«В. А. МОЛОДЦОВ БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по ...»

В случае обгона, сочетаемого с разгоном, большое значение имеет приемистость автомобиля. Чем больше максимальное ускорение автомобиля, тем быстрее будет закончен обгон. Так, если принять D1 = D2 = 30 м и L1 = L2 = 5 м, то при j = 0,2 м/с2 для обгона автомобиля, двигающегося со скоростью 10 м/с, необходимы время не менее 27 с и расстояние около 335 м. При увеличении ускорения до 0,4 м/с2, время обгона уменьшается до 19 с, а путь обгона – до 260 м.

Наиболее безопасен обгон легковым автомобилем тихоходного транспортного средства, например грузового автомобиля. Напротив, обгоны легковых автомобилей, предпринимаемые водителями грузовых автомобилей и даже автопоездов, весьма опасны и нередко заканчиваются трагически. Для снижения вероятности ДТП наиболее часто вводят запрещения обгонов для грузовых автомобилей.

2.5. ТОРМОЗНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЯ

2.5.1. Общие сведения о тормозном управлении автомобиля Безопасность движения автомобилей с высокими скоростями в значительной степени определяется эффективностью действия и безотказностью тормозов.

Эффективность торможения при определённой начальной скорости оценивается длиной тормозного пути или временем движения автомобиля до остановки. Частное от деления начальной скорости на время даёт величину средних замедлений при торможении. Чем эффективнее действие тормозов, тем выше безопасная скорость, которую может допускать водитель, и тем выше скорость движения автомобиля на всём маршруте.

Торможение необходимо не только для быстрой остановки автомобиля при внезапном появлении препятствий, но и как средство регулирования скорости его движения.

Тормозные свойства относятся к важнейшим из эксплуатационных свойств, определяющих безопасность движения автомобиля, под которой понимается совокупность специальных конструктивных мероприятий, обеспечивающих снижение вероятности возникновения ДТП.

Ввиду большого значения свойств, определяющих безопасность движения автомобиля, их регламентация является предметом ряда международных документов. Тормозные свойства регламентированы Правилами № 13 и № 13 Н Комитета по внутреннему транспорту Европейской Экономической Комиссии Организации Объединённых Наций (ЕЭК ООН). В соответствии с этими правилами разрабатываются национальные стандарты. В России для автомобилей действует ГОСТ Р 41.13–2007, а для автомобилей, находящихся в эксплуатации, – ГОСТ Р 51709–2001.

В практике различают следующие виды торможений: экстренное (аварийное); служебное; на уклонах (подъёмах) дороги.

Экстренное и служебное торможения отличаются друг от друга интенсивностью, т.е. величиной замедлений (отрицательных ускорений), которые получает автомобиль. Экстренные торможения выполняются с максимальной интенсивностью. Они составляют 5 – 10% общего числа торможений. Служебное торможение применяют для остановки автомобиля в заранее намеченном месте или для плавного уменьшения его скорости.

Замедления автомобиля при служебном торможении в 2–3 раза меньше, чем при экстренном.

При торможении автомобиля с замедлением его кинетическая энергия расходуется на преодоление сил сопротивления. К ним относятся сопротивление качению, сопротивление воздуха, сопротивление подъёму (естественные сопротивления) и сопротивление торможения (искусственное сопротивление).

Торможение на спуске (подъёме) применяется для удержания автомобиля на месте (при V = 0) или для поддержания постоянной скорости движения (V = const).

Замедления автомобиля в этом случае равны нулю.

На спусках горных дорог по направлению движения автомобиля действует продольная составляющая его веса G sin. Если величина угла уклона дороги > arctg f, то сила G sin при движении автомобиля накатом вызывает его разгон.

Чтобы поддерживать скорость на спуске постоянной, необходимо притормаживать автомобиль, создавая на колёсах силы сопротивления.

При этом виде торможения поглощается потенциальная энергия автомобиля.

При торможении на ступицы колёс автомобиля действуют тормозные моменты М, а на колёсах возникают касательные реакции дороги (тормозные силы P), направленные навстречу движению.

Сопротивление торможения – это сумма тормозных сил на заторможенных колёсах. В отличие от естественных сопротивлений оно может регулироваться от нуля до максимального значения, соответствующего экстренному торможению.

На горизонтальной дороге сопротивление торможения значительно больше суммы естественных сопротивлений. Это позволяет в широких пределах регулировать интенсивность торможения автомобиля.

Если заторможенное колесо не проскальзывает по поверхности дороги, то кинетическая энергия автомобиля переходит в работу трения тормоза и частично в работу сил естественных сопротивлений.

При интенсивном торможении колесо может быть заблокировано тормозом. В этом случае оно скользит по дороге юзом, и работа трения происходит между шиной и опорной поверхностью.

В таблице 2.4 дан энергетический баланс торможения, т.е. распределение кинетической энергии по видам сопротивлений при торможении автомобиля до остановки на горизонтальной дороге с различной интенсивностью. Интенсивность торможения зависит от усилия, приложенного к педали тормоза. Начальная скорость V = 54 км/ч. Коэффициент сцепления = 0,6, коэффициент сопротивления качению f = 0,025.

Из таблицы 2.4 следует, что основная часть кинетической энергии автомобиля поглощается трением в тормозах. На втором месте стоит 2.4. Распределение энергии по видам сопротивления Вид сопротивления Сопротивление качению передаче, % сопротивление качению. При интенсивном торможении доля этой составляющей в энергетическом балансе уменьшается. Сопротивление воздуха во всех случаях играет несущественную роль.

По мере увеличения интенсивности торможения возрастают затраты энергии на проскальзывание шин. Вследствие этого усиливается их износ. Особенно велик износ шин при блокировке колёс на дорогах с твёрдым покрытием и при высоких скоростях скольжения.

Торможение с доведением колёс до блокировки нежелательно и по условиям безопасности движения.

Во-первых, на заблокированном колесе тормозная сила значительно меньше, чем при торможении на грани блокировки. Предельное значение тормозной силы определяется коэффициентом сцепления колеса с дорогой где – коэффициент сцепления; Zк – нормальная реакция дороги на колесо.

При блокировке колеса резко увеличивается его проскальзывание относительно дороги, и коэффициент сцепления для большинства дорожных покрытий падает. По опытным данным сила торможения при блокировке колеса может уменьшиться на 25 – 30%. Соответственно, возрастает путь торможения.

Во-вторых, при скольжении шин по дороге автомобиль теряет управляемость и устойчивость прямолинейного движения.

Рассмотрим причины потери устойчивости прямолинейного движения вследствие блокировки колёс при торможении.

Когда колесо заблокировано и скользит по дороге, то между ним и дорогой действует сила P, предельное значение которой равно произведению коэффициента трения скольжения на величину нормальной нагрузки на колесо. Вектор силы трения направлен противоположно вектору скорости скольжения.

Если при торможении на колесо одновременно с тормозной силой Р действует какая-либо случайная поперечная сила, то в контакте с дорогой возникает боковая реакция Yк. Величина равнодействующей реакции дороги не может быть больше силы сцепления:

Следовательно, скольжение колеса начнётся при меньшем значении тормозной силы. Направление равнодействующей не совпадает с плоскостью вращения колеса. Колесо будет скользить в продольном и поперечном направлениях. Если тормозная сила доводится до предельной по сцеплению с дорогой величины Р = Zк, то даже небольшая поперечная сила, действующая на колесо, не может быть уравновешена боковой реакцией дороги. Это вызывает скольжение колеса в поперечном направлении.

При торможении автомобиля блокировка передних и задних колёс обычно происходит не одновременно.

Если первоначально блокируются тормозами передние колёса, то автомобиль теряет управляемость. В этом случае направление движения автомобиля определяется уже не углом поворота управляемых колёс, а направлением вектора скорости их скольжения. Блокировка тормозами задних колёс при наличии боковой силы приводит к заносу.

Автомобиль начинает вращаться по направлению действия боковой силы вокруг передней оси.

Тормозное управление современных автомобилей включает четыре тормозные системы: рабочую, запасную, стояночную и вспомогательную [1].

Рабочая тормозная система является основной. Она предназначена для регулирования скорости автомобиля в любых условиях движения. Запасная система используется в случае отказа рабочей системы, а стояночная – удерживает неподвижный автомобиль на месте, в том числе и на уклонах. Вспомогательная тормозная система нужна для поддержания скорости автомобиля постоянной в течение длительного времени (снижает энергонагруженность рабочей тормозной системы, предохраняет ТС от нежелательного разгона). На автомобилях М1 и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъёмности (N1 и N2) в качестве запасной системы часто используют стояночную, а во вспомогательной системе – двигатель. На грузовых автомобилях большой грузоподъёмности и автобусах большой вместимости применяют четыре раздельные тормозные системы.

Показателями соответствия рабочей тормозной системы требованиям безопасности являются показатели эффективности торможения и устойчивости АТС при торможении. Для запасной, стояночной и вспомогательной тормозных систем – показатели эффективности торможения.

Рабочая и запасная тормозные системы Наибольшее значение для безопасности автомобиля имеет рабочая тормозная система. Её применяют для плавного снижения скорости с замедлением 2,5...3 м/с2 (служебное торможение) и для резкого уменьшения скорости с максимально возможным в данных дорожных условиях замедлением до 8...9 м/с2 (экстренное или аварийное торможение). В целом, при одном назначении рабочей и запасной тормозных систем, требования эффективности торможения запасной тормозной системой, предназначенной для снижения скорости АТС при выходе из строя рабочей тормозной системы, менее жёсткие.

Из всех операций по управлению автомобилем экстренное торможение считается одним из наиболее трудных. Многие действия водитель повторяет по нескольку десятков и сотен раз за смену и, выработав определённые навыки, достигает в них необходимого автоматизма. Аварийное торможение требуется относительно редко, и натренированность водителя в его применении минимальна. В отличие от остальных операций по управлению, выполняемых водителем в спокойном состоянии и медленном темпе, экстренное торможение связано с внезапным возникновением препятствия. Ощущение опасности создаёт нервное напряжение, вызывая гнетущее чувство беспокойства, страха, и резко усиливая психофизиологическую нагрузку водителя.

Возникает состояние стресса, при котором водитель может или вообще не выполнить необходимых действий, или выполнить их в замедленном темпе, или, наконец, совершить действия, прямо противоположные требуемым. К тому же, как показывает практика, неисправности в обычных условиях не проявляются, но при резком торможении могут вызвать отказ ТС.

Для обеспечения безопасности автомобиля тормозная система должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Время срабатывания системы должно быть минимальным, а замедление – максимальным во всех условиях эксплуатации.

2. Все колёса должны затормаживаться системой одновременно и с одинаковой интенсивностью.

3. Тормозные силы на колёсах должны нарастать плавно, в системе не должно быть заеданий и заклиниваний.

4. Эффективность действия системы должна быть постоянной в течение всего срока службы, а вероятность отказов минимальной.

5. Работа системы не должна вызывать потери устойчивости.

6. Усилия, необходимые для перемещения рабочих органов управления (педали, рычаги) системы, не должны превышать физических возможностей водителя.

7. Система должна иметь сигнализацию для информирования принципов движения о начале, интенсивности и окончании торможения.

