Основы теории движения автомобиля

Введение

Безопасность дорожного движения зависит от многих причин. Вее факторы, влияющие на дорожное движение и его безопасность, условно делят на три взаимодействующие части: водитель, автомобиль и дорогу. При этом под дорогой понимают нс только дорожное полотно, обочины и мосты, но и всю окружающую обстановку (средства регулирования, зеленые насаждения, близлежащие строения), а также погодно-климатические условия движения (температура, влажность воздуха, ветер, осадки. освещенность и т д.). Объединение трех составляющих в единый ряд «водитель — автомобиль — дорога» позволяет оптимизировать дорожное движение в комплексе, обеспечить взаимное соответствие его отдельных элементов. Необходимо внимательно изучать и совершенствовать каждый компонент данной системы, добиваясь максимальной эффективности его функционирования при взаимодействии с остальными частями.

Пособие состоит из шести тем, в которых в логической последовательности изложены вопросы, связанные структурными составляющими системы «водитель — автомобиль — дорога», представлены материалы теоретических и пракгичсских разделов, относящихся к теории движения автомобиля, психофизиологическим основам труда водителя, дорожно-транспортным происшествиям и их причинам, автомобильным дорогам и дорожным условиям, основам безопасного управления.

Данная работа может быть использована в учебном процессе образовательных учреждений МВД России, а также в системе профессиональной подготовки сотрудников органов внутренних дел Российской Федерации.

Основы теории движения автомобиля

Движение автомобиля связано с воздействием на него сил и моментов, обеспечивающих необходимую скорость его движения в заданных условиях, хорошую устойчивость, легкую управляемость и высокхто проходимость. Знание законов движения автомобиля и их умелое применение позволяет технически грамотно использовать скоростные возможности автомобиля и обеспечить безопасность его движения.

Структуру системы «водитель — автомобиль — дорога» (далее — ВАД) можно изобразить условно (рис. 1), поскольку этот комплекс функционирует в условиях окружающей среды и взаимодействует с нею.

Схема системы «водитель - автомобиль - дорога»

Рис. 1. Схема системы «водитель — автомобиль — дорога»:

А — автомобиль; В -водитель; У/ — дорога; АД — механическая система «автомобиль -дорога»; КА — биомеханическая система «водитель — автомобиль»;

13Д- биомеханическая сис тема «води тель — дорога»

Такой подход позволяет проанализировать движение нс только одиночного транспортного средства (далее — ТС), но и транспортных потоков. Оптимальность функционирования ВАД определяется самостоятельными параметрами отдельных элементов (автомобиль, дорога, водитель) и входящими в се структуру системами (АД. ВА и ВД).

Дорога обусловливает характер функционирования системы ВАД и подсистем АД и ВД. обеспечивающих требуемую скорость движения автомобиля и необходимую безопасность дорожного движения. Эти основные критерии дорожного движения обеспечиваются следующими показателями: геометрические размеры, профиль, ровность условий видимости и др.

Рассмотрим пример. Величина остановочного пути автомобиля (.S’ ), т. с. расстояния, пройденного транспортным средством с момента появления в поле зрения водителя опасности до полной остановки, объективно отражает возможность обеспечения безопасности в большинстве ситуаций. создающихся при движении.

Скорость должна выбираться таким образом, чтобы остановочный путь автомобиля не превышал расстояния видимости, на котором в данных условиях можно объективно прогнозировать обстановку Это важнейшее условие обеспечения безопасности движения.

Длина остановочного пути при экстренном торможении автомобиля с достаточной точностью может быть определена по формуле:

а у а

3,6 254 х ( — коэффициент сцепления пши с дорогой (ед.); а — угол наклона дороги (градус).

Анализ факторов, влияющих на остановочный путь, подтверждает: для обеспечения оптимального значения остановочного пути (должен быть меньше расстояния видимости), позволяющего безопасно повысить скорость движения, важно в надлежащем состоянии поддерживать автомобильные дороги, совершенствовать конструкцию автомобиля и улучшать качество подготовки водителей по безопасному управлению транспортным средством.

Теория движения автомобиля: основные элементы

На автомобиль, независимо от того, движется он или неподвижен, действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз.

Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равнодействующая этой силы, размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной из осей расположен центр тяжести, тем больше будет нагрузка на эту ось. На легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется примерно поровну.

Действие силы тяжести на автомобиль

Большое значение на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести не только в отношении продольной оси, но и по высоте. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль. Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы (см. рисунок): одна из них прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем скорее нарушится устойчивость и автомобиль может опрокинуться.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

Схема сил, действующих на автомобиль во время движения

На рисунке показана схема сил, действующих на автомобиль во время движения. К ним относятся:

  • сила сопротивления качению, затрачиваемая на деформирование шины и дороги, на трение шины о дорогу, трение в подшипниках ведущих колес и др.;
  • сила сопротивления подъему (на рисунке не показана), зависящая от веса автомобиля и угла подъема;
  • сила сопротивления воздуха, величина которой зависит от формы (обтекаемости) автомобиля, относительной скорости его движения и плотности воздуха;
  • центробежная сила, возникающая во время движения автомобиля на повороте и направленная в противоположную от поворота сторону;
  • сила инерции движения, величина которой состоит из силы, необходимой для ускорения массы автомобиля в его поступательном движении, и силы, необходимой для углового ускорения вращающихся частей автомобиля.

Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги.

Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги на ведущих колесах), то колеса пробуксовывают.

Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.

Для определения влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который определяют делением силы сцепления ведущих колес автомобиля на вес автомобиля, приходящийся на эти колеса.

Коэффициент сцепления с дорогой в зависимости от покрытия

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния (наличия влаги, грязи, снега, льда); величина его приведена в таблице (см. рисунок).

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь и пыль. В этом случае грязь образует пленку, резко уменьшающую коэффициент сцепления.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием в жаркую погоду появляется на поверхности маслянистая пленка из выступающего битума, снижающая коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. Так, при возрастании скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.

Разгон, ускорение, накат

Мощность двигателя затрачивается на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения в механизмах трансмиссии.

Если величина усилия, с которым вращаются ведущие колеса, создавая тяговую силу, будет больше чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, т.е. с разгоном.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если тяговое усилие равно силам сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться без ускорения с равномерной скоростью. Чем выше максимальная мощность двигателя и меньше величина суммарных сил сопротивления, тем быстрее автомобиль достигнет заданной скорости.

Кроме того, на величину ускорения влияет вес автомобиля, передаточное число коробки передач, главной передачи, количество передач и обтекаемость автомобиля.

Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии, и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться некоторое время с отключенным двигателем – накатом. Движение накатом используют для экономии топлива.

Торможение автомобиля

Торможение автомобиля имеет большое значение для безопасности движения и зависит от его тормозных качеств. Чем лучше и надежнее тормоза, тем быстрее можно остановить движущийся автомобиль и тем с большей скоростью можно двигаться, а следовательно, и больше будет его средняя скорость.

Во время движения автомобиля накопленная кинетическая энергия поглощается при торможении. Торможению помогают силы сопротивления воздуха, сопротивления качению и сопротивления подъему. На уклоне силы сопротивления подъему отсутствуют, а к инерции автомобиля добавляется составляющая сила тяжести, которая затрудняет торможение.

При торможении между колесами и дорогой возникает тормозная сила, противоположная направлению силы тяги. Торможение зависит от соотношения между тормозной силой и силой сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой будет больше тормозной силы, то автомобиль затормаживается. Если тормозная сила будет больше силы сцепления, то при заторможенных колесах произойдет их скольжение относительно дороги. В первом случае при торможении колеса катятся, постепенно замедляя вращение, а кинетическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию, нагревающую тормозные колодки и диски (барабаны). Во втором случае колеса перестают вращаться и будут скользить по дороге, поэтому большая часть кинетической энергии будет превращаться в тепло трения шин о дорогу. Торможение с остановившимися колесами ухудшает управляемость автомобиля, особенно на скользкой дороге, и приводит к ускоренному износу шин.

Наибольшую тормозную силу можно получить только тогда, когда тормозные моменты на колесах будут пропорциональны нагрузкам, приходящимся на них. Если такая пропорциональность не будет соблюдена, то тормозная сила на одном из колес не будет полностью использована.

Эффективность торможения оценивается по тормозному пути и величине замедления.

Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль от начала торможения до полной остановки. Замедление автомобиля – это величина, на которую уменьшается скорость автомобиля за единицу времени.

Управляемость автомобиля

Под управляемостью автомобиля понимают его способность изменять направление движения.

Стабилизирующее действие углов продольного и поперечного наклона оси поворота колеса

Во время движения автомобиля по прямой очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес в нужном направлении. На автомобиле предусмотрена стабилизация управляемых колес в положении движения в прямом направлении, которая достигается продольным углом наклона оси поворота и углом между плоскостью вращения колеса и вертикалью. Благодаря продольному наклону колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению оси поворота снесена назад на величину а и его работа подобна ролику (см. рисунок).

Читайте также  Перевоз ребенка в автомобиле

При поперечном наклоне повернуть колесо всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движения по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса передняя часть автомобиля приподнимается на величину б (водитель прилагает сравнительно большее усилие к рулевому колесу).

Для возвращения управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, вес автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.

Схема бокового увода колеса

На автомобилях, особенно у тех, где давление воздуха в шинах невелико, возникает боковой увод. Боковой увод возникает в основном под действием поперечной силы, вызывающей боковой прогиб шины; при этом колеса катятся не по прямой, а смещаются в сторону под действием поперечной силы (см. рисунок).

Оба колеса передней оси имеют одинаковый угол увода. При уводе колес меняется радиус поворота, который увеличивается, уменьшая поворачиваемость автомобиля, а устойчивость движения при этом не изменяется.

