Иногда применительно к автомобилям всплывают вопросы из математики и физики. В частности, одним из таких вопросов является угловая скорость. Она имеет отношение как к работе механизмов, так и к прохождению поворотов. Разберёмся же, как определить эту величину, в чём она измеряется и какими формулами тут нужно пользоваться.

Как определить угловую скорость: что это за величина?

С физико-математической точки зрения эту величину можно определить следующим образом: это данные, которые показывают, как быстро некая точка осуществляет оборот вокруг центра окружности, по которой она движется.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Эта, казалось бы, чисто теоретическая величина, имеет немалое практическое значение при эксплуатации автомобиля. Вот лишь несколько примеров:

• Необходимо правильно соотносить движения, с которыми вращаются колёса при повороте. Угловая скорость колеса автомобиля, движущегося по внутренней части траектории, должна быть меньше, чем у внешнего.
• Требуется рассчитывать, насколько быстро в автомобиле вращается коленвал.
• Наконец, сама машина, проходя поворот, тоже имеет определённую величину параметров движения – и от них на практике зависит устойчивость автомобиля на трассе и вероятность опрокидывания.

Формула времени, за которое вращается точка по окружности заданного радиуса

Для того, чтобы рассчитывать угловую скорость, используется следующая формула:

ω = ∆φ /∆t

• ω (читается «омега») – собственно вычисляемая величина.
• ∆φ (читается «дельта фи») – угол поворота, разница между угловым положением точки в первый и последний момент времени измерения.
• ∆t
  (читается «дельта тэ») – время, за которое произошло это самое смещение. Точнее, поскольку «дельта», это означает разницу между значениями времени в момент, когда было начато измерение и когда закончено.

Приведённая выше формула угловой скорости применяется лишь в общих случаях. Там же, где речь идёт о равномерно вращающихся объектах или о связи между движением точки на поверхности детали, радиусом и временем поворота, требуется использовать другие соотношения и методы. В частности, тут уже будет необходима формула частоты вращения.

Угловая скорость измеряется в самых разных единицах. В теории часто используется рад/с (радиан в секунду) или градус в секунду. Однако эта величина мало что означает на практике и использоваться может разве что в конструкторской работе. На практике же её больше измеряют в оборотах за секунду (или минуту, если речь идёт о медленных процессах). В этом плане она близка к частоте вращения.

Угол поворота и период обращения

Гораздо более часто, чем угол поворота, используется частота вращения, которая показывает, сколько оборотов делает объект за заданный период времени. Дело в том, что радиан, используемый для расчётов – это угол в окружности, когда длина дуги равна радиусу. Соответственно в целой окружности находится 2 π радианов. Число же π – иррациональное, и его нельзя свести ни к десятичной, ни к простой дроби. Поэтому в том случае, если происходит равномерное вращение, проще считать его в частоте. Она измеряется в об/мин – оборотах в минуту.

Если же дело касается не длительного промежутка времени, а лишь того, за который происходит один оборот, то здесь используется понятие периода обращения. Она показывает, как быстро совершается одно круговое движение. Единицей измерения здесь будет выступать секунда.

Связь угловой скорости и частоты вращения либо периода обращения показывает следующая формулы:

ω = 2 π / T = 2 π *f,

• ω – угловая скорость в рад/с;
• T – период обращения;
• f – частота вращения.

Получить любую из этих трёх величин из другой можно с помощью правила пропорций, не забыв при этом перевести размерности в один формат (в минуты либо секунды)

Чему равна угловая скорость в конкретных случаях?

Приведём пример расчёта на основе приведённых выше формул. Допустим, имеется автомобиль. При движении на 100 км/ч его колесо, как показывает практика, делает в среднем 600 оборотов за минуту (f = 600 об/мин). Рассчитаем угловую скорость.

Для начала переведем об/мин в об/с. Для этого разделим 600 на 60 (число секунд в минуте) и получим 10 об/с. Попутно мы получили и период обращения: эта величина является обратной по отношению к частоте и при измерении в секундах 0,1 с.

Поскольку точно выразить π десятичными дробями невозможно, результат примерно равен будет 62,83 рад/с.

Связь угловой и линейной скоростей

На практике часто приходится проверять не только ту скорость, с какой изменяется угловое положение у вращающейся точки, но и скорость её самой применительно к линейному движению. В приведённом выше примере были сделаны расчёты для колеса – но колесо движется по дороге и либо вращается под действием скорости автомобиля, либо само ему эту скорость обеспечивает. Значит, каждая точка на поверхности колеса помимо угловой будет иметь и линейную скорость.

