Понятие о тяговом балансе автомобиля

При движении автомобиля тяговая сила на ведущих колесах автомобиля в каждый данный момент времени равна сумме внешних сил сопротивления качению, силе сопротивления воздуха, силе сопротивления подъему и силе сопротивления разгону (силе инерции). Если это равенство записать в виде формулы, то получим тяговый баланс автомобиля.

Рис. 5.3. График тягового баланса автомобиля

Изменение тяговой силы, подводимой к ведущим колесам, в зависимости от скорости движения автомобиля и включенной в коробке передач передачи показано на (рис. 5.3). Максимальная тяговая сила достигается на первой передаче. На каждой из передач тяговая сила имеет максимальное значение при определенной скорости, снижаясь далее как с повышением скорости, так и с ее уменьшением. Такой характер изменения тяговой силы определяется характером изменения крутящего момента Ме двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Если на (рис. 5.3) провести кривую, соответствующую силе Pf сопротивления качению, от нее отложить значение силы Pw сопротивления воздуха и провести кривую суммы этих сил, то получиться график тягового баланса автомобиля. Этот график показывает, например, что при скорости V, отрезок аб равен силе Рг сопротивления качению, отрезок бв - силе Pw сопротивления воздуха, следовательно, отрезок ав равен сумме сил Рг и Pw.

Так как кривая суммы сил сопротивления в точке в пересекает кривую тяговой силы на V передаче, то в этой точке тяговая сила полностью затрачивается на преодоление сил сопротивления качению и сопротивления воздуха, т.е. автомобиль движется равномерно с максимально возможной скоростью при заданных дорожных условиях (при заданном коэффициенте сопротивления качению).

При скорости V2 отрезок ав тоже равен сумме сил Pf и Pw, но в данном случае тяговая сила больше указанной суммы сил. Отрезок вг представляет собой запас Рз тяговой силы, который может быть использован на ускорение движения автомобиля, преодоление подъема и буксирование прицепа. Таким образом, график тягового баланса может быть использован при решении практических задач, т.е. для определения максимальной скорости движения автомобиля, максимального угла подъема дороги, массы буксируемого прицепа и ускорения автомобиля при разгоне.

Торможение автомобиля

Тормозная динамичность характеризуется способностью автомобиля быстро уменьшить скорость и остановиться. Надежная и эффективная тормозная система позволяет водителю уверенно вести автомобиль с большой скоростью и при необходимости остановить его на коротком участке пути. Современные автомобили имеют четыре тормозные системы: рабочую, запасную, стояночную и вспомогательную. Причем, привод ко всем контурам тормозной системы раздельный. Наиболее важной для управления и безопасности является рабочая тормозная система. С ее помощью осуществляется служебное и экстренное торможение автомобиля.

Служебным называют торможение с небольшим замедлением (1-3 м/с²). Его применяют для остановки автомобиля на ранее намеченном месте или для плавного снижения скорости.

Экстренным называют торможение с большим замедлением, обычно максимальным, доходящим до 8 м/с². Его применяют в опасной обстановке для предотвращении пасши ни неожиданно появившееся препятствие.

При торможении автомобиля на и о колеса действует не сила тяги, а тормозные силы Р т1 и Рт2, как показано на (рис. 5.4). Сила инерции в этом случае направлена в сторону движения автомобиля.

Рассмотрим процесс экстренного торможения. Водитель заметив препятствие, оценивает дорожную обстановку, принимает решение о торможении и переносит ногу на тормозную педаль. Время t, необходимое для этих действий (время реакции водителя), изображено на (рис. 5.4) отрезком АВ. Автомобиль за это время проходит путь S не снижая скорости. Затем водитель нажимает на тормозную педаль и давление от главного тормозного цилиндра (или тормозного крана) передается колесным тормозам (время срабатывания тормозного привода t pт - отрезок ВС. Время tт зависит в основ-ном от конструкции тормозного привода. Оно равно в среднем 0,2-0,4 с у автомобилей с гидравлическим приводом и 0,6-0,8 с с пневматическим. У автопоездов с пневматическим тормозным приводом время tт может достигать 2-3 с. Автомобиль за время tт проходит путь Sт, так же не снижая скорости.

Рис. 5.4. Остановочный и тормозной пути автомобиля

По истечении времени tрт тормозная система полностью включена (точка С), и скорость автомобиля начинает снижаться. При этом замедление сначала увеличивается (отрезок CD, время нарастания тормозной силы tнт), а затем остается примерно постоянным (установившимся) и равным jуст (время t уст, отрезок DE). Длительность периода tнт зависит от массы транс-портного средства, типа и состояния дорожного покрытия. Чем больше масса автомобиля и коэффициент сцепления шин с дорогой, тем больше время t. Значение этого времени находится в пределах 0,1-0,6 с. За время tнт автомобиль перемещается на расстояние Sнт,, и скорость его несколько снижается.