При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается, особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем у передних, стабильность движения нарушается, автомобиль начинает «рыскать» и водителю все время приходится подправлять направление движения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давление воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем у задних. Увод колес будет тем больше, чем большей будет боковая сила, действующая на автомобиль, например, на крутом повороте, где возникают большие центробежные силы.

Занос автомобиля

Заносом называется боковое скольжение задних колес при продолжающемся поступательном движении автомобиля. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикальной оси.

Занос может возникать в результате ряда причин. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказаться, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, особенно часто это случается на скользких дорогах.

Схема заноса автомобиля на повороте

При неодинаковых тяговых или тормозных силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, действующих в продольном направлении, возникает поворачивающий момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой или левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их сумма может превысить силу сцепления, препятствующую заносу (см. рисунок).

Чтобы предотвратить начавшийся занос автомобиля, необходимо: прекратить торможение, не выключая сцепление (на автомобилях с МКПП); повернуть колеса в сторону заноса.

Эти приемы выполняют сразу же, как только начался занос. После прекращения заноса нужно выровнять колеса, чтобы занос не начался в другом направлении.

Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге, особенно быстро нарастает занос на большой скорости, поэтому при скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не применяя торможение.

Проходимость автомобиля

Проходимостью автомобиля называется его способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья, а также преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути. Проходимость определяется:

  • способностью преодолевать сопротивление качению, используя тяговые силы на колесах;
  • габаритными размерами транспортного средства;
  • способностью автомобиля преодолевать препятствия, встречающиеся на дороге.

Основным фактором, характеризующим проходимость, является соотношение между наибольшей тяговой силой, используемой на ведущих колесах, и силой сопротивления движению. В большинстве случаев проходимость автомобиля ограничивается недостаточной силой сцепления колес с дорогой и в связи с этим невозможностью использовать максимальную тяговую силу. Для оценки проходимости автомобиля по грунту пользуются коэффициентом сцепного веса, определяемым делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес автомобиля. Наибольшую проходимость имеют автомобили, у которых все колеса являются ведущими. В случае применения прицепов, увеличивающих общий вес, но не изменяющих сцепной вес, проходимость резко снижается.

На величину сцепления ведущих колес с дорогой значительное влияние оказывает удельное давление шин на дорогу и рисунок протектора. Удельное давление определяется давлением веса, приходящегося на колесо, на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля будет лучше, если удельное давление будет меньше. На твердых и скользких дорогах проходимость улучшается при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах будет иметь отпечаток большей площади и имеет меньшее удельное давление, а на твердых грунтах отпечаток этой шины будет меньшей площади и удельное давление увеличивается.

Основы теории движения автомобиля. Сопротивления движению. Уравнение движения автомобиля

Теория взаимодействия автомобиля с дорогой была разработана академиком Е. А. Чудаковым в 1930-е гг. Согласно данной теории движение автомобиля по дороге происходит при условии полной реализации тяговых возможностей автомобиля. Вращающий момент па коленчатом валу двигателя через сцепление и коробку передач передается карданному валу и далее на ведущие колеса автомобиля и вызывает появление пары сил (рис. 2.1).

Схема действия сил и момента на ведущее колесо

Рис. 2.1. Схема действия сил и момента на ведущее колесо

Одна из них — окружная сила Рк, передаваясь на покрытие, направлена в сторону, обратную движению, вторая — сила тяги автомобиля Рр> направлена в сторону движения и вызывает вращение колес автомобиля

где Мвр — крутящий момент на ведущих колесах; гк — радиус ведущего колеса с учетом деформации шины (гк= 0,93. 0,97) г.

При достаточном сцеплении колеса автомобиля с дорогой в плоскости контакта действует сила реакции дороги Т, равная силе тяги и направленная в сторону движения. Только при выполнении условия Т> Рк возможно поступательное движение автомобиля без проскальзывания и пробуксовки колес.

Тяговое усилие затрачивается на преодоление сил сопротивления движению (рис. 2.2).

В общем случае при движении автомобиль преодолевает различные сопротивления:

  • • качения Pf,
  • • воздушной среды Pw]
  • • при движении па подъем Р
  • • инерции при переменной скорости движения Ру

Рис. 2.2. Силы сопротивления движению, действующие на автомобиль

Существуют различные причины сопротивления движению автомобиля. Сопротивление качению Pf вызывается затратой мощности двигателя на деформацию покрытия и шины, на преодоление трения между шиной и поверхностью покрытия и потерями мощности, при ударах колес о неровности дороги:

где / — коэффициент сопротивления качению, зависящий от состояния поверхности покрытия, давления воздуха в шинах и скорости движения.

Коэффициент сопротивления качению уменьшается с увеличением жесткости покрытия и давления воздуха в шине (табл. 2.1).

Коэффициенты качения в зависимости от типа покрытия

Цементобетонные и асфальтобетонные

Черные щебеночные и черные гравийные

Грунтовые ровные и сухие

Грунтовые неровные увлажненные

Неровности поверхности покрытия увеличивают сопротивление качению, поскольку при наезде колеса на выступы и при падении его во впадины покрытия происходят удары, вызывающие потерю кинетической энергии, пропорционально квадрату скорости.