Рассчитать её проще всего через радиус. Поскольку скорость зависит от времени (которым будет период обращения) и пройденного расстояния (которым является длина окружности), то, учитывая приведённые выше формулы, угловая и линейная скорость будут соотноситься так:

• V – линейная скорость;
• R – радиус.

Из формулы очевидно, что чем больше радиус, тем выше и значение такой скорости. Применительно к колесу с самой большой скоростью будет двигаться точка на внешней поверхности протектора (R максимален), но вот точно в центре ступицы линейная скорость будет равна нулю.

Ускорение, момент и связь их с массой

Помимо приведённых выше величин, с вращением связано ещё несколько моментов. Учитывая же, сколько в автомобиле крутящихся деталей разного веса, их практическое значение нельзя не учесть.

Равномерное вращение – это важная вещь. Вот только нет ни одной детали, которая бы всё время крутилась равномерно. Число оборотов любого крутящегося узла, от коленвала до колеса, всегда в конечном итоге растёт, а затем падает. И та величина, которая показывает, насколько выросли обороты, называется угловым ускорением. Поскольку она производная от угловой скорости, измеряется она в радианах на секунду в квадрате (как линейное ускорение – в метрах на секунду в квадрате).

С движением и её изменением во времени связан и другой аспект – момент импульса. Если до этого момента мы могли рассматривать только чисто математические особенности движения, то здесь уже нужно учитывать то, что каждая деталь имеет массу, которая распределена вокруг оси. Он определяется соотношением начального положения точки с учётом направления движения – и импульса, то есть произведения массы на скорость. Зная момент импульса, возникающий при вращении, можно определить, какая нагрузка будет приходиться на каждую деталь при её взаимодействии с другой

Шарнир как пример передачи импульса

Характерным примером того, как применяются все перечисленные выше данные, является шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) . Эта деталь используется прежде всего на переднеприводных автомобилях, где важно не только обеспечить разный темп вращения колёс при повороте – но и при этом их управляемость и передачу на них импульса от работы двигателя.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Конструкция этого узла как раз и предназначена для того, чтобы:

• уравнивать между собой, как быстро вращаются колёса;
• обеспечивать вращение в момент поворота;
• гарантировать независимость задней подвеске.

В результате все формулы, приведённые выше, учитываются в работе ШРУС.

Электрические двигатели уже давно стали включаться в состав различных мотор-редукторов. Они находят свое применение как в трёхступенчатых типа МЦ3У , так и в двухступенчатых типа МЦ2У . Электромоторы имеют практически 90%-ный коэффициент полезного действия, не требуют постоянного обслуживания. Немаловажным параметром является и исключительная экологичность электрического мотора, вредные выхлопы отсутствуют вовсе, что делает его незаменимым при установке внутри помещения. Словом, в настоящее время электромоторы признаны в 3, а то и в 4 раза эффективнее традиционных двигателей внутреннего сгорания.

Но иногда, в случае выхода из строя электродвигателя, покупатель узнает, что абсолютно никакой сопроводительной документации к нему не прилагается. Маркировочные шильды, если и сохранились, могут находиться в изношенном потертом состоянии, так, что ничего на них рассмотреть попросту бывает невозможно. Как же в таком случае можно определить мощность двигателя и число его оборотов? Здесь поэтапно будут приведены советы, которые помогут это сделать.

Следует иметь в виду, что под числом оборотов подразумевается так называемая асинхронная скорость. Синхронная скорость это скорость вращения магнитного поля. Асинхронная скорость несколько ниже синхронной из-за наличия массы у вращательного элемента, а также воздействия сил трения, которые могут значительно понизить КПД мотора. Впрочем, на практике эти различия практически никогда не имеет решающего значения.

Сейчас на рынке представлено 3 основные категории асинхронных электродвигателей. Первая категория каталога - моторы, работающие при 1000 оборотах. На практике это число составляет порядка 950-970 оборотов, но для наглядности все-таки округляют до тысячи. Вторая категория моторы, выдающие 1500 об/мин. Это также округлено, так как в действительности диапазон лежит в пределах 1430-1470. Третья 3000 оборотов в минуту. Хотя реально такой мотор выдает 2900-2970 вращений.