Стояночная и вспомогательная тормозные системы Основное назначение стотонной тормозной системы – удержание автомобиля на месте. При приведении её в действие должно достигаться:

– для АТС с технически допустимой максимальной массой – неподвижное состояние АТС на опорной поверхности с продольным уклоном до 16 ± 1%;

– для АТС в снаряжённом состоянии – неподвижное состояние на поверхности с продольным уклоном 23 ± 1% – для АТС категорий M1 – М3 и 31 ± 1% – для категорий N1 – N3.

Усилие, прикладываемое к органу управления стояночной тормозной системы для приведения её в действие, не должно превышать значений, установленных для рабочей и запасной тормозных систем.

Стояночная тормозная система с приводом на пружинные камеры, раздельным с приводом запасной тормозной системы, при торможении в дорожных условиях должны дополнительно выполнять функцию запасной тормозной системы и обеспечивать установившееся замедление 2,2 – 2,9 м/с2.

Вспомогательная тормозная система предназначена для уменьшения энергонагруженности тормозных механизмов рабочей тормозной системы АТС в диапазоне скоростей 25...35 км/ч. Она должна обеспечивать (за исключением моторного замедлителя) установившееся замедление 0,5...0,8 м/с2.

2.5.2. Эффективность торможения автомобиля В зависимости от характера изменения и величины тормозной силы меняются показатели, определяющие тормозные качества автомобиля. Оценочными показателями тормозных качеств автомобиля служат:

S (S min) – путь (минимальный) торможения, м;

jз (jз max) – замедление (максимальное замедление) при торможение, м/с2;

t – время торможения, с.

Силы, действующие на автомобиль при торможении, показаны на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Схема сил, действующих на автомобиль при торможении Пользуясь этой схемой сил, проведём расчёты показателей тормозных качеств:

откуда Реакции Rх1 и Rx2 различны в различных случаях торможения.

Торможение, целью которого является максимально быстрая остановка, называется экстренным. Торможение, совершаемое с целью предотвращения ДТП, называется аварийным. На дорогах с высоким коэффициентом сцепления jз = 8...9 м/с2.

Плавное торможение jз = 2,5...3 м/с2 называют служебным. Если конечная скорость при торможении равна нулю, его называют полным, если не равна – частичным.

При экстренном торможении продольные реакции могут достигать значений Rx max. Будем называть такой случай торможением с полным использованием сил сцепления.

Рассмотрим этот случай при следующих допущениях: реакции Rx достигают максимального значения одновременно на всех колёсах;

коэффициенты х всех колёс одинаковые и неизменны за весь процесс торможения.

При таких допущениях процесс торможения может быть описан графиком зависимости j3 = f(t) (рис. 2.17), называемым тормозной диаграммой. Начало координат соответствует моменту нажатия на тормозную педаль (начало торможения). На диаграмму для лучшей иллюстративности иногда наносят зависимость V = f(t). При возникновении аварийной ситуации водитель, приняв в результате оценки обстановки решение тормозить, переносит ногу с педали управления подачей топлива на тормозную педаль. Время рв (на диаграмме не наносится) от момента, когда замечена опасность, до начала торможения называют временем реакции водителя. В зависимости от индивидуальных качеств, квалификации водителя, степени его утомлённости, дорожной обстановки и т.п., рв может изменяться в пределах 0,2 – 1,5 с. При расчётах принимают среднее значение рв = 0,8 с.

После начала торможения время c, называемое временем запаздывания, затрачивается: на перемещение элементов тормозного привода на величину зазоров, имеющихся между ними в нерабочем положении; нарастание давления жидкости или воздуха в трубопроводах и рабочих аппаратах гидравлического или пневматического привода до значения, необходимого для преодоления усилий возвратных пружин колодок и перемещения колодок до соприкосновения их фрикционных накладок с тормозными дисками или барабанами. Время с зависит от типа тормозного привода и тормозных механизмов, а также технического состояния тормозной системы. У технически исправной тормозной системы с гидроприводом1 и дисковыми тормозными механизмами, с = 0,05...0,07 с, с барабанными тормозными механизмами – с = 0,15...0,20 с, у системы с пневмоприводом с = 0,2...0,4 с. Время с возрастает при увеличении зазоров в тормозных механизмах, попадании воздуха в гидропривод, падении давления в ресивере пневмопривода и др.

С момента соприкосновения фрикционных элементов тормозных механизмов реакции Rx, а в результате этого и замедление, увеличиваются от нуля до значения, соответствующего установившемуся значению сил, приводящих в действие тормозные механизмы. Время н, затрачиваемое на этот процесс, называют временем нарастания замедления jзн. В зависимости от типа автомобиля, состояния дороги, дорожной ситуации, квалификации и состояния водителя, состояния тормозной системы н может изменяться в пределах 0,05 – 2 с. Оно возрастает с увеличением Ga и х (поскольку увеличиваются разжимные силы в тормозных механизмах, необходимые для создания Rx max).

При наличии неисправностей тормозной системы (наличие воздуха в гидроприводе, низкое давление воздуха в ресивере пневмопривода, попадание масла и воды на рабочие поверхности фрикционных элементов и др.) значения н существенно увеличиваются.

В расчётах можно принимать следующие значения н: 0,05 – 0,2 с – для легковых автомобилей; 0,05 – 0,4 с – для грузовых автомобилей с гидроприводом; 0,15 – 1,5 с – для грузовых автомобилей с пневмоприводом; 0,2 – 1,3 с – для автобусов.

Время срабатывания тормозного привода ср = с + н.

После достижения максимального усилия воздействия на тормозную педаль считают, что Rx, а следовательно, и jз остаются неизменными, однако практически это не совсем так. Во-первых, водитель несколько изменяет усилие воздействия на педаль, а моменты Мтop изменяются за счёт изменения коэффициента трения фрикционных пар.

Во-вторых, изменяется и коэффициент х в результате изменения скорости V, скольжения S и температуры шины.

Переменное значение jз на участке уст условно заменяют средним и считают установившимся, взяв за начало отсчёта (t = 0) момент прекращения увеличения усилия на педали.

Поэтому уст называют временем установившегося замедления.

Время р от начала отпускания тормозной педали до возникновения зазоров между фрикционными элементами называют временем растормаживания.

При полном торможении в начале растормаживания jз = 0, при частичном торможении jз за время р снижается от jуст до нуля.

Найдём замедление на каждом из участков.

Считают, что за время с jз = 0, в действительности, за это время в результате действия сопротивления воздуха, сопротивления качению и потерь в трансмиссии скорость V будет уменьшаться, т.е. jз 0. Однако при этом величина fз мала (3...7% jуст), поэтому для упрощения расчётов им можно пренебрегать.

За время н закон изменения jз может быть различным в зависимости от действия водителя и конструктивных особенностей тормозной системы. Принято считать его нарастание, пропорциональным времени. Тогда текущее значение jз в момент времени tн от начала нарастания равно На участке уст в равенстве (2.44) Rx1 + Rx2 = (Rz1 + Rz2)x = Gax cos.

При торможении на дороге с достаточно большим коэффициентом x и V0 < 30 м/с можно считать Рв = 0.

Подставив значение Rx1 + Rx2 в равенство (2.45), и принимая во внимание, что Pn = Ga sin Gai, а для одиночного автомобиля Рс = 0, получим на горизонтальной дороге Из формул (2.46) и (2.47) видно, что jуст при принятых допущениях не зависит ни от кинетической энергии вращающихся деталей двигателя, трансмиссии и колёс, ни от сопротивления качению. Приняв допущения о значениях реакций Rx1 и Rх2, мы уже учли, что моменты Mтоp1, Mтоp2, Mf1 и Mf2 уравновешивают инерционные моменты колёс и вращающихся деталей двигателя и трансмиссии, доводя эти реакции до Rx1 max и Rх2 max.

Обозначив пути, проходимые автомобилем за время с, н и уст соответственно Sтс, Sтн и Sт уст, можно записать Sт = Sтс + Sтн + Sт уст.

За время запаздывания Для определения Sтн дважды проинтегрируем равенство jз = d 2Sн /dt2. С учётом равенства (2.45) текущее значение скорости Vн на участке н При tн = 0, Vн = V0, следовательно, C = V0.

Текущее значение пути, проходимого за время tн, Sн = V0tн – – jустtи3 / 6н + С1. При tн = 0, Sн = 0, следовательно, C1 = 0 и Путь Sт.н получим, подставляя в равенство (2.50) н вместо tн Скорость V0уст, соответствующую началу движения с jуст, найдём, подставив в равенство (2.50) н вместо tн, тогда Путь за время tуст от начала движения с jуст найдём из условия где Vуст – значение скорости, соответствующее времени tуст; Sуст – путь, проходимый от начала движения с jycт = const до достижения скорости Vуст.

Разделив переменные после интегрирования с учётом jycт = const, получим При Sycт = 0; Vуст = V0 уст, следовательно, С2 = 0,5V0уст2 / jуст.

Если торможение происходит до полной остановки, то Подставляя значения пути Sтс; Sтн и Sт.уст из равенства (2.48), (2.51) и (2.53) и заменяя V0 уст его значением, подсчитанным по формуле (2.54) получим Последний член равенства (2.55) мал и им можно пренебрегать.

Поставляя вместо jуст его значение из равенства (2.47), получим для случая торможения до полной остановки (Vуст = 0) на горизонтальной дороге Путь S0, проходимый автомобилем от момента, когда водителем была замечена опасность, до V = 0 называют остановочным.

Остановочный путь равен сумме тормозного пути и пути, проходимого за время реакции водителя рв, Зависимость V = f(t) на тормозной диаграмме описывается следующими отрезками: на участке c прямой, параллельной оси абсцисс, на участке н квадратичной параболой, на участке уст прямой с угловым коэффициентом, равным jуст, поскольку Vуст = V0 уcт – jуст tуст.

Допущения, принятые для вывода формул (2.47), (2.55), (2.56) и (2.57), исключают учёт влияния на jуст конструктивных параметров рабочей тормозной системы и автомобиля в целом. Между тем, это влияние существенно. Допущение о том, что при аварийном торможении Rx1 = Rz1x и Rx2 = Rz2x выполняется далеко не всегда.

Если при заданном Рпед; Rx < Rz1x; Rx2 < Rz2x, то на данной дороге формулы (2.47) и (2.56) непригодны. В этом случае необходимо знать, какие моменты Мтор1 и Мтор2 могут быть получены при заданном усилии на тормозной педали.

Не выполняется также допущение x1 = x2, поскольку x = f (Rz), а также по ряду других причин. В формулах для определения jуст и Sт берут усреднённое значение x.

Более сложным, чем принято на тормозной диаграмме (рис. 2.14) является процесс срабатывания тормозного привода.

2.5.3. Оптимальное распределение тормозных сил Тормозной называют силу сопротивления движению автомобиля Ртор = Мтор /rд, искусственно создаваемую в результате действия тормозных механизмов.

Тормозная сила является одной из составляющих реакций Rx.

При экстренном торможении Rz fc и Jк / (rкrд) малы по сравнению с Ртор, и можно принимать Ртор1 Rх1; Ртор2 Rх2.

Одновременное достижение продольными реакциями значений Rz1x, Rz2x может быть обеспечено оптимальным распределением тормозных сил между колёсами.