Таким образом, коэффициент сопротивления является показателем, характеризующим качество покрытия. С увеличением скорости (более 50 км/ч) коэффициент сопротивления качению увеличивается и может быть вычислен по эмпирической формуле:

где V = 50 км/ч.

Сопротивление воздушной среды Р!(, вызывается затратой энергии двигателя на перемещение частиц воздуха. При движении автомобиль встречает противодействие встречного воздуха на переднюю часть (лобовое сопротивление), энергия затрачивается на трение воздуха о боковые поверхности, сопротивление создастся выступающими частями автомобиля (рис. 2.3).

Распределение давления воздуха на автомобиль

Рис. 2.3. Распределение давления воздуха на автомобиль:

+ — зона повышенного давления;—зона разрежения

Наличие попутного ветра уменьшает, а встречного увеличивает сопротивление воздуха. Сила сопротивления воздушной среды определяется по формуле:

где V — скорость, км/ч; 13 — коэффициент для перехода размерности (3,6 2 » 13); F — лобовая проекция кузова на плоскость, перпендикулярную направлению движения, F = 0,8ВН (В и Н — габаритные размеры автомобиля); k — коэффициент сопротивления воздушной среды, учитывающий упругость воздуха и обтекаемость кузова (табл. 2.2).

Лекция «Вопросы теории движения легкового автомобиля»

Теоретический анализ эксплуатационных свойств помогает выяснить предельные возможности автомобиля и реализовать в дорожных условиях конструктивные особенности конкретной модели автомобиля.

К основным эксплуатационным свойствам, характеризующим «поведение» легкового автомобиля на дороге, относятся:

динамичность, топливная экономичность, устойчивость, управляемость, проходимость и плавность хода.

В теории автомобиля его эксплуатационные свойства рассматривают изолированно одно от другого. В действительности все они тесно взаимосвязаны. Так, скорость автомобиля на поворотах может быть ограничена не динамичностью, а управляемостью и устойчивостью, а на неровных дорогах плавностью хода.

Динамичность – свойство автомобиля двигаться с максимально возможной средней скоростью, характеризующееся максимальной скоростью движения, интенсивностью разгона до заданной скорости и интенсивностью торможения.

Динамичность автомобиля зависит, прежде всего, от его тяговых и тормозных свойств.

Автомобиль движется в результате воздействия на него различных сил (рис. 1), которые разделяются на силы, движущие автомобиль, и силы, оказывающие сопротивление его движению. Основной движущей силой является сила тяги, приложенная к ведущим колесам. Сила тяги возникает в результате взаимодействия ведущих колес (нагруженных крутящим моментом, передаваемым от двигателя) с дорогой. От величины тягового усилия на колесах зависит преодоление сил сопротивления движению, быстрота разгона, или, как говорят, приемистость автомобиля.

Сила тяги в основном определяется скоростной характеристикой двигателя, а также передаточным отношением и КПД трансмиссии. Скоростные характеристики двигателя характеризуются изменением мощности и крутящего момента, развиваемых двигателем, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

В режиме максимального крутящего момента двигатель развивает наибольшую тягу, необходимую для преодоления больших сопротивлений движению и обеспечения высоких ускорений при разгоне, а в режиме максимальной мощности до движения автомобиля.

Рис. 1. Силы, действующие на автомобиль при движении:

Ри – инерционная, Риб – боковая инерционная, Рбс – сопротивления боковому скольжению, Ррд – реакции дороги на опору колеса, Рт – тяги на ведущих колесах, Рв – сопротивления воздуха, Рд – сопротивления качению.

Эксплуатационная частота вращения коленчатого вала двигателя должна находиться в диапазоне между максимумами крутящего момента и мощности. В этом случае обеспечивается минимальный удельный расход топлива при высоких динамических показателях автомобиля.

Читайте также  Сдать автомобиль по трейд ин

Большую помощь водителю для выбора наиболее оптимального режима движения в конкретных дорожных условиях оказывают тахометр, который контролирует режим работы двигателя, и эконометр, указывающий величину разрежения во впускном трубопроводе.

К силам сопротивления движению автомобиля относят силу трения в трансмиссии, силу сопротивления качению Рд и силу сопротивления воздуху Рв.

Потери в трансмиссии, затрачиваемые на преодоление трения в зацеплениях зубчатых колес коробки передач и главной передачи, в карданных шарнирах, подшипниках и сальниках, характеризуют КПД трансмиссии. Эта величина в процессе эксплуатации автомобиля с учетом приработки деталей изменяется и для легковых автомобилей составляет 0,90. 0,97.

Следовательно, величина мощности и крутящего момента, подводимая к ведущим колесам, будет меньше величин, получаемых непосредственно от двигателя, на величину потерь в трансмиссии, т. е.

где NT–тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам, Ne– эффективная мощность двигателя, NTP – мощность, необходимая для преодоления сил в трансмиссии.