Способы определения характеристик электромотора.

Чтобы определить, к какой из этих групп относится двигатель, не нужно разбирать его, как это советуют некоторые специалисты, чтобы обеспечить себе заказ на работу. Дело в том, что разбор электродвигателя может осуществить только мастер достаточной квалификации. На самом же деле достаточно открыть защитную крышку (другое название подшипниковый щит) и найти катушку обмотки. Таких катушек может быть несколько, но достаточно одной. В случае если к валу прикреплены полумуфта или шкив, потребуется снять еще и нижний щит.

Если катушки соединены при помощи деталей, которые мешают рассмотреть информацию, эти детали ни в коем случае нельзя отсоединять. Нужно попробовать определить на глаз соотношение размера катушки и статора.

Статором называется неподвижная часть электромотора, подвижная же имеет название ротор. В зависимости от конструктивных особенностей, в качестве ротора может выступать как сама катушка, так и магниты.

Если катушка закрывает собой половину кольца статора, такой двигатель относится к третьей группе, то есть способен выдавать до 3000 оборотов. Если размер катушки составляет треть от размеров кольца, это мотор второго типа, соответственно, он способен развить 1500 оборотов в минуту. Наконец, если катушка только на четверть закрывает собой кольцо, это первый тип. Электромотор развивает мощность в 1000 оборотов.

Существует еще один способ определения частоты вращения вала роторной части. Для этого также нужно снять крышку и найти верхнюю часть обмотки. По расположению секций обмотки и определяется скорость. Обычно внешняя секция занимает 12 пазов. Если сосчитать общее количество пазов и разделить на 12, можно получить число полюсов. Если число полюсов равно 2, двигатель имеет скорость вращения около 3000 об/мин. Если полюсов получилось 4, это соответствует 1500 оборотам в минуту. Если 6, то 1000 об/мин. Если 8, то 700 оборотов.

Третий способ определения количества оборотов внимательно осмотреть бирку на самом двигателе. Цифра на маркировке в конце и соответствует числу полюсов. Например, для маркировки АИР160S6 последняя цифра 6 указывает, сколько полюсов использует катушка.

Проще же всего измерить число оборотов специальным прибором тахометром. Но в силу узкой специализации применения данный способ нельзя рассматривать как общедоступный. Таким образом, даже если не сохранилось никакой технической документации, существует как минимум 4 способа определить число оборотов электрического мотора.

Так как линейная скорость равномерно меняет направление, то движение по окружности нельзя назвать равномерным , оно является равноускоренным .

Угловая скорость

Выберем на окружности точку 1 . Построим радиус. За единицу времени точка переместится в пункт 2 . При этом радиус описывает угол. Угловая скорость численно равна углу поворота радиуса за единицу времени.

Период и частота

Период вращения T - это время, за которое тело совершает один оборот.

Частота вращение - это количество оборотов за одну секунду.

Частота и период взаимосвязаны соотношением

Связь с угловой скоростью

Линейная скорость

Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной. Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.

Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено - это есть период T . Путь , который преодолевает точка - это есть длина окружности.

Центростремительное ускорение

При движении по окружности вектор ускорения всегда перпендикулярен вектору скорости, направлен в центр окружности.

Используя предыдущие формулы, можно вывести следующие соотношения

Точки, лежащие на одной прямой исходящей из центра окружности (например, это могут быть точки, которые лежат на спице колеса), будут иметь одинаковые угловые скорости, период и частоту. То есть они будут вращаться одинаково, но с разными линейными скоростями. Чем дальше точка от центра, тем быстрей она будет двигаться.

Закон сложения скоростей справедлив и для вращательного движения. Если движение тела или системы отсчета не является равномерным, то закон применяется для мгновенных скоростей. Например, скорость человека, идущего по краю вращающейся карусели, равна векторной сумме линейной скорости вращения края карусели и скорости движения человека.

Земля участвует в двух основных вращательных движениях: суточном (вокруг своей оси) и орбитальном (вокруг Солнца). Период вращения Земли вокруг Солнца составляет 1 год или 365 суток. Вокруг своей оси Земля вращается с запада на восток, период этого вращения составляет 1 сутки или 24 часа. Широтой называется угол между плоскостью экватора и направлением из центра Земли на точку ее поверхности.