При движении с установившимся замедлением (время tуст, отрезок DE), скорость автомобиля за каждую секунду уменьшается на одну и ту же величину. В конце торможения она падает до нуля (точка Е), и автомобиль, пройдя путь Sуст, останавливается. Водитель снимает ногу с тормозной педали и происходит оттормаживание (время оттормаживания toт, участок EF).

Если тормозные силы на всех колесах достигли максимального значения (силы сцепления шин с дорогой), то установившееся замедление

(5.1)

Однако под действием силы инерции передний мост при торможении нагружается, а задний, напротив, разгружается. Поэтому реакция на передних колесах Rzl увеличивается, а на задних Rz2 уменьшается. Соответственно изменяются силы сцепления, поэтому у большинства автомобилей полное и одновременное использование сцепления всеми колесами автомобиля наблюдается крайне редко и фактическое замедление меньше максимально возможного. Чтобы учесть снижение замедления, в формулу для определения jуст приходится вводить поправочный коэффициент эффективности торможения K.э, равный 1,1-1,15 для легковых автомобилей и 1,3-1,5 для грузовых автомобилей и автобусов. На скользких дорогах тормозные силы на всех колесах автомобиля практически одновременно достигают значения силы сцепления. Поэтому при jx < 0,4 принимают Кэ = 1 независимо от типа автомобиля. Фактически установившееся замедление

 (5.2)

Время движения автомобиля с установившимся замедлением где 3,6 - переводной коэффициент.

Полное время, необходимое для остановки (остановочное время): Расстояние, на котором можно остановить автомобиль, движущийся со скоростью V (остановочный путь):

Безопасность можно обеспечить только в том случае, если остановочный путь автомобиля меньше расстояния Sа до препятствия (рис. 5.4,а) и расстояние а равно 0,5-1,0 м.

Чтобы оценить эффективность рабочей тормозной системы, определяют тормозной путь, т.е. расстояние, на которое перемещается автомобиль с момента касания тормозной педали до остановки:

Sо = S р +S рт +Sт +Sуст = (tр +tрт +0,5нт)V ч3,6 +V 2 Kэ ч(254 jx) (5.3)

Тормозной путь меньше остановочного, т.к. за время реакции водителя автомобиль перемещается на значительное расстояние. Остановочный и тормозной пути увеличиваются с ростом скорости и уменьшением коэффициента сцепления. Минимально допустимые значения тормозного пути при начальной скорости 40 км/ч на горизонтальной дороге с сухим, чистым и ровным покрытием нормированы.

S т = (t рт + 0,5 нт)V ч 3,6 + V 2 K э ч (254 j x) (5,4)

Эффективность тормозной системы в большой степени зависит от ее технического состояния и технического состояния шин. В случае проникновения в тормозную систему масла или воды снижается коэффициент трения между тормозными накладками и барабанами (или дисками), и тормозной момент уменьшается. При износе протекторов шин уменьшается коэффициент сцепления. Это влечет за собой снижение тормозных сил. В эксплуатации часто тормозные силы левых и правых колес автомобиля различны, что вызывает его поворот вокруг вертикальной оси. Причинами могут быть различный износ тормозных накладок и барабанов или шин или проникновение в тормозную систему одной стороны автомобиля масла или воды, уменьшающих коэффициент трения и снижающих тормозной момент.

Устойчивость автомобиля

Под устойчивостью понимают свойства автомобиля противостоять заносу, скольжению, опрокидыванию. Различают продольную и поперечную устойчивость автомобиля. Более вероятна и опасна потеря поперечной устойчивости.

Курсовой устойчивостью автомобиля называют его свойство двигаться в нужном направлении без корректирующих воздействий со стороны водителя, т.е. при неизменном положении рулевого колеса. Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью все время неожиданно меняет направление движения. Это создает угрозу другим транспортным средствам и пешеходам. Водитель, управляя неустойчивым автомобилем, вынужден особенно внимательно следить за дорожной обстановкой и постоянно корректировать движение, чтобы предотвратить выезд за пределы дороги. При длительном управлении таким автомобилем водитель быстро утомляется, повышается возможность ДТП.