Коэффициент x достигает максимального значения при определённом скольжении Sопт. Если Sопт достигается одновременно у всех колёс, то обеспечивается максимальное jуст и минимальный Sт. Если у какого-либо из колёс Sопт будет достигнуто ранее, чем у остальных, то у последних тормозные силы ещё не будут максимальными. Дополнительное же нажатие на тормозную педаль с целью увеличить Ртор у колёс, еще не достигнувших Sопт, приведёт к блокировке (100%-ному скольжению) и в результате этого уменьшению тормозных сил колёс, достигших Sопт первыми.

Блокировка возникает в результате того, что при S > Sопт качение колеса является неустойчивым, т.е. при неизменной величине Мтор скольжение увеличивается и в короткое время достигает 100%.

При этом x падает и Ртор уменьшается.

На процесс торможения существенно влияет необходимость сохранять у тормозящих колёс способность противостоять внешним боковым силам, всегда возникающим в процессе движения.

При одной и той же боковой силе боковое смещение довольно быстро увеличивается с увеличением продольного скольжения. На рисунке 2. (кривая 2) приведена зависимость боковой силы Ру (в долях Рz) от скольжения. Сила Ру вызывает боковое смещение со скоростью, составляющей 4% V. У колеса, катящегося в свободном режиме (S = 0), чтобы вызвать боковое смещение колеса с такой скоростью, нужно приложить силу Ру =0,7Pz, а у заблокированного колеса (S = 100%) – Ру = 0,05 Pz, т.е. в 14 раз меньшую. На рисунке 2.18 (кривая 1) показана также зависимость силы Ртор, выраженной в долях Pz. При Sопт, когда Ртор достигает максимального значения, сила Ру, необходимая для бокового скольжения колеса со скоростью 0,04V, равна Ру = 0,5Pz, т.е. меньше, чем у свободного колеса всего лишь на 20%.

Рис. 2.18. Зависимость удельных тормозной и боковой сил от скольжения:

Таким образом, если у всех колёс скольжение одновременно достигает значения S0, это обеспечит не только максимальную эффективность торможения, но и достаточно высокое противодействие колёс боковым силам.

Важно, чтобы силы Ртор достигали максимально возможных значений на правом колесе, как при одинаковых значениях, и Rz предотвращает появление поворачивающего автомобиль момента Мп.

Оптимальному распределению тормозных сил между мостами двухосного автомобиля при х1 = х2 соответствует равенство При торможении на горизонтальной дороге нормальные реакции могут быть найдены (при i = 0; j = – jэ, Рсп х = Рсп z = 0, то Принимая во внимание, что при торможении с полным использованием тормозных сил jуст = gх, найдём Величины, входящие в первую часть равенства (2.60), переменны.

Координаты а, b и hg изменяются с изменением нагрузки на автомобиль, а х различно для разных дорог. Следовательно, оптимальное соотношение тормозных сил также должно быть переменным.

Однако фактическое распределение Мтор (а следовательно, и Ртор) у каждого конкретного автомобиля зависит от конструктивных особенностей тормозной системы.

Принято характеризовать рабочую тормозную систему коэффициентом т распределения тормозной силы Коэффициент т может быть постоянным или переменным со ступенчатым или непрерывным изменением в зависимости от изменения давления в тормозной системе или изменения нормальных реакций, действующих на колёса (обычно колеса заднего моста).

У автомобилей, оборудованных тормозными системами с постоянным т, оптимальное распределение тормозных сил обеспечивается только на дороге, характеризуемой х = 0, его можно считать оптимальным. При заданных a, b и hg коэффициент т однозначно связан с 0. Учитывая равенство (2.58) и подставляя Rz1 и Rz2 из равенств (2.59) в равенство (2.61), принимая во внимание, что jз = g0, получим Найдём jуст и Sт на дороге, у которой х 0.

Пусть Pтор1 раньше, чем Ртор2 достигает значения Rz1x. Водитель, чтобы избежать поперечного скольжения передних колёс, не увеличивает усилие воздействия на тормозную педаль, хотя Ртор2 < Rz2x.

Пользуясь формулой (2.61), найдём Считая Ртор1 = Rх1, Ртор2 = Rх2 и подставляя их значение в формулу (2.34), для горизонтальной дороги найдём jуст = z1 х. Выразив знат ma чение Rz1 из формул (2.59) и т из формулы (2.62), получим По формуле (2.56) с учётом (2.37) и (2.63) будем иметь Формулы (2.63) и (2.64) справедливы, пока Rх2 < Rz2x. Подставляя вместо Rx2Ртор2 = (1 – т)Rz2x / т, т из формулы (2.61) и значения Rz из формулы (2.59), получим, что первыми величины Rzx достигают тормозные силы передних колёс, если 0 > x. Это условие определяет пределы использования формул (2.63) и (2.64).

Если первыми достигают величины Rz2x тормозные силы задних колёс, то Пользуясь тем же методом, что и в предыдущем случае, получим Условие, при котором первыми достигают величины Rz2x тормозные силы задних колёс, справедливы формулы (2.65) и (2.66), определяется неравенством 0 < x.

Из анализа формул (2.63) – (2.66), можно сделать вывод, что при неоптимальном распределении тормозных сил jуст уменьшается, а Sт увеличивается. Ухудшение эффективности торможения тем больше, чем больше разность 0 – x; и отношение hg / a; hg / b.

Для достижения оптимальной эффективности торможения следовало бы значения 0 выбирать близкими значениям x, характерным для дорог, по которым будет проходить движение автомобиля. Однако для обеспечения устойчивости желательно, чтобы в наиболее часто встречающихся условиях движения задние колёса не достигали скольжения первыми.

В связи с этим в приложении № 10 к правилам № 13 ЕЭК ООН рекомендуется выбирать распределение тормозных сил таким образом, чтобы при всех весовых, состояниях удельные тормозные силы на передних колёсах были бльшими, чем на задних у легковых автомобилей при x = 0,15...0,8, у остальных автомобилей при x = 0,15...0,3.

При выполнении этой рекомендации у легковых автомобилей практически в любых дорожных условиях в процессе торможения первыми блокируются (s = 100%) колёса переднего моста, что уменьшает вероятность потери автомобилем устойчивости. При т = const для выполнения рекомендаций правил № 13 необходимо, чтобы 0 > 0,8.

Для грузовых автомобилей допускается, чтобы задний мост блокировался первым на дорогах, характеризуемых x = 0,3. Поскольку у грузовых автомобилей нагрузка, приходящаяся на каждый из мостов, существенно зависит от степени загрузки, то при т = const изменяется и значение коэффициента x, при котором сначала происходит блокировка заднего моста. У негружёных автомобилей на задний мост обычно приходится около половины всей нагрузки, и блокировка заднего моста происходит на дорогах, характеризующихся меньшим значением x, чем у гружёных, у которых на задний мост приходится порядка 2/3 всей нагрузки.

Чтобы рекомендации правил № 13 ЕЭК ООН выполнялись для негружёного автомобиля, у гружёного автомобиля при т = const задний мост должен блокироваться первым на дорогах, характеризуемых x = 0,7...0,8.

Следовательно, значение коэффициента 0 для негружёного грузового автомобиля должно превышать 0,3, а для гружёного 0,7…0,8.

Рис. 2.19. Зависимость коэффициента распределения тормозных сил 1 и 2 – соответственно негружёного и гружёного автомобиля С целью сохранения эффективности и улучшения устойчивости при торможении многие автомобили имеют конструкцию рабочей тормозной системы, обеспечивающую изменение коэффициента т в процессе торможения. Оптимальная зависимость т = f (x) показана на рис. 2.19.

Требования, предъявляемые к распределению тормозных сил, характеризуются зависимостью Задаваясь различными значениями коэффициента x и определяя Rz1 по формуле (2.59), можно найти Ртор1 = Rz1x. Подставляя полученные таким образом значения Ртор1 и принятое значение x в равенство (2.67), получают силу Ртор2, что соответствует оптимальному распределению тормозных сил (рис. 2.20). Поскольку а, b и hg зависят от нагрузки автомобиля, то каждому весовому состоянию соответствует своя кривая зависимости Ртор2 = f (Ртор1).

Рис. 2.20. Идеальные характеристики тормозных сил:

1 – при т = const; 2 – гружёного автомобиля; 3 – негружёного автомобиля Обычно тормозные силы считают пропорциональными давлениям р жидкости или воздуха в трубопроводах тормозной системы Ртор = kp, и на осях координат откладывают также значения давлений в магистралях привода передних р1 и задних р2 тормозов, считая коэффициент пропорциональности k одинаковым для переднего и заднего мостов.

График (рис. 2.20) называют идеальной характеристикой тормозных сил. При т = const зависимость Ртор2 = f(Ртор1) изображается прямой 1.

Точка пересечения прямой 1 с кривой идеальной характеристики определяет сочетание тормозных сил, при котором в случае т = const фактический коэффициент сцепления дороги соответствует оптимальному, при том весовом состоянии, которому соответствует пересекаемая кривая. Принимая коэффициенты пропорциональности k1 и k2 между давлениями в трубопроводах системы различными при р1 = р2 или изменяя соотношение между р1 и р2, можно изменять наклон прямой 1, а следовательно, и коэффициент 0. При т = const давления р1 и р2 и желаемое значение коэффициента 0 обычно получают, подбирая соответствующие значения k1 и k2. Для этого у передних и задних тормозов выбирают различные размеры колёсных тормозных цилиндров (тормозных камер) или на передних и задних колёсах применяют тормоза с различной эффективностью.

Для получения переменных значений коэффициента т обычно изменяют соотношение между давлениями р1 и р2.

(Обеспечить непрерывное изменение соотношений между давлениями р1 и р2 по идеальной характеристике затруднительно, поэтому при помощи специального устройства, называемого регулятором тормозных сил (РТС), изменяют соотношение р1/р2 либо при достижении некоторого (командного) давления (статические регуляторы рис. 2.21), либо при достижении командного давления с учётом весового состояния автомобиля (динамические регуляторы рис. 2.22)). Соотношения между р1 и р2 должны быть такими, чтобы выполнялись рекомендации правил № 13 ЕЭК ООН.

При применении РТС вместо изменения соотношений между тормозными силами по идеальной характеристике можно получить изменение, графически изображаемое либо ломаными, либо пучком прямых с различным наклоном.

Применение РТС позволяет приблизить распределение тормозных сил к идеальному. В некоторых пределах изменения удельных тормозных сил предотвращается возможность блокировки колёс заднего моста первыми, и одновременно с этим на всех дорогах или при всех весовых состояниях уменьшается абсолютное значение разности х – 0, а следовательно, и снижение эффективности торможения при сохранении устойчивости движения.

Рис. 2.21. Характеристика Рис. 2.22. Характеристика статистического регулятора динамического регулятора Однако наличие РТС не гарантирует от блокировки колёс обоих мостов. В большинстве случаев при аварийном торможении воздействие на тормозную педаль происходит с максимально возможной силой, что во многих ситуациях, особенно на скользких дорогах, приводит к блокировке (s = 100%) всех колёс.

Специальные устройства – антиблокировочные системы (АБС) позволяют автоматически поддерживать скольжение всех колёс в режиме, близком к оптимальному, что обеспечивает наилучшее сочетание устойчивости и эффективности торможения.

