindigkeit erneut begrenzt.

3. Geschwindigkeitsbegrenzer - Es ist erwähnenswert, dass Serienfahrzeuge in der ECU (Motorsteuergerät) aus Sicherheits- oder rechtlichen Gründen fast immer geschwindigkeitsbegrenzt sind. Wenn die ECU feststellt, dass die Räder schnell genug durchdrehen, wird der Motor abgeschaltet, damit das Fahrzeug nicht schneller fährt. Es ist möglich, diesen Schutz mit einem Aftermarket-ECU oder mit einer Modifikation des serienmäßigen ECU zu umgehen. Einige Modelljahre des Honda Civic sind beispielsweise auf 190 km / h begrenzt.

4. Reifenbewertungen - Alle Reifen haben eine bestimmte Geschwindigkeitsbewertung, die wahrscheinlich weit unter der tatsächlichen Höchstgeschwindigkeit Ihres Fahrzeugs liegt. Die Geschwindigkeitsangabe besteht aus einem Buchstaben und ist Teil des Reifencodes (siehe hier für weitere Informationen). Beispielsweise können temporäre Reserveräder auf 130 km / h begrenzt werden, bevor die Gefahr eines Pannenfalls unmittelbar bevorsteht.

5. Stabilität / Aerodynamik - Dies ist weniger eine technische als eine praktische Perspektive, aber für ein " normales " Auto wird es einen gewissen Punkt geben, dass die Federung und andere Komponenten nicht ausreichen, um das Auto auf einer Straße geradeaus zu fahren sichere Mode. Anekdotische Beweise, die diesen Punkt belegen, stammen aus einer Geschichte über ein altes amerikanisches Auto in Originalgröße aus den 70er Jahren, das bei dreistelligen Geschwindigkeiten nicht über die aerodynamischen Fähigkeiten verfügte, die Vorderräder auf dem Boden zu halten. Kurz gesagt, der Auftrieb aus der Luft, der sich unter dem Auto bewegte, hob die Vorderräder vom Boden in einen schrecklichen Hochgeschwindigkeits- "Wheelie". Obwohl dieser Prozess das Auto technisch nicht verlangsamte, machte es es sicherlich schwierig, bei dieser Geschwindigkeit zu kontrollieren.

Was also die Geschwindigkeit begrenzt, ist eine Kombination von zwei Dingen: die Kraft vom Motor mit dem Getriebe und dem Roll- und Luftwiderstand.

Bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 60 km / h ist der Rollwiderstand der größte Widerstand. Oberhalb dieser Geschwindigkeit ist der Luftwiderstand der dominierende Faktor und erhöht sich, je schneller Sie fahren.

Die Motorleistung ist fest eingestellt (OK-Tuning usw.), aber das Getriebe ist auch wichtig - ein Motor mit 200 PS kann entweder einen landwirtschaftlichen Traktor oder einen gepflegten Sportwagen antreiben.

Sobald der Gesamtwiderstand der an den Rädern verfügbaren Leistung entspricht, fahren Sie nicht mehr schneller.

Die Physik hält dich auf. Schon mal Fahrrad gefahren? 25 Meilen pro Stunde sind einfach, 30 sind schwer, 40 erfordern spezielle Ausrüstung oder einen stark aufgepumpten Körper und 50 sind nahezu unmöglich. Warum wird die Anstrengung bei so geringen Geschwindigkeitssteigerungen so steil? Luft.

Aerodynamischer Widerstand

Rollwiderstand ist der dominierende Faktor, wenn Ihr Auto langsam fährt - deshalb sind sie so schwer zu schieben. Bei höheren Geschwindigkeiten entscheidet jedoch der Luftwiderstand. Das liegt daran, dass der Rollwiderstand ziemlich linear ist. Aero Drag ist nicht , und ist zumindest ein Faktor zweiter Ordnung - es kommt wie ein Güterzug mit höheren Geschwindigkeiten. In der Tat habe ich gehört, Kohlezüge, die 40 Meilen pro Stunde geladen tun können, können nur etwa 35 leer tun. Das liegt daran, dass jeder leere Kohlewagen eine große Kugel ist, die den Wind fängt. Und der Rollwiderstand ist für einen Zug so gut wie null.

Verfügbarer Strom

Offensichtlich wird dieser Luftwiderstand gegen die Leistung abgewogen, die die Triebwerke dagegen aufbringen können. Sie könnten diesen leeren Kohlezug auf 100 km / h bringen, wenn sie viermal die Lokomotiven darauf setzen würden.