Нарушение курсовой устойчивости происходит в результате действия возмущающих сил, например, порывов бокового ветра, ударов колес о неровности дороги, а также из-за резкого поворота управляемых колес водителем. Потеря устойчивости может быть вызвана и техническими неисправностями (неправильная регулировка тормозных механизмов, излишний люфт в рулевом управлении или его заклинивание, прокол шины и др.)

Особенно опасна потеря курсовой устойчивости при большой скорости. Автомобиль, изменив направление движения и отклонившись даже на небольшой угол, может через короткое время оказаться на полосе встречного движения. Так, если автомобиль, движущийся со скоростью 80 км/ч, отклонится от прямолинейного направления движения всего на 5°, то через 2,5 с он переместиться в сторону почти на I м и водитель может не успеть вернуть автомобиль на прежнюю полосу.

Рис. 5.5. Схема сил, действующих на автомобиль

Часто автомобиль теряет устойчивость при движении по дороге с поперечным уклоном (косогору) и при повороте на горизонтальной дороге. Если автомобиль движется по косогору (рис. 5.5,а) сила тяжести G составляет с поверхностью дороги угол в и ее можно разложить на две составляющие: силу Р1, параллельную дороге, и силу Р2, перпендикулярную ей. Сила Р1, стремиться сдвинуть автомобиль под уклон и опрокинуть его. Чем больше угол косогора в, тем больше сила Р1, следовательно, тем вероятнее потеря поперечной устойчивости. При повороте автомобиля причиной потери устойчивости является центробежная сила Рц (рис. 5.5,б), направленная от центра поворота и приложенная к центру тяжести автомобиля. Она прямо пропорциональна квадрату скорости автомобиля и обратно пропорциональна радиусу кривизны его траектории.

Поперечному скольжению шин по дороге противодействуют силы сцепления, как уже отмечалось выше, которые зависят от коэффициента сцепления. На сухих, чистых покрытиях силы сцепления достаточно велики, и автомобиль не теряет устойчивости даже при большой поперечной силе. Если дорога покрыта слоем мокрой грязи или льда, автомобиль может занести даже в том случае, когда он движется с небольшой скоростью по сравнительно пологой кривой.

(5.5)

Максимальная скорость, с которой можно двигаться по криволинейному участку радиусом R без поперечного скольжения шин, равна Так, выполняя поворот на сухом асфальтобетонном покрытии (jx=0,7) при R=50м, можно двигаться со скоростью около 66 км/ч. Преодолевая тот же поворот после дождя (jx=0,3) без скольжения можно двигаться лишь при скорости 40-43 км/ч. Поэтому перед поворотом нужно уменьшить скорость тем больше, чем меньше радиус предстоящего поворота. Формула (5.5) определяет скорость, при которой колеса обоих мостов автомобиля скользят в поперечном направлении одновременно. Такое явление в практике наблюдается крайне редко. Гораздо чаще начинают скользить шины одного из мостов - переднего или заднего. Поперечное скольжение переднего моста возникает редко и к тому же быстро прекращается. В большинстве скользят колеса заднего моста, которые, начав двигаться в поперечном направлении, скользят все быстрее. Такое ускоряющееся поперечное скольжение называют заносом. Для гашения начавшегося заноса нужно повернуть рулевое колесо в сторону заноса. Автомобиль при этом начнет двигаться по более пологой кривой, радиус поворота увеличиться, а центробежная сила уменьшится. Поворачивать рулевое колесо нужно плавно и быстро, но не на очень большой угол, чтобы не вызвать поворот в противоположную сторону. Как только занос прекратиться, нужно также плавно и быстро вернуть рулевое колесо в нейтральное положение. Следует также заметить, что для выхода из заноса заднеприводного автомобиля подачу топлива нужно уменьшить, а на переднеприводном, напротив, увеличить.

Часто занос возникает во время экстренного торможения, когда сцепление шин с дорогой уже использовано для создания тормозных сил. В этом случае следует немедленно прекратить или ослабить торможение и тем самым повысить поперечную устойчивость автомобиля.

Под действием поперечной силы автомобиль может не только скользить по дороге, по и опрокинуться на бок или на крышу. Возможность опрокидывания зависит от положения центра, тяжести автомобиля. Чем выше от поверхности автомобиля находится центр тяжести, тем вероятнее опрокидывание. Особенно часто опрокидываются автобусы, а также грузовые автомобили, занятые на перевозке легковесных, объемных грузов (сено, солома, пустая тара и т.д.) и жидкостей. Под действием поперечной силы рессоры с одной стороны автомобиля сжимаются и кузов его наклоняется, увеличивая опасность опрокидывания.