2.5.4. Антиблокировочные тормозные системы Термин АБС стал универсальным названием для антиблокировочной тормозной системы, хотя строго это название принадлежит фирме Bosch как сокращение от названия их устройства «Антиблокировочная система» или система противоблокирования колеса. Основной принцип АБС заключается в том, что датчики скорости колеса подают информацию к центральному блоку управления, который решает, когда колесо начинает блокироваться, и тогда процессор действует через систему сервоклапанов, растормаживая на мгновение колесо. Чтобы тормоз можно было повторно использовать, система нуждается в собственном источнике гидравлического давления; иначе педаль тормоза водителя опускалась бы к полу (проваливалась) каждый раз, когда АБС подаёт импульс. Необходимые компоненты АБС – датчики скорости колеса, электронный процессор (блок управления), сервоклапаны, гидравлический насос с электрическим приводом и аккумулятор давления. Неэлектронные (чисто гидромеханические) АБС были изобретены и использовались в течение 80-х гг. ХХ столетия, но, в конечном счёте, были заменены электронными системами, которые были не только более быстродействующими, но и быстро подешевели.

Некоторые ранние АБС были «трёхканальные», т.е. управляли передними тормозными механизмами индивидуально, но растормаживали полностью все задние тормозные механизмы при начале блокирования любого из задних колёс. Это экономило некоторое количество стоимости и усложнения конструкции, но дало более низкую эффективность по сравнению с полной четырёхканальной системой, в которой каждый тормозной механизм управляется индивидуально.

Потенциальная проблема в создании АБС – как работать с полноприводными трансмиссиями, которые включают в себя дифференциалы повышенного трения или блокируемые. Механическое соединение через трансмиссию с колёсами, которыми стремится управлять АБС, может создавать неправильную информацию. Некоторые трансмиссии отсоединяют двигатель от задних колёс, когда происходит торможение с АБС. Альтернативный подход состоит в том, чтобы использовать дополнительные датчики для более гибкой работы системы.

АБС имеет много общего с противобуксовочной системой (ПБС), чьё действие могло бы рассматриваться как «АБС наоборот», так как ПБС работает по принципу обнаружения момента начала быстрого вращения одного из колёс по сравнению с другим (момента начала пробуксовывания) и подачи сигнала на притормаживание этого колеса.

Датчики скорости колеса могут быть общими, и поэтому наиболее эффективный способ предотвращать пробуксовку ведущего колеса уменьшением его скорости, он состоит в том, чтобы применить мгновенное (и если необходимо, повторное) действие тормоза, тормозные импульсы могут быть получены от блока клапанов АБС. В действительности, если присутствует АБС, это всё, что требуется, чтобы обеспечить и ПБС плюс некоторое дополнительное программное обеспечение и дополнительный блок управления, чтобы уменьшить при необходимости крутящий момент двигателя или сократить количество подводимого топлива, или осуществить прямое вмешательство в систему управления педалью газа.

Сравнительно недавно появилась концепция совместной работы сервопривода и АБС. Такая «помощь при экстренном торможении»

(ЕВА) была представлена сначала фирмой Mercedes и затем, в похожей форме, другими изготовителями. Принцип ЕВА должен гарантировать поддержание максимально возможного усилия торможения в течение всей аварийной остановки, так как исследования показали, что многие водители не в состоянии остановиться там, где им хочется, добавляя несколько метров к минимально возможному остановочному пути.

Исследование показало, что при введении АБС в циклический режим работы, остановочный путь может быть уменьшен за счёт увеличения давления в приводе тормозов и, таким образом, повышением эффективности циклической работы АБС. Соответственно, ЕВА стремится обнаружить характер перемещения педали тормоза, который однозначно указывает, что водитель начал аварийное торможение.

Результатом положительного обнаружения начала критического торможения является создание сервомотором ЕВА максимальной тормозной силы, вплоть до блокирования колёс, до полной остановки автомобиля или до полного отпускания водителем педали тормоза. Логически, ЕВА может использоваться, только когда АБС работоспособна.

На техническом семинаре в середине 1998 года фирма BMW представила свои планы развития полностью встроенного электронного управления тормозной системой (ЕВМ), используя в качестве основы существующую (DSC) систему повышения стабилизации (которая включает в себя функции АБС и ПБС). Цель развития, согласно BMW, состоит в том, чтобы определить архитектуру системы, которая объединяет все существующие компоненты тормозного управления и программное обеспечение (системы управления), и которая позволит непосредственно развивать новые функции, поскольку это станет доступным. Первые две функции, которые развились из нового подхода, это: динамический контроль торможения (DBC) и активный круизконтроль (АСС). Система DBC – по существу, обновленная ЕВА; АСС объединяет интерфейс между передними датчиками и тормозной системой, обеспечивая автоматическое замедление транспортного средства, когда измеренная дистанция до впереди идущего автомобиля меньше, чем минимум, разрешённый для существующей скорости.

2.5.5. Особенности процесса торможения автопоезда Пользуясь схемой сил (рис. 2.23), действующих при торможении на горизонтальной дороге на звенья прицепного автопоезда, и считая Рв = 0, можно записать формулу для автомобиля-тягача для прицепа где = – удельная тормозная сила.

Рис. 2.23. Схема сил, действующих на автопоезд Если считать, что сцепное устройство жёсткое и не имеет зазоров, то jзт = jзп, и приравнивая правые части равенств (2.68) и (2.69), получим где Gaп = GтGп / (Gт + Gп) – приведённая сила тяжести автопоезда.

В соответствии с формулой (2.70) взаимодействие автомобилятягача и прицепа в процессе торможения зависит от соотношения т и п.

Возможны три случая соотношения.

1. Если т = п, то Рс = 0, торможение автомобиля-тягача и прицепа синхронно.

2. Если т > п, то Рс > 0, т.е. прицеп усиливает торможение автомобиля-тягача.

3. Если т < п, то Рс < 0 и при торможении автопоезда прицеп накатывается на автомобиль-тягач.

Случай 1 является идеальным, но равенство т = п в обычных тормозных системах с пневмоприводом достигнуть не удаётся.

Случай 2 обеспечивает растяжку автопоезда при торможении, что исключает его складывание и, следовательно, способствует повышению устойчивости. При обычных пневмоприводах это возможно в случае искусственного увеличения времени срабатывания тормозной системы автомобиля-тягача, что существенно снижает эффективность торможения автопоезда в целом. Кроме этого, увеличивается вероятность достижения полного скольжения колёс прицепа, в результате чего прицеп начинает сползать вбок и тянет за собой весь автопоезд. Поэтому тормозные системы современных автопоездов с пневмоприводом рассчитаны в основном для случая 3, т.е. обычно при торможении автопоезда прицеп накатывается на автомобильтягач, что может привести, а иногда и приводит к потере устойчивости в виде так называемого складывания автопоезда.

2.5.6. Торможение с неполным использованием сил сцепления Неполное использование сил сцепления возможно при служебном торможении, а при экстренном торможении – в случае, когда тормозная система не обеспечивает тормозные силы, необходимые для полного использования сцепления колёс с дорогой. Последнее вероятно на дорогах, характеризуемых достаточно большим коэффициентом x, в особенности, при затруднении создания достаточного усилия на тормозной педали Рпед (например, при управлении автомобилем женщиной, если отсутствует усилитель), а также при неисправной тормозной системе. Свыше 95% случаев торможения относится к служебным.

Правильное использование различных его способов в значительной степени определяет долговечность и надёжность рабочей тормозной системы, а, следовательно, и безопасность движения. К таким способам можно отнести следующие:

– торможение двигателем без использования тормозных механизмов – водитель уменьшает или прекращает подачу топлива (горючей смеси) в цилиндры двигателя, в результате чего его мощность оказывается недостаточной для преодоления возникающих в нём сил трения и двигатель превращается в тормоз (способ применяют, когда требуется небольшое замедление);

– торможение с отсоединённым двигателем применяют, когда торможение двигателем не обеспечивает желаемого замедления, а также при полном торможении; в этом случае отключают двигатель, выключая сцепление или передачу в коробке передач (нейтральное положение) и плавно нажимают на тормозную педаль;

– торможение с использованием тормозных механизмов, но без отсоединения двигателя иногда целесообразно с точки зрения повышения эффективности торможения, увеличения долговечности тормозных механизмов и затраты водителем энергии на торможение.

На дорогах, характеризуемых малым значением коэффициента x, при этом уменьшается вероятность возникновения заноса;

– торможение с использованием вспомогательной тормозной системы применяют для поддержания желаемой скорости движения на спусках, этот способ иногда применяют в сочетании с работой тормозных механизмов рабочей тормозной системы.

Случай торможения без отсоединения двигателя является наиболее общим, так как при этом реакции Rх1 и Rх2 создаются в результате действия моментов, создаваемых тормозными механизмами, тормозного момента двигателя и трения в механизмах трансмиссии.

Для определения замедлений воспользуемся равенством (2.45).

Найдём реакции Rх1 и Rх2.

На колёсах, не связанных с двигателем, момент М создаётся только действием тормозных механизмов. Обозначив этот момент Мтор1, принимая во внимание, что знак минус уже учтён при выводе уравнения (2.34) и подставляя jз вместо jа, получим На колёсах, связанных с двигателем, момент М равен сумме моментов: Мтор2, создаваемого тормозными механизмами, и момента, подводимого полуосями, в результате тормозящего действия двигателя и механизмов трансмиссии. Для определения М воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии. Поскольку двигатель и трансмиссия в этом случае выполняют роль дополнительных тормозов, то для их вращения необходимо от колёс через полуоси подвести некоторую мощность. Мощность трения в двигателе и механизмах трансмиссии частично компенсируется за счёт энергии вращающихся деталей двигателя и трансмиссии, отдаваемой при замедлении их вращения.

Тогда можно записать где Т – кинетическая энергия вращающихся деталей двигателя и трансмиссии, Т = 0,5 J м е ; Nкол – мощность, подводимая к тормозу, трансмиссии и двигателю от колёс; Nтор2 – мощность, теряемая в тормозах колёс, связанных с двигателем; Nтр – мощность, теряемая на трение в механизмах трансмиссии; Nтр.д – мощность, теряемая на трение в двигателе.

Производная кинетической энергии Принимая во внимание, что из равенства (2.72) и (2.73) получим Принимая во внимание, что М направлен против вращения колеса, найдём Подставляя значения Rх1, Rx2 из формул (2.71) и (2.74) в формулу (2.44) и решая полученное равенство относительно jз, получим где Мтор2 = Мтор1 + Мтор2;

Коэффициент вр.т при торможении несколько отличается от коэффициента вр при тяговом режиме. При передаче мощности от колёс к двигателю т на 5...10% меньше, чем при передаче от двигателя к ведущим колёсам.

Для приближённого подсчёта вр.т можно воспользоваться такой же формулой, как и при тяговом режиме:

где можно считать 1в = 0,06; 2в = 0,04.

Будем называть тормозной силой автомобиля и тормозной силой двигателя соответственно Тогда равенство (2.76) примет вид Отношение назовём тормозным динамическим фактором. Тогда Если известны зависимости Ртор = f(V) и Pтр.д = f(V), то по графикам Dт = f (V) можно построить графики замедлений jз = f (V) и далее так же, как определялись время и путь разгона, найти время и путь торможения.