Sie sprechen von Autos, es geht also darum, wie viel die Batterien liefern und der Motorcontroller schieben kann, ohne Schaden zu nehmen. Oder weil Sie von kraftstoffbetriebenen Autos ausgehen, geht es darum, wie viel Luft der Motor durchlassen kann . Das Hinzufügen der richtigen Kraftstoffmenge ist einfach. Der Luftstrom wird durch Abstimmung bestimmt - Einlass- / Auslassleitung / -öffnung / Resonanz, Ventilgröße und -anzahl, Nockenwellen usw. (Auch die Motordrehzahl (max. U / min.), Aber wenn Ihre Leitung / Resonanz so eingestellt ist, dass eine Erhöhung der Drehzahl einen Unterschied macht, läuft der Motor auf der Straße ziemlich schlecht.)

Getriebe kann auch ein Faktor sein. Ich hatte ein Auto, das mit seiner Höchstgeschwindigkeit zu kämpfen hatte. Der vierte Gang war zu groß, um beschleunigen zu können. Mit dem dritten Gang hat es seinen Höchststand überschritten. Je schneller Sie gefahren sind, desto weniger Leistung hatten Sie. Die Geschwindigkeit war alles falsch eingestellt, aber es war ausgezeichnet für Straßenfahrspaß, Verfeinerung und MPG, wofür ich bezahlt habe.

Ein typisches nicht-sportliches Straßenauto wie ein Ford Flex stößt wahrscheinlich an physikalische Grenzen des Luftwiderstands, bevor es einen Punkt erreicht, an dem der Computer eine Drehzahl- oder eine Höchstgeschwindigkeit erreicht.

Für moderne Hochleistungsautos, die nach dem Jahr 2000 bis heute (2018) gebaut wurden, ist die Antwort einfach: Reifenhaftung .

Die Motorleistung und das Motormanagement haben bereits ein Niveau erreicht, das die Haftung der Reifen auf der Straße übertreffen kann. Was passiert, wenn Sie versuchen, mehr Energie auszuüben, als Ihre Reifen vertragen, ist der Radschlupf.

Die meisten Menschen kennen den Radschlupf aus dem Stand (wie beim Drag Racing) und wenn sich Autos langsam bewegen (wenn Menschen absichtlich Gummi verbrennen). Diese Art von Schlupf wurde beseitigt, indem eine CPU die Bremsen steuern ließ (Traktionskontrolle).

Als nächstes kommt der Radschlupf, um den es uns geht. Rad rutscht bei Höchstgeschwindigkeit. Die traditionelle Lösung bestand darin, die Aerodynamik des Autos zu modifizieren und die Kraft nach unten zu bringen, um das Auto im Grunde genommen auf die Straße zu bringen.

Jetzt haben wir das Stadium erreicht, in dem das Hinzufügen von noch mehr Kraft den Luftwiderstand erhöhen und die Leistung verringern würde. Unsere leistungsstärksten Motoren können dennoch einen Radschlupf erzeugen.

Parallel zur Motorenentwicklung haben Fortschritte in der Chemie und im Reifendesign jedoch auch dazu beigetragen, die Höchstgeschwindigkeit eines Autos zu erhöhen, indem die Geschwindigkeit erhöht wurde, die der Reifen bewältigen kann, bevor er an Grip verliert. Jetzt, da wir an einem Punkt angelangt sind, an dem unsere besten Motoren dauerhaft ausfallen können, ist der derzeitige begrenzende Faktor die Reifenhaftung.

Die rein theoretische Grenze zu finden hängt ganz von den Grenzen des Rollwiderstands des Reifens und des Luftwiderstandes ab. Also hier ist die Arbeit.

Formeln

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

HINWEIS: Ich verwende Werte eines Tesla-Modells 3.

Bekannte Werte

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

Annahmen

• Auto steht senkrecht zur Schwerkraft.
• Auto ist auf Meereshöhe.
• Die Bedingungen sind ideal.
• Die Leistung des Motors ist unendlich.

Ergebnisse

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

Zum einen haben Sie kein Auto mit Zahnradantrieb (Direktantrieb) angegeben. Selbst für Fahrzeuge mit Direktantrieb wird die Grenzgeschwindigkeit letztendlich durch die Entwicklung einer Aerodynamik festgelegt, die das Auto vom Abheben und Fliegen abhält.

Zuletzt überprüfte ich, dass Landgeschwindigkeitsrekorde mit Autos mit extremem Design, Jet- oder Raketenantrieb, mit unglaublich speziellen Rädern und Bremsen (Standardscheiben würden bei den betreffenden hohen Drehzahlen nur auseinanderfliegen) und anderen Teilen aufgestellt wurden.

Mit der Entwicklung neuer Werkstoffe mit immer größeren Festigkeits-Masse-Verhältnissen dürften die Geschwindigkeitsrekorde auf dem Land weiterhin gebrochen werden.