Максимальная скорость, с которой можно преодолевать поворот без опрокидывания равна:

(5.6)

где n - коэффициент, учитывающий поперечный наклон (крен) кузова на подвеске;

R - 0,9 для легковых автомобилей и 0,8 для грузовых и автобусов;

В - колея автомобиля, м;

h - высота центра тяжести, м.

Если по формулам (5.4) и (5.5) подсчитать скорости Vck и Von, то почти всегда окажется, что Vck<Vom. Следовательно, при одной и той же скорости поперечное скольжение шин и занос наиболее вероятны, чем опрокидывание. Однако это не совсем верно, так как, определяя скорость Vck, мы считали, что центробежной силе противодействуют только силы сцепления, удерживающие автомобиль. Но, возможно, что поперечному скольжению автомобиля помешает какое-либо препятствие (неровность дороги, бордюрный камень тротуара и т.д.). В этом случае автомобиль может опрокинуться и без скольжения шин. Особенно опасным является сочетание криволинейного участка дороги с поперечным уклоном. На (рис. 34.5,в) показаны два автомобиля, движущихся по криволинейному участку: автомобиль I - по внешнему краю дороги, а автомобиль II - по внутреннему. Разложим силу веса G и центробежную силу Р у каждого автомобиля на два направления: перпендикуляр-но к дорожному полотну (силы Р2 и Рц2) и параллельное ему (Р, и Рц). У автомобиля II силы Р2 и Рц2 складываются, увеличивая силу сцепления шин с дорогой. Силы же Р, и Рц1 действуют в противоположных направлениях и частично уравновешивают одна другую. У автомобиля I, напротив, сила Рц2, действуя в направлении, противоположном силе Р 2 уменьшает силу сцепления шин с дорогой, а силы Pj и Р, складываются, увеличивая возможность нарушения устойчивости автомобиля. Таким образом, на дорогах с двускатной проезжей частью, всегда более опасен левый поворот автомобиля.

Для создания необходимой безопасности движения на дорогах с малым радиусом поворота устраивают односкатный поперечный профиль - вираж. На вираже проезжая часть и обочины имеют поперечный наклон к центру кривой. При наличии виража, независимо от направления движения автомобиля, составляющие сил Рц и G направлены также, как у автомобиля II, и обеспечивают сохранение поперечной устойчивости. Поперечный уклон виража увеличивают при уменьшении радиуса поворота.

Управляемость автомобиля

Под управляемостью понимают свойство автомобиля обеспечивать движение в направлении, заданном водителем. Управляемость автомобиля больше, чем другие его эксплуатационные свойства, связана с водителем. Для обеспечения хорошей управляемости конструктивные параметры автомобиля должны соответствовать психофизиологическим характеристикам водителя.

Управляемость автомобиля характеризуется несколькими показателями. Основные из них: предельное значение кривизны траектории при круговом движении автомобиля, предельное значение скорости изменения кривизны траектории, количество энергии, затрачиваемой на управление автомобилем, величина самопроизвольных отклонений автомобиля от заданного направления движения.

Управляемые колеса под воздействием неровностей дороги постоянно отклоняются от нейтрального положения. Способность управляемых колес сохранять нейтральное положение и возвращаться в него после поворота называется стабилизацией управляемых колес. Весовая стабилизация обеспечивается поперечным наклоном шкворней передней подвески. При повороте колес благодаря поперечному наклону шкворней автомобиль приподнимается, но своим весом стремиться вернуть повернутые колеса в исходное положение (рис. 5.6,а). Скоростной стабилизирующий момент обусловлен продольным наклоном шкворней. Шкворень расположен так, что его верхний конец направлен назад, а нижний вперед. Ось шкворня пересекает поверхность дороги впереди пятна контакта колеса с дорогой. Поэтому при движении автомобиля сила сопротивления качению создает стабилизирующий момент относительно оси шкворня (рис. 5.6,б). При исправном рулевом приводе и рулевом механизме после поворота автомобиля управляемые колеса и рулевое колесо должны возвращаться в нейтральное положение без участия водителя.

В рулевом механизме червяк расположен относительно ролика с небольшим перекосом. В связи с этим в среднем положении зазор между червяком и роликом минимален и близок к нулю, а при отклонении ролика и сошки в любую сторону зазор увеличивается. Поэтому при нейтральном положении колес в рулевом механизме создается повышенное трение, способствующее стабилизации колес и скоростного стабилизирующих моментов.