Сила тяги Рт как основная сила, движущая автомобиль, должна быть достаточной для трогания автомобиля с места, поддержания необходимой скорости и придания требуемого ускорения. Сила тяги регламентируется предельным значением коэффициента сцепления шин с дорогой, который характеризует относительную мгновенную неподвижность точки контакта шины и дороги, т. е. избыточная сила тяги, реализуемая крутящим моментом двигателя, приводит к буксованию колес относительно дороги. Наиболее часто буксование наблюдается при резком трогании автомобиля с места и при движении по скользкой дороге.

На дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления зависит главным образом от трения скольжения между шиной и покрытием. При смачивании твердого покрытия коэффициент сцепления резко падает из-за образования пленки из частиц грунта и воды, уменьшающих трение между шиной и дорогой. Большое влияние на коэффициент сцепления оказывают рисунок проектора шин и степень его износа. В противоположность буксованию при разгоне автомобиля, недостаточном сцеплении шин с дорогой, при торможении возникает скольжение вследствие блокировки заторможенного колеса, т. е. «юз». Как полное буксование, так и «юз» являются предельными случаями движения колес, допускать которые нежелательно. При нормальной эксплуатации автомобиля, как правило, наблюдается частичное пробуксовывание или частичное проскальзывание.

Эти максимальные подъемы определяют исходя из того, что весь запас мощности, которым располагает автомобиль, расходуется на преодоление сопротивления движению. Следовательно, когда на дороге встречаются подъемы, которые автомобиль может преодолеть на данной передаче, можно продолжать движение без снижения скорости. Как только крутизна подъема превысит указанный предел, скорость автомобиля резко уменьшается. Поэтому необходимо быстро перейти на пониженную передачу. Если же крутизна фактически преодолеваемого подъема меньше указанной выше, то оставшийся запас мощности двигателя можно израсходовать на разгон автомобиля.

Автомобиль во время движения часть мощности, развиваемой двигателем, затрачивает на преодоление сил сопротивления воздуха Рв. При этом своей лобовой поверхностью автомобиль оказывает давление на воздух, а его боковые поверхности создают силу трения со слоями воздуха. Взаимодействие воздуха с автомобилем при его движении оценивается величиной аэродинамического сопротивления Сх, который для современных легковых автомобилей составляет 0,28. 0,40. Затраты мощности на сопротивление воздуха, ничтожные при малой скорости движения, резко возрастают с ее увеличением.

Подводя итог вышеизложенному, можно сделать вывод, что для обеспечения нормального прямолинейного движения автомобиля необходимо, чтобы действовало следующее неравенство:

Pт > Рд И Рв + Ри, где Рт – сила тяги на ведущих колесах, Рд – сила сопротивления качению, Рв – сила сопротивления воздуха, Ри – сила инерции поступательно движущейся массы G автомобиля.

Динамичность современных легковых автомобилей позволяет достигать максимальной скорости 140. 180 км/ч и интенсивности разгона до скорости 100 км/ч за 12. 18 с.

Динамичность автомобиля характеризуется также и его тормозными свойствами. При движении с той или иной скоростью водитель должен точно знать, какой путь потребуется ему для срочной остановки автомобиля. На сухом горизонтальном участке дороги с твердым покрытием у современных легковых автомобилей малого класса максимальное замедление должно быть не менее 5,8 м/с 2 . Это значит, что тормозной путь при начальной скорости 80 км/ч составит около 40 м. Этот путь возрастает в 1,5. 2 раза на мокром и скользком шоссе, и особенно в гололедицу.

Топливная экономичность определяет техническую и экономическую характеристики автомобиля.

Учитывая, что стоимость топлива составляет 10. 15 % всех затрат на эксплуатацию автомобиля, необходимо использовать топливо с максимальной эффективностью, не допуская неоправданных потерь. Показателем топливной экономичности автомобиля является контрольный расход топлива в литрах на 100 км пути. Контрольные расходы при равномерном, установившемся режиме движения определяют при постоянных скоростях 90 и 120 км/ч. Однако в эксплуатации преобладают переменные режимы движения с разгонами и замедлениями различной интенсивности. Поэтому контрольный расход топлива определяют и при переменном режиме, используя для этого специальный стенд с беговыми барабанами, имитирующими дорожное сопротивление. Движение на стенде осуществляется по так называемому условному городскому циклу, режимы которого составлены на основе статистически обработанных реальных условий эксплуатации с использованием низших передач, режимов разгона и торможения.

При эксплуатации автомобилей для учета расхода топлива используют контрольный эксплуатационный расход топлива (норматив), который отличается от ранее рассмотренных тем, что учитывает особенности эксплуатации автомобиля в конкретных дорожных и климатических условиях.