Уравнения (2.75) и (2.81) могут быть использованы для определения jз и Sт при любых способах торможения.

При торможении двигателем в формуле (2.81) следует считать Dт = (Ртр.д + Рв) / Ga, а вр.т определять по формуле (2.76).

Если для торможения используют тормоза, но при этом отключают двигатель, то Если торможение производится одновременно и тормозами, и двигателем, то Dт подсчитывают по формуле (2.81), а коэффициент вр.т – по формуле (2.76).

В общем случае переменными являются все силы, входящие в формулу (2.80). Характеристика изменения Ртор связана как с особенностями конструкции тормозных механизмов и происходящих в них процессов (изменение коэффициентов трения фрикционных поверхностей от скорости скольжения, температуры и т. д.), так и с характером изменения усилия воздействия водителя на орган, управляющий процессом торможения.

Момент трения в двигателе по экспериментальным данным может быть выражен формулой где А и В – коэффициенты, зависящие от типа и конструктивных особенностей двигателя.

Подставляя значение Мтр.д в формулу (2.78), получим Используя формулу (2.81), можно оценить рациональность применения тех или иных способов торможения.

Сравнивая способы торможения с отключённым и неотключённым двигателем, можно заметить, что во втором случае увеличивается как Dт (за счёт слагаемого Ртр.д), так и вр.т. Поскольку в формуле (2.81) Dт входит в числитель, а вр.т – в знаменатель, то для получения желаемого замедления в одних условиях при торможении с неотключённым двигателем сила Ртор должна быть меньшей, а в других большей, чем при торможении с отключённым двигателем.

Торможение с неотсоединённым двигателем рационально, если при этом уменьшается сила Ртор, необходимая для получения желаемого замедления. Тогда такой способ торможения позволяет уменьшить или тормозной путь в случае аварийного торможения, или износ фрикционных накладок тормозных механизмов при служебном торможении.

Пользуясь равенством (2.79) и принимая во внимание, что при торможении с отсоединённым двигателем Ртр.д = 0, вр.т определяется по формуле (2.82), а при торможении с неотсоединённым двигателем, вр.т определяется по формуле (2.77), найдём:

при неотсоединённом двигателе при отсоединённом двигателе При торможении с неотсоединённым двигателем уменьшается сила Ртор, необходимая для создания желаемого замедления, если правая часть равенства (2.85) меньше правой части равенства (2.86). После преобразований получим неравенство, определяющее условия, при которых рационально торможение с неотсоединённым двигателем Ртр.д > jзma1вик2 или, подставляя значение Ртр.д из формулы (2.84) величины, различной на разных передачах, при разных скоростях движения и весовых состояниях автоРис. 2.24. Зависимость с неотключённым двигателем Из формулы (2.87) и рис. 2.24 следует, что на дорогах, характеризуемых высоким коэффициентом x, аварийное торможение целесообразно с отключённым двигателем. На дорогах, характеризуемых низким коэффициентом x, где замедления не могут быть большими, и при высоких начальных скоростях, торможение целесообразно без отключения двигателя. Так же целесообразно производить торможение с неотключённым двигателем при необходимости плавного снижения скорости в случаях движения с большими и средними скоростями на высшей передаче.

Торможение двигателем или торможение с неотключённым двигателем широко используют для поддержания желаемой постоянной скорости на спусках. Значение скорости на спуске с заданным уклоном можно найти графическим или аналитическим методами. На рисунке 2. приведён график зависимости Dт = f(V) для случая торможения двигателем, построенный по формуле (2.81), в которой принималось Ртор = и Ртр.д по формуле (2.84).

Для определения скорости движения на спуске с уклоном (–i), в случае, когда fa – i < 0 на расстоянии i – fa над осью абсцисс проводят параллельную ей прямую. Абсцисса точки пересечения этой прямой с кривой Dт = f (V) на заданной передаче определяет искомую скорость.

Как видно из рис. 2.25 с увеличением передаточного числа включённой передачи установившаяся скорость резко уменьшается.

На высших передачах поддерживание V = const при торможении двигателем возможно только на небольших уклонах. На более крутых спусках приходится тормозить одновременно двигателем и тормозными механизмами. По рисунку 2.25 можно определить необходимое значение Ртор, если на дороге с fa = 0,015 и уклоном i = –0,06 при включении четвёртой передачи требуется поддерживать скорость 12,5 м/с.

Рис. 2.25. Зависимость тормозного динамического фактора от скорости движения на спуске с уклоном на первой – пятой передачах Вниз от точки, соответствующей V = 12,5 м/с, на кривой четвёртой передачи в масштабе, принятом для Dт, откладывают отрезок, равный по абсолютной величине fa – i. Через его нижний конец проводят прямую, параллельную оси абсцисс. Эта прямая на продолжении оси ординат отсечёт отрезок, равный в принятом масштабе Ртор / Ga.

Аналитическим методом удобно пользоваться в случаях, когда можно пренебрегать сопротивлением воздуха.

Пользуясь равенствами (2.79) и (2.84) и принимая во внимание, что при установившейся скорости jз = 0 и вр.т = 1, получим где – абсолютное значение суммарного коэффициента дорожного сопротивления на спусках при fa – i < 0.

Некоторые автомобили для поддержания постоянной скорости на затяжных спусках оборудованы вспомогательной тормозной системой.

Если для этой системы используется искусственное увеличение трения в двигателе путём создания противодавления в выпускном трубопроводе, то поддерживаемую установившуюся скорость на спуске с известным уклоном можно найти по формуле (2.88), подставляя соответствующие значения коэффициентов А и В.

При аналитическом расчёте средних скоростей движения и некоторых оценочных показателей топливной экономичности необходимо знать путь Sз и время з, соответствующие снижению скорости движения от начальной скорости Vн до конечной Vк. Обычно при расчётах используют служебное торможение с jз = const или торможение двигателем. В первом случае для определения пути можно воспользоваться формулой (2.53), переписав её так Время з определяют из равенства Vк = Vз jзз, откуда При торможении двигателем для определения замедления, считая в формуле (2.75) Мтор2 = 0 и пользуясь формулами (2.78) и (2.84), получим 2.5.7. Эффективность запасной тормозной системы Требования к эффективности запасной системы приблизительно в 2 раза ниже, чем требования к эффективности рабочей тормозной системы. Это позволяет использовать в качестве запасной стояночную тормозную систему или один из контуров двухконтурной рабочей системы.

Найдём jз и Sт для этих случаев. Стояночная тормозная система обеспечивает затормаживание только задних колёс (исключением являются полноприводные автомобили, где она может воздействовать на все колёса). Поэтому для подсчёта jуст при полном использовании сил сцепления, в формулу (2.44) подставим Rx1 = fcRz1, Rx2 = хRz2. Заменяя Rz1 и Rz2 их значениями из формул (2.59) и считая Рв = 0, получим для случая движения по горизонтальной дороге Из формулы (2.89) следует, что при использовании стояночной тормозной системы в качестве запасной jуст уменьшается по сравнению с jуст при торможении рабочей системой в (L + хhg)/а раза. Для гружёных грузовых автомобилей, у которых а = (0,65...0,75)L, hg = (0,3...0,35)L требования ГОСТ Р 41.13–2007 к эффективности запасной тормозной системы выполняются практически при всех значениях х, для негружёных грузовых автомобилей [а = (0,5...0,54)L;

hg = (0,2...0,3)L] использование стояночной тормозной системы в качестве запасной не обеспечивает выполнения этих требований. То же относится и к легковым автомобилям (с пассажирами и без пассажиров), автобусам без пассажиров. Зная jуст и пользуясь формулой (2.89), можно найти Sт. При использовании стояночной тормозной системы в качестве запасной в процессе торможения возможна блокировка задних колёс, что неблагоприятно с точки зрения устойчивости.

При использовании в качестве запасной системы одного из контуров jуст и Sт зависят от схемы рабочей тормозной системы и от того, какой из контуров отказал. Если используется схема, у которой один из контуров обеспечивает торможение передних колёс, а второй – задних, то при отказе контура передних колёс jуст определяют по формуле (2.89). При отказе контура задних колёс в формулу (2.44) нужно подставить Rx1 = хRz1; Rx2 = fcRz2. В этом случае запасной тормозной системе у легковых и негружёных грузовых автомобилей, и не отвечает у гружёных грузовых.

Чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к эффективности запасной тормозной системы, при всех весовых состояниях и отказе любого из контуров, предложен ряд других схем расположения контуров. Если один из контуров включает тормоза правого заднего и левого переднего колёс, а второй – левого заднего правого переднего (диагональная схема), то отказ любого из контуров во всех случаях позволяет сохранять 50% эффективности тормозных свойств. Однако поскольку тормозные силы на переднем и заднем колёсах неодинаковы, создаётся момент, стремящийся развернуть автомобиль, что может привести к нарушению его устойчивости.

Для обеспечения требований, предъявляемых к запасной тормозной системе, при одновременном сохранении устойчивости в процессе торможения на некоторых автомобилях применяют двухконтурные системы, у которых в один контур включены тормозные механизмы передних колёс, а во второй – тормозные механизмы как задних, так и передних колёс. Для этого у тормозных механизмов передних колёс имеется два типа рабочих тормозных цилиндров: цилиндры, включённые в контур передних колёс, рассчитаны на создание тормозных моментов, обеспечивающих затормаживание передних колёс, вплоть до их блокировки на дорогах с высоким коэффициентом сцепления; цилиндры, включённые в контур передних и задних колёс, рассчитаны на частичное торможение передних колёс так, чтобы при отказе контура передних колёс создаваемые этими цилиндрами тормозные силы на передних колёсах совместно с тормозными силами задних колёс создавали замедление, отвечающее требованиям, предъявляемым к запасной тормозной системе.

2.5.8. Методы оценки тормозных свойств Оценку тормозных свойств автомобиля проводят экспериментальными (дорожные и стендовые испытания), а также расчётноаналитическими методами.

Дорожные испытания новых автомобилей. Испытания на эффективность тормозных систем проводят при состоянии автомобиля и его агрегатов, соответствующем техническим условиям предприятия-изготовителя. Перед испытаниями автомобили проходят обкатку. При испытаниях автомобиль должен быть полностью нагружен. Все агрегаты, кроме тормозных механизмов, должны быть предварительно прогреты. Протектор шин должен быть изношен равномерно и не более, чем на 50% глубины рисунка.

Испытания проводят на прямом горизонтальном участке дороги (уклоны не более 0,5%) с сухим ровным покрытием, при температуре воздуха от –5 до +30 °С и скорости ветра не более 3 м/с.

Испытания типа I состоят из двух этапов: предварительного и основного. Предварительный проводят последовательным торможением по режиму, определённому для каждой категории автотранспортных средств значениями начальных Vн и конечных Vк скоростей, длительностью цикла и числом торможений.

Основной этап, который должен начинаться не позднее, чем через 45 с после окончания предварительного этапа, проводят по методике испытания типа 0, но с отключённым двигателем.

Предварительный этап испытаний типа II проводят непрерывным торможением, тормозные механизмы должны нагреваться так, чтобы количество поглощённой ими энергии оказалось равным энергии, поглощаемой за такое же время тормозными механизмами автомобиля, движущегося со скоростью 30±5 км/ч под уклон 7% на расстоянии 6 км.