Согласно второму закону Ньютона причиной любого ускорения является сила. Если движущееся тело испытывает центростремительное ускорение, то природа сил, действием которых вызвано это ускорение, может быть различной. Например, если тело движется по окружности на привязанной к нему веревке, то действующей силой является сила упругости.

Если тело, лежащее на диске, вращается вместе с диском вокруг его оси, то такой силой является сила трения. Если сила прекратит свое действие, то далее тело будет двигаться по прямой

Рассмотрим перемещение точки на окружности из А в В. Линейная скорость равна v A и v B соответственно. Ускорение - изменение скорости за единицу времени. Найдем разницу векторов.

Возникла необходимость узнать мощность или частоту оборотов вала и другие параметры электродвигателя, но после внимательного осмотра на его корпусе не нашлось таблички (шылдика) с его наименованием и техническими параметрами. Придется определять самому, для этого есть несколько способов и мы их рассмотрим ниже.

Мощность электродвигателя представляет из себя скорость преобразования электрической энергии, ее принято определять в ваттах.

Чтоб осознать, как это работает, нам понадобится 2 величины: сила тока и напряжение. Сила тока — численность тока, которое проходит через поперечное сечение за некий отрезок времени, ее принято определять в амперах. Напряжение — значение, равная работе по перемещению заряда меж 2-мя точками цепи, ее принято определять в вольтах.

Для расчета мощности используется формула N = A/t, где:

N - мощность;

А - работа;

Часто электродвигатель поступает с завода с уже указанными техническими параметрами. Но заявленная мощность не всегда соответствует фактической, а скорее всего она может значить лишь максимальную мощность электропотока.

Так что если на вашем электроинструменте указана, например, мощность в 500 ват, это совсем не значит что инструмент будит потреблять точно 500 ват.

Электродвигатели производят стандартной дискретной мощности, линейки типа 1.5, 2.2, 4 кВт.

Опытный электрик может легко отличить 1.5 от 2.2 кВт всего лишь взглянув на его габариты. Помимо этого он сможет определить количество оборотов двигателя по размеру статора, количеству пар полюсов и диаметра вала.

Еще более опытным в этом деле окажется обмотчик, специалист который занимается перемоткой электродвигателей со 100%-ой уверенностью определит технические параметры вашего электродвигателя.

Если табличка с характеристиками двигателя потеряна для подсчета мощности двигателя нужно измерить силу тока на обмотках ротора и с помощью стандартной формулы найти потребляемую мощность электродвигателя.

Основные способы определения мощности двигателя

Определение мощности по току . Для этого подключаем двигатель в сеть и контролируем напряжение. Затем поочередно, в цепь каждой из обмоток статора включаем амперметр и замеряем потребляемый ток. После того как мы нашли суму потребляемых токов, полученное число необходимо умножить на фиксированное напряжение в результате получим число определяющее мощность электродвигателя в ваттах.

Определяем мощность по габаритам . Нужно измерить диаметр сердечника (с внутренней стороны) и его длину.

Умножаем синхронную частоту вращения вала на диаметр сердечника (в сантиметрах) полученную цифру умножаем на 3.14 затем разделяем на частоту сети умноженную на 120. Полученное значение мощности будит в киловаттах.

Замер по счетчику . Способ считается самым простым. Для этого, для чистоты эксперимента, отключаем все нагрузки в доме. Дальше необходимо включить двигатель на определенное время (например 10 минут) На щетчике будит видно разницу в киловаттах по ней уже легко можно высчитать сколько киловаттах потребляет двигатель. Удобней всего будит воспользоваться портативным электросчетчиком который показывает потребление в киловаттах (ваттах) в режиме реального времени.

Для определения реального показателя мощности, которую выдает двигатель, необходимо найти скорость валового вращения, измеряемую в числе оборотов за секунду, тяговое усилие двигателя.

Частота вращения умножается последовательно на 6,28, показатель силы и радиус вала, который можно вычислить при помощи штангенциркуля. Найденное значение мощности выражается в ваттах.

Определяем рабочее количество оборотов двигателя .

Определяем мощность по расчетным таблицам . С помощью штангенциркуля замеряем диаметр вала, длину мотора (без выступающего вала) и расстояние до оси.Замеряем вылет вала и его выступающую часть, диаметр фланца если он есть, а также расстояние крепежных отверстий.