Следующим свойством, определяющим техническую характеристику автомобиля на дороге, является устойчивость. Она определяется совокупностью свойств, обеспечивающих движение автомобиля без бокового скольжения, опрокидывания и произвольного смещения с заданного направления. Для легковых автомобилей более вероятна и более опасна потеря поперечной устойчивости, которая происходит под действием центробежной силы – поперечной составляющей силы тяжести автомобиля, силы бокового ветра, и силы, возникающей в результате боковых ударов колес о неровности дороги. Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются максимально возможные скорости движения по окружности и максимально допустимый поперечный уклон дороги (косогор), исключающий опрокидывание. Оба показателя могут быть определены из условий поперечного скольжения колес (занос) и опрокидывания автомобиля. Боковое усилие чаще всего возникает под действием боковой инерционной (центробежной) силы (см. рис. 1), величина которой прямо пропорциональна массе и квадрату скорости автомобиля и обратно пропорциональна радиусу поворота, т. е. чем больше скорость автомобиля и чем резче водитель поворачивает рулевое колесо, тем больше вероятность потери устойчивости автомобиле из-за существенного увеличения боковой инерционной силы.

Наиболее опасный вариант нарушения устойчивости – бокового опрокидывание автомобиля. Чаще всего это происходит при резком увеличении боковой инерционной силы из-за упора боковины колеса о препятствие при повороте или поперечном скольжении, а также при движении по косогору.

Для определения условий бокового опрокидывания рассмотри! частный случай движения автомобиля на косогоре. В этом случае автомобиль находится под действием двух составляющих силы тяжести G (рис. 2). Боковая составляющая G вызывает боковое смещение и при определенных условиях опрокидывание автомобиля.

Составляющая G2, перпендикулярная поверхности косогора DE, прижимает к ней колеса автомобиля и противодействует его боковому смещению. Автомобиль сохраняет свою устойчивость, когда линия, по которой направлена сила тяжести G (перпендикуляр к линии горизонта АС), пересекает опорную поверхность в пределах ширины колеи В автомобиля. Опрокидывание автомобиля наступит тогда, когда данное пересечение выйдет за пределы колеи В, а это зависит от высоты h–центра тяжести и угла AKD–наклона косогора. Чем меньше высота h и наклон косогора, тем более устойчив автомобиль против бокового опрокидывания при данной ширине колеи.

Основы теории движения автомобиля

На автомобиль как при движении, так и в неподвижном состоянии действует сила тяжести. Силой тяжести автомобиля является его масса, измеряется она в килограммах и действует параллельно по вертикали вниз, прижимая колеса к дороге.

Как видно, колеса автомобиля могут быть прижаты к дороге с различной силой, что зависит от массы груза и его распределения в кузове. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее автомобиль против опрокидывания. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может сместиться вперед, назад или в сторону, при этом нарушается устойчивость и управляемость автомобиля.

Сила сцепления колес с дорогой возникает между ведущими колесами автомобиля и дорогой. Она равна произведению коэффициента сцепления на сцепную массу, то есть на массу автомобиля, приходящуюся на его ведущие колеса. В автомобиле со всеми ведущими осями сцепной массой является полная масса автомобиля.

Коэффициент сцепления имеет решающее значение при торможении автомобиля. Чем выше коэффициент сцепления, тем больше может быть интенсивность торможения автомобиля.

Величина коэффициента сцепления колес автомобиля с дорогой имеет большое значение для эксплуатации транспортных средств и безопасности дорожного движения. При низком коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места затруднено, так как оно сопровождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес, поэтому автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходят резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы рисунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги. Здесь важно исправное состояние рисунка протектора шины.

Повышенное давление воздуха в шинах уменьшает их опорную поверхность, вследствие чего давление возрастает настолько, что при троганин с места и при торможении сцепление колес с дорогой уменьшается.

В связи с тем, что много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, водители при управлении автомобилем должны уметь оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с дорожными и погодными условиями.

Сила сопротивления качению колес автомобиля складывается из деформации шин и грунта, трения шин о дорогу, трения в подшипниках передних колес, в рессорах и рессорных серьгах или в амортизаторах подвески автомобиля. Определение всех этих сил в различных условиях движения а-втомобиля очень сложно. Поэтому все эти сопротивления учитываются общим коэффициентом, установленным экспериментальным путем. Этот коэффициент называется коэффициентом сопротивления качению автомобиля.

Коэффициент сопротивления качению шин на асфальтированном покрытии равен 0,019—0,020; на гравийном покрытии — 0,02— 0,025; на песке — 0,1—0,3.

Сила сопротивления воздуха слагается из любого движения встречного воздуха, разрежения за движущимся автомобилем, трения частиц воздуха о поверхность кузова автомобиля. Силу сопротивления воздуха можно определить приближенно перемножением площади проекции автомобиля на коэффициент сопротивления воздуха и скорость движения автомобиля. Коэффициент сопротивления воздуха определяется в килограммах на 1 м2 площади проекции автомобиля при скорости движения 1 м/сек. Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой поверхности автомобиля, его формы, а также скорости движения. С увеличением скорости автомобиля сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения, то есть если скорость возрастает в два раза, то сопротивление воздуха увеличивается в четыре раза.

Читайте также  Легкое укрытие для автомобиля

Мощность, затрачиваемая на сопротивление воздуха, с увеличением скорости движения автомобиля возрастает пропорционально кубу скорости. Из этого следует, что груз на грузовых автомобилях надо распределять равномерно по поверхности платформы, а также не развивать высоких скоростей.