Движение происходит на передаче, при которой частота вращения коленчатого вала не выше номинальной и обеспечивается максимальная эффективность торможения двигателем.

Условия проведения испытаний запасной тормозной системы аналогичны испытаниям типа 0 с отключённым двигателем.

Испытания стояночной системы автомобиля проводят при полной его загрузке на дороге с продольным уклоном, равным заданному техническими условиями на данный автомобиль, но не менее нормированного по ГОСТу. Испытания проводят при движении автомобиля вверх и вниз под уклон при нейтральном положении в коробке передач.

Испытание вспомогательной тормозной системы проводят при движении автомобиля полной массы на спуске, имеющем заданные ГОСТом значения уклона и длины, и с определённой скоростью. Допускается включение передачи, при которой частота вращения коленчатого вала не выше номинальной.

Дорожные испытания автомобилей, находящихся в эксплуатации, на эффективность тормозных систем проводят при полной массе или при массе в снаряжённом состоянии с учётом массы водителя, на прямой, ровной, горизонтальной, сухой дороге с цементно- или асфальтобетонным покрытием, не имеющей на поверхности сыпучих материалов или масла. Шины должны быть чистыми, сухими и отвечать требованиям по предельному износу и состоянию. При проверке рабочей и запасной тормозных систем автомобиль разгоняют до скорости 43...45 км/ч и отключают двигатель от трансмиссии. В момент, когда скорость автомобиля достигнет 40 км/ч, производят полное торможение с определённым усилием воздействия на орган управления и регистрируют тормозной путь или установившееся замедление и время срабатывания.

Для проверки стояночной тормозной системы автомобиль затормаживают рабочей тормозной системой на заданном уклоне, затем отключают двигатель от трансмиссии и приводят в действие стояночную тормозную систему. После этого растормаживают рабочую систему и фиксируют действие стояночной.

Условия проведения испытаний вспомогательной тормозной системы аналогичны условиям дорожных испытаний новых автомобилей.

Измерительная и регистрирующая аппаратура, применяемая при дорожных испытаниях, должна обеспечивать измерение и регистрацию тормозного пути, установившегося замедления, времени срабатывания и начальной скорости торможения и отвечать требованиям по точности измерения, сформулированным в ГОСТ Р 51709–2001.

Дорожные испытания при проверке эффективности рабочей тормозной системы считают недействительными, если для сохранения прямолинейного движения автомобиля в процессе торможения водитель должен корректировать траекторию движения.

Стендовые испытания автомобилей. Находящиеся в эксплуатации автомобили испытывают на тормозную эффективность на стендах инерционного или силового типа, отвечающих требованиям, изложенным в ГОСТ Р 51709–2001.

Эффективность рабочей и запасной тормозных систем проверяют торможением автомобиля соответствующей системой с определёнными усилиями воздействия на орган управления, предварительно доведя скорость вращения роликов до соответствующей скорости (но не менее 40 км/ч). Определяют максимальные силы, развиваемые каждым колёсным механизмом, и время срабатывания. Затем по формулам определяют значения удельной тормозной силы и коэффициента осевой неравномерности и сравнивают эти значения с нормированными. Методика испытаний стояночной системы аналогична предыдущей.

Проверку эффективности вспомогательной системы проводят на стендах инерционного типа определением максимальной тормозной силы, развиваемой на колёсах автомобиля с последующим расчётом удельной тормозной силы.

Расчётный метод. Оценка тормозных свойств основывается на анализе процесса торможения одиночного автомобиля, в результате которого были выведены формулы (2.44) и (2.56), позволяющие находить jуст и Sт при экстренном торможении. При выводе этих формул были сделаны упрощающие допущения, фактически исключающие учёт ряда особенностей рабочих процессов рабочей тормозной системы каждого конкретного автомобиля. Учёт этих особенностей особенно важен для расчёта показателей тормозных свойств автопоездов.

Рис. 2.26. Тормозные диаграммы автопоезда:

Рассмотрим это на примере расчёта jз и Sт для автопоезда с пневматическим тормозным приводом. Особенности рабочего процесса тормозной системы характеризуются динамической характеристикой тормозной системы.

Пользуясь формулами, связывающими тормозные моменты, развиваемые тормозными механизмами с давлениями в исполнительных органах тормозной системы (такие формулы приведены в учебниках по расчёту автомобиля), можно построить тормозную диаграмму автопоезда (рис. 2.26), состоящую из 5 основных этапов 1 – 5.

Если пренебрегать силами сопротивления качению и сопротивления воздуха, а также считать вр=1, то на горизонтальной дороге для всех этапов действительно уравнение Полная тормозная сила автопоезда является суммой тормозных сил автомобиля-тягача и прицепа апGап = тGт + пGп, откуда ап = тGт / Gап + пGп / Gап, или ап = (l – m)т + mп, где m = Gп / Gап – весовой коэффициент автопоезда.

На 1 этапе V = V0 = const, и с учётом принятых допущений ап= 0, а проходимый путь На 2 этапе п = 0. Считая, что т изменяется по линейному закону, Подставляя выражение ап в уравнение (2.90), получим Разделяя переменные и интегрируя левую часть в пределах V0...V, а правую в пределах 0...t, получим текущее значение скорости на 2 этапе При t = 2 эта скорость равна начальной скорости V2 на 3 этапе.

Учитывая, что V=dS/dt, формулу (2.92) можно представить как дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными интегрируя которое в пределах 0...S2 для левой части и 0...2 для правой, получим тормозной путь на 2 этапе а уравнение движения при этом записывается следующим образом:

Разделяя переменные и интегрируя левую и правую части в пределах V2...V и 0...з, получим текущую скорость на 3 этапе:

На 4 этапе т = уст.т = const, а п и ап продолжают возрастать В этом случае уравнение движения имеет следующий вид:

Разделяя переменные и интегрируя левую и правую части уравнения (2.96) соответственно в пределах V3...V и 0...t, получим выражение для текущей скорости на 4 этапе а из него при t = 4 – скорость V4, а также путь торможения на 4 этапе На 5 этапе т = const и п = const, поэтому и ап = const Пользуясь уравнением (2.44), найдём Интегрирование уравнения (2.98) в пределах V4...0 для левой части и в пределах 0...5 для правой позволяет определить длительность 5 этапа а интегрирование в пределах V4...V и 0...t текущую скорость Подставив v = dS/dt в последнее выражение, можно получить уравнение с разделяющимися переменными, интегрирование которого в пределах 0...S5 и 0...5 даёт формулу для определения тормозного пути на этапе 5.

Тормозной путь Sт автопоезда, равный сумме тормозных путей, определяемых формулами (2.91), (2.93), (2.95), (2.97), (2.99) Sт = S1 + S2 + S3 + S4 + S5, а также замедление jуст, полученные расчётом, сравниваются с нормированными значениями для данной подкатегории автопоезда. При Sт [Sт] и jуст [jуст] автопоезд обладает требуемой эффективностью.

2.5.9. Влияние тормозных свойств на среднюю скорость движения Тормозные свойства оказывают влияние не только на безопасность движения, но и на среднюю скорость движения. Водитель на основании своего опыта интуитивно устанавливает скорость движения, учитывая тормозные свойства управляемого им автомобиля.

Допустимая по тормозным свойствам скорость движения может быть определена из условия где So – остановочный путь, определяемый по формуле (2.58); Sб – расстояние безопасности (обычно принимают равным 5...10 м); Sв – расстояние видимости водителем дороги до встречного автомобиля или препятствия на пути.

В тёмное время суток при пользовании фарами Sв = Sосв – µV (Sосв – максимальная протяжённость участка дороги, освещённого фарами, для дальнего света Sосв = 100 м, для ближнего света Sосв = 50 м; µ = 1,8 с – коэффициент, учитывающий уменьшение расстояния видимости от скорости движения).

При движении в тумане или при осадках Sв = 0,85 Sм (Sм – метеорологическая дальность видимости).

Подставляя значения соответствующих составляющих в уравнение (2.100), получим квадратное уравнение относительно V, решая которое, можно определить допустимую скорость движения по тормозным свойствам автомобиля для заданных условий движения. Зная профиль трассы и коэффициент x для участков, можно рассчитывать эпюру допустимых скоростей движения по тормозным свойствам на всём протяжении трассы и при моделировании движения на ЭВМ учесть влияние тормозных свойств на среднюю скорость.

2.5.10. Перспективы совершенствования тормозного управления С момента появления АБС потенциально открылся путь к тому, что инженеры шасси называют или электронным управлением тормоза (ЕВМ), или динамическим управлением тормоза (DBC). Как система, АБС работает хорошо, но её применение ограничено: она не начинает работать, пока одно из колёс не начнет блокироваться при торможении. Поскольку во многих ситуациях вес автомобиля распределён неравномерно на его четырёх колёсах или даже по бортам, в этих обстоятельствах некоторые колёса будут способны воспринимать бльшее количество тормозного усилия, чем другие.

Ясно, что распределение усилия торможения согласно нагрузке на колесе могло бы увеличить устойчивость транспортного средства и открыть путь для использования перераспределения тормозного усилия по бортам, для достижения надёжного стабильного управления.

Прежде чем эти идеальные варианты могут быть достигнуты, необходимы две вещи. Первое – способность определять массу, приходящуюся на каждое колесо индивидуально. Второе – способность всегда управлять (не только во время работы АБС) усилием торможения на каждом колесе. Первое требование нуждается в нужных датчиках и компьютере. Второе будет возможным, когда мы получим новую систему торможения – «торможение по проводам» (BBW). Как и в случае «рулевого механизма, управляемого по проводам», в тормозах может применяться электрическая передача сигналов между педалью тормоза и исполнительным механизмом, т.е. механическая связь между педалью тормоза и тормозными механизмами заменена на электрическую.

Точно так же, как SBW, преимущества BBW включают способность смодулировать выходной сигнал по желанию водителя, обеспечивающий лёгкое и последовательное торможение и безопасность. В случае DBC компьютер берёт сигнал от водителя – давление на педали тормоза и скорость нажатия – и делит его на четыре отдельных сигнала, по одному для каждого колеса, оптимально распределяя количество тормозного усилия между колёсами наилучшим способом. BBW также открыл бы возможность лёгкого совмещения, например, с системой «интеллектуального круиз-контроля», разрешая автоматическое торможение автомобиля для поддержания безопасной дистанции, вплоть до полной остановки, если необходимо. Также BBW даёт другие преимущества: например, нет необходимости в связи, проходящей через кузов к главному тормозному цилиндру, расположенному с другой стороны, что улучшает пассивную безопасность и уменьшает передачу шума и вибрации. Но для комфортного управления тормозами водитель должен ощущать некоторое сопротивление педали тормоза.