Неправильная регулировка рулевого механизма, большие зазоры в рулевом приводе могут стать причиной плохой стабилизации управляемых колес, причиной колебания курса автомобиля. Автомобиль с плохой стабилизацией управляемых колес самопроизвольно меняет направление движения, вследствие чего водитель вынужден непрерывно поворачивать рулевое колесо то в одну, то в другую сторону, чтобы возвратить автомобиль на свою полосу движения.

Рис. 5.6. Принцип создания весового

Плохая стабилизация управляемых колес требует значительных за-трат физической и психической энергии водителя, повышает износ шин и деталей рулевого привода.

При движении автомобиля на повороте наружные и внутренние ко-леса катятся по окружностям различного радиуса (рис. 5.7). Для того чтобы колеса катились без скольжения, их оси должны пересекаться в одной точке. Л для выполнения этого условия управляемые колеса должны поворачиваться на разные углы. Поворот колес автомобиля на разные углы обеспечивает рулевая трапеция. Наружное колесо всегда поворачивается на меньший угол, чем внутреннее, и эта разница тем больше, чем больше угол поворота колес.

Значительное влияние на поворачиваемость автомобиля оказывает эластичность шин. При действии на автомобиль боковой силы (неважно, силы инерции или бокового ветра) шины деформируются и колеса вместе с автомобилем смещаются в сторону действия боковой силы. Это смещение тем больше, чем больше боковая сила и чем выше эластичность шин. Угол между плоскостью вращения колеса и направлением его движения называется углом увода 8 (рис. 5.8).

При одинаковых углах увода передних и задних колес автомобиль сохраняет заданное направление движения, но повернут относительно него на величину угла увода. Если угол увода колес передней оси больше угла увода колес задней тележки, то при движении автомобиля на повороте он будет стремиться двигаться по дуге большего радиуса, чем та, которую задает водитель. Такое свойство автомобиля называется недостаточной поворачиваемостью.

Если угол увода колес задней оси больше угла увода колес передней оси, то при движении автомобиля на повороте он будет стремиться двигаться по дуге меньшего радиуса, чем та, которую задает водитель. Такое свойство автомобиля называется избыточной поворачиваемостью.

Поворачиваемостью автомобиля можно в некоторой степени управлять, применяя шины разной пластичности, изменяя давление в них, изменяя распределение массы автомобиля по осям (за счет размещения груза).

Рис. 5.7. Кинематика поворота автомобиля

Рис. 5.8. Схема увода колеса в следствии действия боковой силы

Автомобиль с избыточной поворачиваемостью более маневренный, но требует большего внимания и высокого профессионального мастерства от водителя. Автомобиль с недостаточной поворачиваемостью требует меньшего внимания и мастерства, но затрудняет работу водителя, так как требует поворотов рулевого колеса на большие углы.

Влияние поворачиваемости и на движение автомобиля становится заметным и существенным только на высоких скоростях.

Управляемость автомобиля зависит от технического состояния его ходовой части и рулевого управления. Уменьшение давления в одной из шин увеличивает ее сопротивление качению и уменьшает поперечную жесткость. Поэтому автомобиль со спущенной шиной постоянно отклоняемся и ее сторону. Для компенсации этого увода водитель поворачивает управляемые колеса в сторону, противоположную уводу, и колеса начинают катиться с боковым скольжением, интенсивно изнашиваясь при этом.

Износ деталей рулевого привода и шкворневого соединения приводит к образованию зазоров и возникновению произвольных колебаний колес. При больших зазорах и высокой скорости движения колебания передних колес могут быть настолько значительными, что нарушится их сцепление с дорогой.

Причиной колебания колес может явиться их дисбаланс из-за дисбаланса шины, заплатки па камере, грязи на диске колеса. Для предотвращения колебаний колес их необходимо балансировать на специальном стенде установкой на диск балансировочных грузов.

Проходимость автомобиля

Под проходимостью понимают свойство автомобиля двигаться по неровной и труднопроходимой местности не задевая за неровности нижним контуром кузова.

Проходимость автомобиля характеризуется двумя группами показателей: геометрическими показателями проходимости и опорно-сцепными показателями проходимости. Геометрические показатели характеризуют вероятность задевания автомобиля за неровности, а опорно-сцепные характеризуют возможность движения по труднопроходимым участкам дорог и бездорожью.

По проходимости все автомобили можно разделить на три группы:

- автомобили общего назначения (колесная формула 4x2, 6x4);

- автомобили повышенной проходимости (колесная формула 4x4, 6x6);

- автомобили высокой проходимости, имеющие специальную компоновку и конструкцию, многоосные со всеми ведущими колесами, гусеничные или полугусеничные, автомобили - амфибии и другие автомобили, специально предназначенные для работы только в условиях бездорожья.