Сила, затрачиваемая автомобилем на преодоление подъема, равна массе автомобиля, умноженной на величину угла подъема.

Чем круче подъем, тем больше сила, затрачиваемая на его преодоление. При движении автомобиля под уклон, наоборот, возникает сила, способствующая ускорению движения автомобиля. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможность преодоления подъема. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее в начале подъема. При движении автомобиля под уклон, наоборот, возникает сила, способствующая ускорению движения автомобиля. Вследствие этого на крутых спусках рекомендуется включить ту передачу, на которой можно осуществить подъем.

Устройство автомобилей

В предыдущей статье рассмотрены все силы, действующие на автомобиль во время его прямолинейного движения – сила тяги Рт , сила тяжести G , сила сопротивления воздуха Рω , касательные Rx и нормальные Ry составляющие реакции дороги, силы инерции Pj , силы сопротивления подъему Pα , силы сопротивления качению колес Pf , и (в случае движения автопоезда) сила Рпр на буксирном крюке.
Эти силы можно разделить на две группы – силы, обеспечивающие движение автомобиля, и силы сопротивления, препятствующие этому движению. В общем случае лишь одна сила обеспечивает его движение – сила тяги Рт , приложенная к ведущим колесам. В частных случаях реально помогать движению автомобиля могут еще три силы – сила тяжести (при движении под уклон), сила инерции и сила попутного ветра. Тем не менее, эти силы при составлении динамического баланса тоже следует отнести к силам сопротивления движению автомобиля, учитывая лишь их векторное значение для каждого конкретного случая..

Спроектировав все силы на плоскость опорной поверхности автомобиля, получим уравнение динамики прямолинейного движения:

Очевидно, что движение возможно лишь в том случае, если сила тяги Рт будет больше суммы сил Pψ , Pj , Pω , препятствующих движению. При этом движение возможно до тех пор, пока не начнется пробуксовка ведущих колес, т. е. сила тяги на ведущих колесах не превысит значение, при котором не будет иметь место сцепление шин с поверхностью дороги.

Сила тяги по сцеплению

Сила тяги образуется касательными реакциями дороги. Эти реакции представляют собой силы трения и силы зацепления, при этом силы зацепления возникают на деформируемых грунтах. Сила тяги ведущего колеса, которую можно реализовать для движения автомобиля на данном дорожном покрытии или грунте, имеет предел, зависящий от сцепных свойств шины.

Предельные значения силы тяги, которые можно реализовать по сцепным свойствам дороги, называют силой тяги по сцеплению Pφ . Основными факторами, влияющими на силу тяги по сцеплению, являются:

  • нагрузка на ведущие колеса (сцепная нагрузка) и ее распределение по колесам;
  • качество и состояние дорожного покрытия (грунта);
  • удельное давление шин на дорогу;
  • тип силовой передачи;
  • состояние протектора шин.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов на силу тяги по сцеплению.

Сцепная нагрузка

При увеличении нагрузки на колесо увеличивается сила трения и сила зацепления. Сила тяги по сцеплению прямо пропорциональна сцепной нагрузке Gφ или нормальным реакциям на ведущих колесах:

где φx – коэффициент продольного сцепления колеса с опорной поверхностью.

А поскольку сила тяги определяется максимальным значением касательной реакции дороги, которая пропорциональна Rz , то можно записать:

где Rx max – максимально возможная продольная реакция по сцеплению.

Коэффициент φx определяется экспериментальным путем чаще всего при скольжении колеса в тормозном режиме, т. е. при протаскивании полностью заторможенного колеса:

Дорожное покрытие

Качество и состояние дорожного покрытия являются решающими факторами, влияющими на коэффициент сцепления φx . При движении автомобиля по дороге с твердым покрытием коэффициент продольного сцепления колеса с опорной поверхностью зависит от шероховатости и влажности дороги, наличия пыли и грязи. При этом даже тонкий слой воды на дорожном покрытии может не только существенно снизить φx , но и создавать подъемную силу, еще больше снижая сцепление шины с дорогой. Такой же и даже более выраженный эффект может создавать жидкая грязь на дороге.
Следует учитывать, что подъемная сила, возникающая при движении по мокрым и грязным дорогам, пропорциональная квадрату скорости движения автомобиля, и при большой скорости может вызвать аквапланирование, когда полностью прерывается контакт между шинами и дорогой.

силовой и мощностной баланс автомобиля

Удельное давление на дорогу

Удельное давление шины на дорогу определяется площадью опорной поверхности шины и весом автомобиля, приходящимся на данное колесо. Регулировать удельное давление шины на дорогу можно изменением давления в шине – при снижении давления увеличивается площадь опорной поверхности и удельное давление снижается, и наоборот – при увеличении давления воздуха в шине уменьшается площадь опорной поверхности, что приводит к увеличению удельного давления колеса на дорогу.