В системе BBW тормозной механизм может быть полностью электрическим или электрогидравлическим. В первом случае тормозная колодка должна выдвигаться в рабочее положение (и возвращаться в исходное положение) электрическим двигателем с винтовым приводом. На технической выставке в 2000 г. BMW показал автомобиль с полностью электрическим BBW, использующим принцип циркуляции шариков в замкнутом пространстве для винтовых приводов колодок, чтобы минимизировать трение и достичь быстрой реакции. Как и многие из таких устройств нового поколения, система работала от 36V (а не от 12V) электрической сети. Это проявилось в его плавном действии в режиме АБС, в отличие от обычной механической обратной связи от педали. Плавность была результатом аналогового управления, в отличие от существующего АБС, в котором управление является «цифровым» (дискретным), подавая давление в тормозную систему по одному пороговому значению и выпуская его при другом. Управление было, конечно, «колесо за колесом»; BMW поставил точку, в которой любая функция торможения сама заботится об обслуживании в пределах программного обеспечения.

В электрогидравлическом BBW электродвигатель приводит в действие насос, который создаёт давление в аккумуляторе тормозной жидкости. Набор соленоидных клапанов управляет потоком давления жидкости, подводимой к каждому суппорту. Действие клапана задаётся регулятором тормозной системы, который принимает и обрабатывает сигналы усилия на педали тормоза и датчиков движения. В действительности, эта система объединяет пакет: АБС плюс электрическая передача сигналов и электронная обработка. Этот подход имеет преимущество в способности использовать существующие конструкции суппорта и поэтому может стать первым типом, который будет внедрён в производство, самое позднее в 2005 г., хотя BMW и, возможно, некоторые из других автомобильных изготовителей могут быть более настойчивыми для быстрого решения вопроса внедрения полностью электрического BBW. Независимо от того, какой тип появится сначала, весьма вероятно, что они будут экономить вес и станут неприхотливы в установке и обслуживании. Ограничение гидравлики до небольших закрытых контуров в каждой части автомобиля – или полный отказ от нее в целом – будет иметь большое значение. Но реальное различие появится тогда, когда тормоза будут не просто останавливать автомобиль, но и внесут вклад в его устойчивость и безопасное управление.

Устойчивость автомобиля непосредственно связана с безопасностью дорожного движения.

Устойчивость движения определяется способностью автомобиля участия водителя восстанавливать своё прямолинейное движение, если оно будет нарушено действием каких-нибудь случайных возмущающих сил. На устойчивость автомобиля влияют его управляемость и стабилизация управляемых колёс [15].

Нарушение устойчивости автомобиля выражается в произвольном изменении направления движения, его опрокидывании или скольжении шин по дороге. Различают продольную и поперечную устойчивость автомобиля. Более вероятна и опасна потеря поперечной устойчивости [13].

Траектория движения автомобиля всегда является криволинейной, причём кривизна её непрерывно меняется. Поэтому прямолинейное движение автомобиля – понятие условное, подразумевающее, что при неизменном направлении движения его смещения не превосходят некоторых пределов.

Курсовой устойчивостью автомобиля называют его свойство двигаться без корректирующих воздействий со стороны водителя, т.е.

при неизменном положении рулевого колеса. Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью произвольно меняет направление движения («рыскает» по дороге), создавая угрозу другим транспортным средствам и пешеходам.

Показателями курсовой устойчивости служат средняя скорость поперечного смещения Vу.ср и средняя угловая скорость поворота рулевого колеса р.к.

Потеря поперечной устойчивости при криволинейном движении может привести к прогрессивно нарастающему поперечному скольжению шин по дороге (заносу) или опрокидыванию автомобиля. «Рыскание» автомобиля на криволинейных участках дороги обычно не наблюдается, поскольку скорости при этом относительно невелики.

Показателями поперечной устойчивости автомобиля при криволинейном движении являются максимально возможные скорости движения по дуге окружности и угол поперечного уклона дороги (косогора). Оба показателя могут быть определены из условий заноса или опрокидывания автомобиля.

Потеря автомобилем продольной устойчивости выражается, как правило, в буксовании ведущих колёс, особенно часто наблюдаемом при преодолении автопоездом затяжных подъёмов со скользкой поверхностью. Опрокидывание автомобиля в продольной плоскости возможно лишь как исключение. Показателями продольной устойчивости автомобиля служат максимальные величины углов подъёма, преодолеваемого транспортным средством без буксования ведущих колёс.

Нарушение курсовой устойчивости при прямолинейном движении автомобиля происходит под действием возмущающих сил: поперечной составляющей веса, бокового ветра, ударов колёс о неровности дороги, а также различных по величине продольных сил (тяговой, тормозной), приложенных к колёсам правой и левой сторон автомобиля. При криволинейном движении автомобиля к этим силам добавляется центробежная сила. Потеря устойчивости автомобилем может быть вызвана также неправильными приёмами управления (интенсивными торможением и разгоном, резким поворотом рулевого колеса) или техническими неисправностями (неправильная регулировка тормозных механизмов, заклинивание рулевого управления, прокол или разрыв шины).

Часто предпосылкой потери устойчивости является скорость автомобиля, не соответствующая дорожным условиям. Если автомобиль движется с излишне высокой скоростью, то тяговая сила Рт приближается по величине к силе сцепления Рсц ведущих колёс с дорогой, вследствие чего возможно их пробуксовывание.

Условие отсутствия буксования В случае ускоренного движения автомобиля на подъёме сила тяги Сила сцепления ведущих (задних) колёс с дорогой при отсутствии боковых сил где Jк1 – момент инерции передних колёс.

Приняв для простоты cosд 1 и пренебрегая в выражении (2.102) членами, содержащими f и Jк1, ввиду их относительно малой величины, получаем Решая эти уравнения с учётом неравенства (2.101), получаем выражение для скорости, максимально допустимой при прямолинейном движении автомобиля, без пробуксовки ведущих колёс Скорость Vбук уменьшается при уменьшении коэффициента сцепления, росте сопротивления дороги, а также при увеличении ускорения. Поэтому потеря курсовой устойчивости автомобилем наиболее вероятна на участках дороги со скользким неровным покрытием (укатанный снег, обледенелый асфальтобетон, булыжник) и подъёмами.

Часто водители, видя впереди подъём и не желая терять скорости, увеличивают подачу топлива и преодолевают подъём «с ходу». Если при этом на пути встретится участок, покрытый снежной или ледяной коркой, то значения сил Рт и Рсц могут стать примерно одинаковыми, тогда даже небольшая поперечная сила может вызвать боковое скольжение заднего моста.

Движение автомобиля со скоростью, близкой к Vбук, является лишь одной из предпосылок заноса. Теоретически автомобиль может двигаться с этой скоростью неограниченно долго без потери поперечной устойчивости. Однако в реальных условиях всегда имеются возмущающие силы и моменты, стремящиеся изменить направление движения автомобиля.

Неблагоприятное влияние на устойчивость движения оказывают аэродинамические силы. При движении автомобиля на него могут действовать аэродинамические силы, например боковой ветер (или боковая составляющая ветра). Точка приложения аэродинамической силы, как известно, называется центром парусности. Если центр боковой парусности совпадает с центром боковых реакций, то действие аэродинамических сил выразится в сносе автомобиля в сторону. Если эти точки не совпадают, то образуется пара сил, которая будет стремиться поворачивать автомобиль в ту или иную сторону. При этом следует учитывать положение центра тяжести автомобиля. При начавшемся повороте возникнет боковая составляющая центробежной силы (Су).

Она может усиливать вворачивающее действие аэродинамической силы или, наоборот, ослаблять его [15].

В быстроходных легковых автомобилях, особенно в автомобилях спортивного типа, применяют аэродинамические стабилизаторы, с помощью которых достигают изменения положения центра парусности в нужную сторону (приближая его к центру тяжести).

Стабилизация управляемых колёс. Устойчивость движения автомобиля во многом зависит от того, насколько стабильно держат управляемые колёса заданный курс движения автомобиля. Если на управляемые колёса будет воздействовать какой-нибудь мгновенный боковой импульс (наезд колеса на местную микронеровность), то действием этого импульса колёса повернутся на небольшой угол. После исчезновения импульса должно автоматически восстановиться прежнее положение колёс. Это и есть стабилизация управляемых колёс.

Управляемые колёса могут стабилизироваться вследствие упругости резины шин (упругая стабилизация) или за счёт поворота шкворня рулевой трапеции (стабилизация поворотом шкворня).

Рассмотрим оба способа стабилизации.

Упругая стабилизация (рис. 2.27, а). Боковой импульс всегда можно представить как импульс боковой силы (Р), приложенной на поперечной оси отпечатка шины на дороге, и как импульс момента (Мпов), действующего на колесо относительно его вертикальной оси симметрии. Тогда со стороны дороги должны возникнуть соответствующие реакции – боковая реакция S и стабилизирующий момент Мст.

С момента исчезновения импульса реактивные силы будут уравновешиваться силами инерции, и после ряда колебательных движений колесо должно выйти на свою прежнюю траекторию (рис. 2.27, б).

Рис. 2.27. Упругая стабилизация управляемого колеса Стабилизация наклоном шкворня (рис. 2.28). Если ось шкворня п–п, относительно которой поворачивается колесо, наклонить в вертикальной плоскости на угол, то при поворот колеса под действием случайного возмущающего импульса оно должно опуститься ниже плоскости дороги или должен приподняться передок автомобиля. В последнем случае равновесие Рис. 2.28. Стабилизация оси колеса будет неустойчивым, и как только исчезнет возмущающий имна угол пульс, колесо вернётся в своё первоначальное положение.

Таким образом, имеет место стабилизация управляемого колеса.

Стабилизировать управляемое колесо можно также наклоном оси шкворня назад на угол (рис. 2.29).

Если возмущающий импульс вызвал увод автомобиля и он стал поворачиваться, то на автомобиль начнёт действовать поперечная составляющая центробежной силы. Она вызовет на дороге боковую реакцию S. Эта реакция будет приложена в точке (условно считаем шину недеформирующейся) контакта колеса с дорогой. Сила же Р на шкворне, возникшая вследствие действия центробежной силы, будет приложена перпендикулярно к плоскости качения колеса и совместно с реакцией S создаст пару сил Sc, где с – Рис. 2.29. Стабилизация плечо пары. Эта пара стремится по- управляемых колёс наклоном вернуть колесо в сторону, обратную оси шкворня на угол направлению возмущающего момента, т.е. будет стабилизировать управляемое колесо.

Развал и сходимость управляемых колёс. Если колесо автомобиля управляемое, то вследствие зазоров в рулевой трапеции или в подвеске плоскость качения колеса при движении автомобиля может оказаться наклонённой к плоскости дороги внутрь колеи. В этом случае колёса стремятся катиться по сходящим траекториям и вместо чистого качения колёс будет иметь место качение колёс с некоторым боковым скольжением. В результате компенсирования бокового скольжения колеса одного борта противоположно направленным боковым скольжением колеса другого борта сохраняется прямолинейное движение автомобиля, но при этом шины будут сильно изнашиваться. Чтобы уменьшить износ шин, надо привести колёса к чистому качению.

Для этого управляемые колёса устанавливают с предварительным развалом, т.е. так, чтобы их плоскости качения были отклонены в сторону от колеи (на 1 – 2°). В этом случае при движении автомобиля плоскости качения колёса оказываются почти перпендикулярными к плоскости дороги и боковое скольжение колёс уменьшается до минимума.

Излишний развал вызывает стремление колёс катиться по расходящимся траекториям, что сопровождается боковым скольжением колёс. Этот недостаток развала устраняется введением схождения колёс, т.е. установкой их под некоторым углом к продольной оси автомобиля так, чтобы плоскости их качения пересекались впереди автомобиля.

Развал и сходимость взаимно компенсируют друг друга.

Однако встречаются автомобили и с завалом колёс. Только экспериментальное исследование может определить величину развала или завала колёс. Чаще всего колёса имеют развал и сходимость. Главное, чтобы колесо работало без бокового скольжения, т.е. имело чистое (или близкое к этому) качение, а будет ли оно иметь развал или завал, сходимость или расходимость – несущественно.

Поперечная устойчивость – это свойство транспортного средства сохранять ориентацию вертикальной оси в поперечной плоскости в заданных пределах. Оно определяет его способность противостоять заносу и опрокидыванию при криволинейном движении по дороге или участку со значительным поперечным уклоном (косогору) [3].

Показателями поперечной устойчивости являются: критическая скорость криволинейного движения транспортного средства, соответствующая началу заноса; критическая скорость криволинейного движения транспортного средства, соответствующая началу его опрокидывания; критический угол косогора, соответствующий началу поперечного скольжения колёс; критический угол косогора, соответствующий началу поперечного опрокидывания транспортного средства.

Устойчивость автомобиля против заноса и бокового опрокидывания при криволинейном движении При движении автомобиля по криволинейной траектории на него действуют центробежная сила инерции Рц и момент инерции. Для определения устойчивости на данном криволинейном участке дороги для начала определяются нормальные реакции дороги, действующие на колёса автомобиля при повороте: если реакции на колёсах одного борта исчезают – автомобиль опрокидывается на противоположный борт [15].

Рассмотрим определение реакций на колёса двухосного автомобиля при повороте.

Представим автомобиль в виде свободного материального тела с массой М и моментом инерции Iz, ускоренно вращающегося с постоянным радиусом R вокруг некоторого неподвижного центра 0 (рис. 2.30).

Скорость вращения тела.

Выберем оси координат, как указано на рисунке. Окружная скорость будет V, поступательная, соответствующая скорости движения автомобиля, – v. Тогда согласно принципу Даламбера на тело будут действовать силы инерции: центробежная С и касательная М.

Если спроектировать эти силы на оси координат, то получим продольную составляющую силы инерции Сх и поперечную составляющую Cу.

Кроме того, на тело действует инерционный момент Mj.

Для определения составляющих сил инерции и инерционного момента поступаем следующим образом. Вместо вращения тела вокруг центра 0 будем рассматривать составляющие этого вращения вокруг центров 0 и 0. Эти вращения дают каждое свою составляющую – центробежную и касательную силы инерции.

Из рисунка получим Рис. 2.30. Поворот материального тела вокруг центра Угловая скорость автомобиля может быть выражена через поступательную скорость v и радиус поворота R Но радиус можно выразить через базу L и углы поворота передних управляемых колёс. Тогда Подставляя в предыдущие формулы, получим значение инерционных сил и момента Можем теперь определить боковые S и нормальные Z реакции, действующие на колёса автомобиля.

Условимся обозначать индексом 1 и 2 реакции, приложенные к переднему и заднему мостам (S1, S2, Z1, Z2), и штрихами – реакции, приложенные к бортам автомобиля (рис. 2.31).

Согласно рис. 2.31 напишем уравнение моментов и уравнение проекций на поперечную ось автомобиля:

здесь 1 – углы поворота управляемых колёс.

Рис. 2.31. Схема сил, действующих на автомобиль при повороте Отсюда находим Аналогично определяем нормальные реакции в точках п и т:

и суммарные нормальные реакции на левом и правом борту автомобиля:

Занос автомобиля. Чтобы автомобиль не заносило, реакции S и S2 должны быть меньше предельных значений по сцеплению, или При малом угле поворота управляемых колёс эти неравенства заменяются одним где S = S1 + S2; Z = Z1 + Z2.

При заносе происходит боковое скольжение колёс, причём вначала скользят колёса одной, а потом другой оси.

Обычно вначале забрасывают заднюю ось. Действительно, если под действием поперечного возмущающего импульса передняя ось забрасывается в сторону со скоростью vу (рис. 2.32, а), то скорость передней оси будет где vx = v – скорость автомобиля до заноса.

Автомобиль будет поворачиваться вокруг точки 0, лежащей на задней оси. При этом возникает центробежная сила, составляющая которой Су стабилизирует автомобиль, т.е. противодействует заносу.

Если импульс приходится на заднюю ось (рис. 2.32, б), то центробежная сила помогает заносу. Если при этом управляемые колёса повернуть в сторону заноса так, чтобы они встали параллельно вектору v2, то занос прекратится (центр поворота уйдёт в бесконечность).

Заметим, что при заносе автомобиля нельзя его тормозить, так как появляется скольжение колёс по дороге и вследствие этого теряется управляемость автомобилем.

Занос при резком повороте управляемых колёс. Допустим, что автомобиль движется равномерно (v = const) и прямолинейно (R = ).

Подставляя значения v и R, получим Так как Cу = S (боковая реакция), то найдём условие, при котором занос отсутствует:

где g – ускорение земного тяготения.

Чем резче поворот управляемых колёс, тем больше вероятность заноса автомобиля.

Из формулы также следует, что занос зависит от базы автомобиля L и от выноса вперед её центра тяжести а2. Увеличение базы и уменьшение выноса центра тяжести увеличивают устойчивость движения автомобиля.

Занос автомобиля может происходить и при отсутствии сил, когда продольные силы на колёсах левого и правого борта неодинаковы, например, при проколе шины одного из колёс. Как известно, это является причиной многих автомобильных аварий.

Боковое опрокидывание. Опрокидывание автомобиля наступает, когда одна из нормальных реакций, действующих на борт автомобиля Z или Z, становится равной нулю.

Основной причиной опрокидывания является боковая составляющая центробежной силы, возникающая при повороте автомобиля.

Согласно рис. 2.32, а под действием центробежной силы опрокидывание происходит в сторону внешнего (забегающего) борта автомобиля. Примем Z' = 0. Учитывая, что центробежная сила получим выражение критической скорости, при которой должно начаться опрокидывание Из формулы следует, что критическая скорость по опрокидыванию зависит: от ширины колеи автомобиля В (чем шире автомобиль, тем выше критическая скорость); от положения центра тяжести hg (чем ниже расположен центр тяжести, тем выше vопр); от угла наклона дороги (чем больше уклон дороги, тем выше vопр); от paдиуса закругления дороги R (чем меньше крутизна дороги, тем выше vопр).

Опрокидывание автомобиля возможно только в том случае, если его колёса имеют достаточное сцепление с дорогой. В противном случае будет иметь место не опрокидывание, а занос.

Для упрощения задачи примем, что автомобиль одновременно всеми колёсами обеспечивает сцепление с поверхностью дороги.

Определим из рис. 2.32, а суммарные реакции:

Занос наступит, когда реакция S получает предельное значение по сцеплению (S = Z).

ражение критической скорости по заносу.

Отсюда следует, что критическая скорость по заносу зависит: от коэффициента сцепления (на обледенелых дорогах вероятность заноса большая); от угла наклона дороги (чем больше этот угол, тем меньше вероятность заноса); от радиуса крутизны дороги R (чем меньше крутизна дороги, тем меньше вероятность заноса).

Примем в частном случае угол = 0. Тогда получим Так как опрокидывание более опасно, чем занос, то можно определить условия, когда vзан < vопр. Из приведённых формул получим Отсюда следует, что опрокидывание автомобиля невозможно, если коэффициент сцепления колёс с дорогой меньше величины =. Эта величина близка к единице. Коэффициент сцепления имеет максимальное значение порядка 0,6 (на сухом асфальте). Таким образом, опрокидывание автомобиля на ровной дороге невозможно.

Возможен только его занос. Однако, учитывая наличие на дороге микронеровностей, которые могут значительно повысить коэффициент сцепления, сделав его даже больше единицы, а также кюветов, занос может привести к опрокидыванию автомобиля.

При движении транспортного средства по дороге с поперечным уклоном потеря устойчивости может произойти в результате действия Рис. 2.33. Схема сил, действующих на автомобиль Rzв, Rzн – соответственно суммарные нормальные реакции внутренних и наружных колёс; Rув, Rун – соответственно суммарные боковые реакции внутренних и наружных колёс; Gд – сила тяжести;

Gд sin и Gд cos – составляющие силы тяжести; – угол косогора;

В – смещение центра масс автомобиля при крене;

Р и Р – соответственно деформации правой и левой рессор;

Вр – рессорная база; В – колея автомобиля; hкр – плечо крена подрессорной массы поперечиной составляющей силы тяжести, равной Gg sin (рис. 2.33).

В случае, если вектор силы тяжести пересекает опорную поверхность вне колеи, опрокидывание неизбежно. Критический угол косогора по условиям заноса Критический угол косогора по условиям опрокидывания при движении на прямолинейном участке (без учёта деформации рессор и шин):

где B/(2h) = – коэффициент поперечной устойчивости транспортного средства.

Коэффициент поперечной устойчивости – переменная величина, так как высота hg расположения центра масс зависит от степени загрузки автомобиля, характера и расположения груза. Для сравнительной оценки поперечной устойчивости различных транспортных средств применяют значения hg, соответствующие полной нагрузке при равномерном распределении наиболее характерного для данного автомобиля груза.

При движении по дороге одновременный занос обоих мостов автомобиля происходит редко. Чаще начинается скольжение одного из мостов. Очевидно, что менее вероятен занос моста, колёса которого имеют большую силу сцепления с дорогой и меньшую касательную реакцию. Большие касательные реакции имеют колёса, нагруженные силой тяги или тормозной силой. Следовательно, при движении без торможения большую вероятность попасть в занос имеют ведущие колёса. При заносе заднего моста (рис. 2.34, а) поперечная составляющая Ру центробежной силы Рц действует в направлении скольжения моста, увеличивая занос. Поэтому занос заднего моста является прогрессирующим.

Гашения заноса в этом случае можно достичь, уменьшив касательную реакцию на задних колёсах в результате прекращения торможения, и если они ведущие, выключив сцепление. Кроме того, необходимо повернуть передние колёса в сторону заноса, в результате чего центр поворота сместится из точки О в точку О1. При этом увеличивается радиус поворота и снизится центробежная сила Рц (рис. 2.34, в).

При заносе задней оси (рис. 2.34, б) поперечная составляющая Ру центробежной силы Рц направлена в сторону, противоположную заносу, и происходит автоматическое гашение.

Рис. 2.34. Схемы заноса мостов автомобиля и гашения его:

V1 и V2 – соответственно скорости движения передней и задней оси;

Vа – скорость движения автомобиля; V3 – скорость заноса оси автомобиля

2.7. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ

БЕЗОПАСНОСТИ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

От технического состояния и надёжности конструкции рулевого управления непосредственно зависит безопасность движения автомобиля, поэтому определены требования безопасности к рулевому управлению и его составным частям. Эти требования регламентированы в международных (Правила ЕЭК ООН № 79) и национальных стандартах.

Рулевое управление состоит из рулевого механизма и рулевого привода. В большинстве автомобилей в рулевом управлении, кроме того, применяются усилители, использующие энергию двигателя для поворота управляемых колёс.