По этим данным с помощью сводной таблицы можно легко определить мощность двигателя и другие характеристики

1,1 КВТ

1,5 КВТ

Все электродвигатели имеют основные характеристики:

• Потребляемая мощность
• Максимальный КПД
• Номинальная частота вращения вала
• Номинальный момент

Также они имеют механическую характеристику – зависимость момента от оборотов. Определить количество оборотов электродвигателя можно по катушкам обмотки статора. Для этого в статоре надо найти катушку, которая лучше всего просматривается. Если вычислить расстояние, занимаемое катушкой по кольцу железа статора, можно точно определить, сколько оборотов имеет данная асинхронная модель.

Асинхронные устройства разделяются по количеству оборотов мотора на: 1000 об/мин, 1500 об/мин и 3000 об/мин.

Если расстояние составляет половину кольца железа статора, то это агрегат с 3000 об/мин. Если это составляет 1/3 кольца железа, то он имеет 1500 об/мин. Если же расстояние, занимаемое катушкой, составляет 1/4 кольца железа, то данный прибор имеет 1000 об/мин.

Модели с количеством 1000 об/мин применяют на таком оборудовании, где нет необходимости в высокой скорости вращения вала ротора. Например, на лебедках, кранах, транспортерах и т.д.

Электродвигатели с оборотами 1500 и 3000 об/мин применяют на металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станках, компрессорах, холодильниках и т.д.

Мощность их может колебаться в пределах от 0,12 до 200 кВт, что напрямую зависит от размера и назначения оборудования.

Электронные регуляторы в зависимости от типа двигателя, классифицируются:

1. Для коллекторных моделей
2. Для безколлекторных бездатчиковых
3. Для безколлекторных с датчиками Холла.

Также все регуляторы оборотов электродвигателя различаются в зависимости от максимального рабочего тока, напряжения батареи, работы с аккумуляторами различного типа.

Регуляторы, предназначенные для безколлекторных устройств, не только управляют мощностью, но и определяют положение ротора в каждый момент времени для того, чтобы правильно задать фазы трех питающих напряжений, необходимых для работы мотора.

Регуляторы для коллекторных моторов могут быть подсоединены к нескольким моторам, параллельно или последовательно с условием, что суммарный ток не превышает максимальный ток, рассчитанный на данный регулятор.

Регуляторы, предназначенные для электрических двигателей водоплавных судов, оснащены дополнительной защитой от влаги и имеют жидкостное охлаждение.

Регуляторы, применяемые в автомобилях, оборудованы радиатором воздушного охлаждения и реверсом направления вращения.

Некоторые модели регуляторов имеют на корпусе кнопки для изменения параметров, другие настаиваются с помощью аппаратуры.

Основные настраиваемые функции регуляторов:

• Гувернер – режим регулирования не мощности, а оборотов. При изменении нагрузок, контроллер добавляет или уменьшает мощность.
• Режим старта – быстрый, плавный, жесткий.
• Для устройства с редукторами или тяжелыми лопастями – режим, замедляющий набор оборотов при его старте.
• Настройка времени набора оборотов от ноля до максимума – т.е. ускорение или задержание.
• Настройка режима газа – зависимость оборотов мотора от ручки газа. Может быть оснащена автокалибровкой.
• Функция тормоз – включение/выключение режима торможения. В некоторых контроллерах есть функция регулировки усилия торможения от 0 до 100%.
• Функция реверс – включение и выключение режима реверса.
• Настройка ограничения тока — устанавливает максимальную силу тока, при превышении которой, агрегат отключается автоматически.
• Функция напряжение выключение мотора – устанавливает минимальное напряжение аккумуляторной батареи. В целях защиты батареи от глубокого разряда, отключает ее от двигателя.
• Функция тип выключения мотора – мягкое или жесткое выключение при срабатывании защиты.
• Настройка частоты импульсов позволяет улучшить линейность регулирования частоты вращения. Применяется в основном для 3-4-витковых низкоиндуктивных моторов.
• Функция опережение – устанавливает угол опережения коммутации обмоток.

Как уменьшить обороты или как увеличить обороты электродвигателя? Для этого нужно произвести изменение напряжения на обмотках статора. Зависимость напряжения от частоты вращения близка к линейной.

Для изменения числа оборотов коллекторного устройства с независимым возбуждением нужно поменять напряжение на обмотках ротора, при этом не меняя напряжение на обмотке статора.

Для регулирования частоты вращения с последовательным возбуждением, питающегося от сети переменного тока, применяют тиристорный регулятор.