Очевидно, что увеличение опорной поверхности шины с дорогой приводит к увеличению силы сцепления, особенно, на грунтовых дорогах, поскольку в зацеплении участвует большее количество грунтозацепов протектора покрышки.

При движении по влажным дорожным покрытиям повышенное удельное давление (давление в шинах) может благотворно сказаться на сцеплении шин с дорогой из-за выдавливания влаги из-под колес.

Удельное давление, оказываемое колесом на опорную поверхность, в некоторой степени зависит и от размеров шины – от ее диаметра и ширины. При увеличении диаметра колеса сегмент дуги, по которой осуществляется контакт шины с дорогой, имеет бȯльшую длину, чем опорный сегмент маленького колеса. Широкая шина создает колесу опору большей площади, чем узкая.

Влияние на сцепные свойства типа трансмиссии

Многочисленные опыты показали, что применение бесступенчатых трансмиссий обеспечивает повышение силы тяги по сцеплению. Главную роль здесь играет возможность плавного изменения величины тяговых моментов на ведущих колесах, без рывков и резких толчков.
В трансмиссиях, оснащенных ступенчатыми коробками передач, потеря сцепления колес с опорной поверхностью чаще всего имеет место во время переключения передач, сопровождающихся резким изменением величины крутящего момента на колесах.

Влияние конструкции шин

Важную роль в повышении сцепления колеса с дорогой играют рисунок протектора, а для шин повышенной проходимости размеры (особенно, высота) грунтозацепов протектора. Протектор шин легковых автомобилей обычной проходимости, как правило, имеет мелкий рисунок, обеспечивающий хорошее сцепление с твердым покрытием.
Наименьший коэффициент сцепления при прочих равных условиях у шин с изношенным рисунком протектора. Поэтому использование автомобилей с такими шинами запрещено.

Недостаточная величина коэффициента сцепления является причиной многих дорожно-транспортных происшествий. Для обеспечения безопасности дорожного движения его величина не должна быть меньше 0,4.

На дорогах с низкими сцепными свойствами коэффициент сцепления φx снижается до 0,2 и становится соизмеримым с коэффициентом сопротивления качению f . Это означает,что движение может оказаться невозможным из-за отсутствия запаса силы тяги по сцеплению. Следовательно, условие качения колес без скольжения можно представить в виде

Если сила тяги Рт меньше силы сцепления Рφ , ведущие колеса катятся без буксования. Если сила тяги превысит силу сцепления колес с дорогой, ведущие колеса будут пробуксовывать, а для движения использоваться лишь часть силы тяги, равная φRz . Остальная часть силы тяги вызывает ускоренное вращение буксующих колес. Буксование колес связано со значительными потерями энергии на трение шин о дорогу и разрушение опорной поверхности.

условия возможности движения автомобиля

Не менее вредное влияние на сцепную тягу автомобиля и его устойчивость на дороге оказывает скольжение заторможенных колес по твердому дорожному покрытию (блокировка колес). В этом случае изношенные частицы шины, попадая на опорную поверхность колеса и дороги, вызывают эффект «смазки», существенно снижая сцепные свойства шины. Это явление явилось причиной появления тормозных систем с антиблокировочными устройствами (АБС).

Условия возможности движения автомобиля

Согласно уравнению силового баланса (1) равномерное безостановочное движение автомобиля возможно лишь при условии

Выполнение этого условия для безостановочного движения автомобиля необходимо, но недостаточно, поскольку оно возможно лишь при отсутствии буксования ведущих колес.

Учитывая формулу (2) условие безостановочного движения можно выразить так:

Если суммарная сила сопротивления движению больше силы тяги, то двигатель автомобиля заглохнет. Если сила тяги превысит силу сцепления, ведущие колеса начнут пробуксовывать.

Формула (4) справедлива для полноприводных автомобилей, где вертикальная реакция Rz на ведущих колесах равна весу автомобиля. Для переднеприводных автомобилей вместо Rz следует подставить Rz1 , для заднеприводных – Rz2 .

Мощностной баланс автомобиля

Иногда вместо силового баланса, характеризуя возможность движения автомобиля, пользуются мощностным балансом. Мощность силы определяется ее модульной величиной и скоростью v движения тела под действием этой силы. Если умножить все члены уравнения силового баланса (1) на v /1000, получим уравнение мощностного баланса:

где Nт – тяговая мощность:

Nт = Ртv/ 1000 = Мкiтрηтрv/ 1000 r = Nеηтр
(здесь Nе – эффективная мощность двигателя, ηтр – КПД трансмиссии, iтр – передаточное число трансмиссии);

Nα – мощность, затрачиваемая на преодоление подъема:

Nf – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению:

Nω — мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха:

Nj – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления разгону:

Nψ – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления дороги:

Уравнение мощностного баланса устанавливает соотношения между мощностью, подводимой к ведущим колесам автомобиля и мощностью, необходимой для преодоления сопротивления движению автомобиля.

Используя уравнение мощностного баланса строят графики мощностного баланса для движения автомобиля на каждой из передач. Такие графики удобно использовать при сравнительной оценке тяговых свойств автомобиля графическими методами.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: