Лекция Вопросы теории движения легкового автомобиля

Муниципальное автономное образовательное учреждение
дополнительного образования детей
«Детско-юношеский центр»

Лекция к разделу
Основы безопасности дорожного движения
Вопросы теории движения легкового автомобиля

Салехард, 2015
Теоретический анализ эксплуатационных свойств помогает выяснить предельные возможности автомобиля и реализовать в дорожных условиях конструктивные особенности конкретной модели автомобиля.
К основным эксплуатационным свойствам, характеризующим «поведение» легкового автомобиля на дороге, относятся:
динамичность, топливная экономичность, устойчивость, управляемость, проходимость и плавность хода.
В теории автомобиля его эксплуатационные свойства рассматривают изолированно одно от другого. В действительности все они тесно взаимосвязаны. Так, скорость автомобиля на поворотах может быть ограничена не динамичностью, а управляемостью и устойчивостью, а на неровных дорогах плавностью хода.
Динамичность – свойство автомобиля двигаться с максимально возможной средней скоростью, характеризующееся максимальной скоростью движения, интенсивностью разгона до заданной скорости и интенсивностью торможения.
Динамичность автомобиля зависит, прежде всего, от его тяговых и тормозных свойств.
Автомобиль движется в результате воздействия на него различных сил (рис. 1), которые разделяются на силы, движущие автомобиль, и силы, оказывающие сопротивление его движению. Основной движущей силой является сила тяги, приложенная к ведущим колесам. Сила тяги возникает в результате взаимодействия ведущих колес (нагруженных крутящим моментом, передаваемым от двигателя) с дорогой. От величины тягового усилия на колесах зависит преодоление сил сопротивления движению, быстрота разгона, или, как говорят, приемистость автомобиля.
Сила тяги в основном определяется скоростной характеристикой двигателя, а также передаточным отношением и КПД трансмиссии. Скоростные характеристики двигателя характеризуются изменением мощности и крутящего момента, развиваемых двигателем, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.
В режиме максимального крутящего момента двигатель развивает наибольшую тягу, необходимую для преодоления больших сопротивлений движению и обеспечения высоких ускорений при разгоне, а в режиме максимальной мощности до движения автомобиля.
9201153175
Рис. 1. Силы, действующие на автомобиль при движении:
Ри – инерционная, Риб – боковая инерционная, Рбс – сопротивления боковому скольжению, Ррд – реакции дороги на опору колеса, Рт – тяги на ведущих колесах, Рв – сопротивления воздуха, Рд – сопротивления качению.
Эксплуатационная частота вращения коленчатого вала двигателя должна находиться в диапазоне между максимумами крутящего момента и мощности. В этом случае обеспечивается минимальный удельный расход топлива при высоких динамических показателях автомобиля.
Большую помощь водителю для выбора наиболее оптимального режима движения в конкретных дорожных условиях оказывают тахометр, который контролирует режим работы двигателя, и эконометр, указывающий величину разрежения во впускном трубопроводе.
К силам сопротивления движению автомобиля относят силу трения в трансмиссии, силу сопротивления качению Рд и силу сопротивления воздуху Рв.
Потери в трансмиссии, затрачиваемые на преодоление трения в зацеплениях зубчатых колес коробки передач и главной передачи, в карданных шарнирах, подшипниках и сальниках, характеризуют КПД трансмиссии. Эта величина в процессе эксплуатации автомобиля с учетом приработки деталей изменяется и для легковых автомобилей составляет 0,90...0,97.
Следовательно, величина мощности и крутящего момента, подводимая к ведущим колесам, будет меньше величин, получаемых непосредственно от двигателя, на величину потерь в трансмиссии, т. е.
NT = Ne – NTP,
где NT–тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам, Ne– эффективная мощность двигателя, NTP – мощность, необходимая для преодоления сил в трансмиссии.
Сила тяги Рт как основная сила, движущая автомобиль, должна быть достаточной для трогания автомобиля с места, поддержания необходимой скорости и придания требуемого ускорения. Сила тяги регламентируется предельным значением коэффициента сцепления шин с дорогой, который характеризует относительную мгновенную неподвижность точки контакта шины и дороги, т. е. избыточная сила тяги, реализуемая крутящим моментом двигателя, приводит к буксованию колес относительно дороги. Наиболее часто буксование наблюдается при резком трогании автомобиля с места и при движении по скользкой дороге.
На дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления зависит главным образом от трения скольжения между шиной и покрытием. При смачивании твердого покрытия коэффициент сцепления резко падает из-за образования пленки из частиц грунта и воды, уменьшающих трение между шиной и дорогой. Большое влияние на коэффициент сцепления оказывают рисунок проектора шин и степень его износа. В противоположность буксованию при разгоне автомобиля, недостаточном сцеплении шин с дорогой, при торможении возникает скольжение вследствие блокировки заторможенного колеса, т. е. «юз». Как полное буксование, так и «юз» являются предельными случаями движения колес, допускать которые нежелательно. При нормальной эксплуатации автомобиля, как правило, наблюдается частичное пробуксовывание или частичное проскальзывание.
Эти максимальные подъемы определяют исходя из того, что весь запас мощности, которым располагает автомобиль, расходуется на преодоление сопротивления движению. Следовательно, когда на дороге встречаются подъемы, которые автомобиль может преодолеть на данной передаче, можно продолжать движение без снижения скорости. Как только крутизна подъема превысит указанный предел, скорость автомобиля резко уменьшается. Поэтому необходимо быстро перейти на пониженную передачу. Если же крутизна фактически преодолеваемого подъема меньше указанной выше, то оставшийся запас мощности двигателя можно израсходовать на разгон автомобиля.
Автомобиль во время движения часть мощности, развиваемой двигателем, затрачивает на преодоление сил сопротивления воздуха Рв. При этом своей лобовой поверхностью автомобиль оказывает давление на воздух, а его боковые поверхности создают силу трения со слоями воздуха. Взаимодействие воздуха с автомобилем при его движении оценивается величиной аэродинамического сопротивления Сх, который для современных легковых автомобилей составляет 0,28...0,40. Затраты мощности на сопротивление воздуха, ничтожные при малой скорости движения, резко возрастают с ее увеличением.
Подводя итог вышеизложенному, можно сделать вывод, что для обеспечения нормального прямолинейного движения автомобиля необходимо, чтобы действовало следующее неравенство:
Pт > Рд И Рв + Ри, где Рт – сила тяги на ведущих колесах, Рд – сила сопротивления качению, Рв – сила сопротивления воздуха, Ри – сила инерции поступательно движущейся массы G автомобиля.
Динамичность современных легковых автомобилей позволяет достигать максимальной скорости 140...180 км/ч и интенсивности разгона до скорости 100 км/ч за 12...18 с.
Динамичность автомобиля характеризуется также и его тормозными свойствами. При движении с той или иной скоростью водитель должен точно знать, какой путь потребуется ему для срочной остановки автомобиля. На сухом горизонтальном участке дороги с твердым покрытием у современных легковых автомобилей малого класса максимальное замедление должно быть не менее 5,8 м/с2. Это значит, что тормозной путь при начальной скорости 80 км/ч составит около 40 м. Этот путь возрастает в 1,5...2 раза на мокром и скользком шоссе, и особенно в гололедицу.
Топливная экономичность определяет техническую и экономическую характеристики автомобиля.
Учитывая, что стоимость топлива составляет 10...15 % всех затрат на эксплуатацию автомобиля, необходимо использовать топливо с максимальной эффективностью, не допуская неоправданных потерь. Показателем топливной экономичности автомобиля является контрольный расход топлива в литрах на 100 км пути. Контрольные расходы при равномерном, установившемся режиме движения определяют при постоянных скоростях 90 и 120 км/ч. Однако в эксплуатации преобладают переменные режимы движения с разгонами и замедлениями различной интенсивности. Поэтому контрольный расход топлива определяют и при переменном режиме, используя для этого специальный стенд с беговыми барабанами, имитирующими дорожное сопротивление. Движение на стенде осуществляется по так называемому условному городскому циклу, режимы которого составлены на основе статистически обработанных реальных условий эксплуатации с использованием низших передач, режимов разгона и торможения.
При эксплуатации автомобилей для учета расхода топлива используют контрольный эксплуатационный расход топлива (норматив), который отличается от ранее рассмотренных тем, что учитывает особенности эксплуатации автомобиля в конкретных дорожных и климатических условиях.
Следующим свойством, определяющим техническую характеристику автомобиля на дороге, является устойчивость. Она определяется совокупностью свойств, обеспечивающих движение автомобиля без бокового скольжения, опрокидывания и произвольного смещения с заданного направления. Для легковых автомобилей более вероятна и более опасна потеря поперечной устойчивости, которая происходит под действием центробежной силы – поперечной составляющей силы тяжести автомобиля, силы бокового ветра, и силы, возникающей в результате боковых ударов колес о неровности дороги. Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются максимально возможные скорости движения по окружности и максимально допустимый поперечный уклон дороги (косогор), исключающий опрокидывание. Оба показателя могут быть определены из условий поперечного скольжения колес (занос) и опрокидывания автомобиля. Боковое усилие чаще всего возникает под действием боковой инерционной (центробежной) силы (см. рис. 1), величина которой прямо пропорциональна массе и квадрату скорости автомобиля и обратно пропорциональна радиусу поворота, т. е. чем больше скорость автомобиля и чем резче водитель поворачивает рулевое колесо, тем больше вероятность потери устойчивости автомобиле из-за существенного увеличения боковой инерционной силы.
Наиболее опасный вариант нарушения устойчивости – бокового опрокидывание автомобиля. Чаще всего это происходит при резком увеличении боковой инерционной силы из-за упора боковины колеса о препятствие при повороте или поперечном скольжении, а также при движении по косогору.
Для определения условий бокового опрокидывания рассмотри! частный случай движения автомобиля на косогоре. В этом случае автомобиль находится под действием двух составляющих силы тяжести G (рис. 2). Боковая составляющая G вызывает боковое смещение и при определенных условиях опрокидывание автомобиля.
7594601854200Составляющая G2, перпендикулярная поверхности косогора DE, прижимает к ней колеса автомобиля и противодействует его боковому смещению. Автомобиль сохраняет свою устойчивость, когда линия, по которой направлена сила тяжести G (перпендикуляр к линии горизонта АС), пересекает опорную поверхность в пределах ширины колеи В автомобиля. Опрокидывание автомобиля наступит тогда, когда данное пересечение выйдет за пределы колеи В, а это зависит от высоты h–центра тяжести и угла AKD–наклона косогора. Чем меньше высота h и наклон косогора, тем более устойчив автомобиль против бокового опрокидывания при данной ширине колеи.
Рис. 2. Пример опрокидывания на косогоре
При поперечном скольжении автомобиля в условиях заноса на горизонтальном участке (или в условиях резкого поворота) боковое опрокидывание может произойти при резком увеличении боковой составляющей G1 и выхода результирующей составляющей G за пределы колеи В.
Способность автомобиля противостоять опрокидыванию можно характеризовать отношением М/В/(2h), называемым коэффициентом поперечной устойчивости, который для легковых автомобилей составляет 0,9...1,2 или 40...50° критического угла косогора AKD.
Поскольку у современных легковых автомобилей центр тяжести расположен низко, опасность бокового (так же, как и продольного) опрокидывания невелика. Она существенна для легковых автомобилей повышенной проходимости, с центром тяжести, расположенным высоко.
Продольная устойчивость автомобиля определяется максимальным углом подъема, который может преодолеть автомобиль при равномерном движении без буксования колес. Автомобиль со всеми ведущими колесами может преодолевать крутые подъемы без потери продольной устойчивости даже на мокрых и скользких дорогах.
Свойство автомобиля сохранять заданное направление движения и точно следовать траектории, определяемой поворотом рулевого колеса, называется управляемостью. Ее оценивают по следующим признакам:
критическая скорость по условиям управляемости;
поворачиваемость автомобиля;
соотношение углов поворота управляемых колес;
стабилизация управляемых колес;
угловые колебания.
Критической скоростью по условиям управляемости называют скорость, с которой автомобиль может двигаться на повороте без поперечного скольжения управляемых колес. Нарушение управляемости может быть вызвано рядом внешних факторов, к числу которых относятся неровности дорожного покрытия и поперечный уклон дороги, пробуксовка одного из ведущих колес, попавшего на участок с пониженным коэффициентом сцепления или на участок с повышенным сопротивлением качению.
Все усилия, действующие в поперечном направлении, вызывают боковую деформацию шин и некоторое их смещение от пятна контакта (рис. 3). Каждая последующая точка на беговой дорожке шин входит в соприкосновение с дорогой несколько дальше от центра дороги, чем предыдущая. В результате отпечатки этих точек на след шин смещаются в сторону действия боковой силы инерции Р. Если соединить следы этих точек, то получится линия траектории качения колес б, которая будет находиться под углом d к средней плоскости направления самих колес а. Этот угол а между первоначальным и действительным направлениями качения колеса называется углом бокового увода.
Если же у автомобиля угол увода задних колес а меньше угла увода передних колес у (рис. 3, б), то радиус поворота RII будет больше теоретического RI. Такой автомобиль всегда стремится выйти за пределы окружности и обладает недостаточной поворачиваемостью.
778510324485
Рис. 3. Схема поворота автомобиля с излишней (а) и недостаточной (б) поворачиваемостью:
I – теоретический центр поворота без увода колес, II – действительный центр поворота с уводом колес
Характеристика поворачиваемости автомобиля определяется конструкцией шасси автомобиля и в значительной мере видом применяемых шин, давлением воздуха в них, а зачастую и степенью их износа. Если на заднюю ось автомобиля поставить более изношенные шины, то автомобиль будет характеризоваться излишней поворачиваемостью. Оптимальным вариантом является автомобиль с несколько недостаточной или нейтральной поворачиваемостью. На практике многие водители предпочитают излишнюю поворачиваемость, так как в этом случае автомобиль «острее реагирует» на поворот рулевого колеса и позволяет проходить закругления дороги без снижения скорости.
Стабилизацией управляемых колес называют их свойство сохранять нейтральное положение (прямолинейного движения) и автоматически в него возвращаться после поворота.
Измерителями стабилизации колес при выходе автомобиля из поворота служит стабилизирующий момент, определяемый продольным и поперечным наклонами шкворней или стойки, а также поперечная эластичность шины.
Проходимость – свойство автомобиля выполнять транспортную работу в сложных и тяжелых дорожных условиях.
Это свойство определяется техническими и геометрическими параметрами автомобиля, а также профессиональным мастерством водителя. По проходимости легковые автомобили делятся на две группы: нормальной проходимости с колесной формулой «4 X 2» двумя ведущими колесами) и повышенной проходимости – «4 X 4» колеса ведущие).
Среди геометрических параметров автомобиля (рис. 4), определяющих его проходимость, основными являются дорожный просвет h – расстояние между низшей точкой автомобиля и плоскостью дороги, углы переднего а и заднего свеса, определяющие возможную величину въезда на препятствие или съезда с него, а также ширина колеи колес К и колесная база С. Кроме того, для автомобилей повышенной проходимости существенное значение имеют высота Н и общие габариты – длина L и ширина В, а также R1 и R2 – соответственно продольный и поперечный радиусы проходимости.
Плавность хода – один из основных факторов, определяющий комфортабельность легкового автомобиля, обеспечивающих удобства поездки водителя и пассажиров, а также сохранность перевозимых грузов.
7786012721
Рис. 4. Геометрические параметры автомобиля
Плавность хода обеспечивается конструктивными особенностями автомобиля и обусловливается мастерством водителя.
Для человека наиболее привычными и безболезненными являются колебания, близкие к колебаниям при ходьбе и составляющие 1...1,5 Гц Меньшая частота может вызвать укачивание, более высокая (7...10 Гц) воспринимается как тряска. Помимо частоты колебания существенное влияние на плавность хода оказывает величина нарастания и убывания скорости перемещений при колебаниях (ускорения).
Плавность хода автомобилей оценивается количеством толчков на 1 км пути при конкретных вертикальных ускорениях. Так, для отечественных легковых автомобилей, имеющих хорошую плавность хода, число толчков составляет 15...20 при ускорении 2 м/с2 и 2...50 при ускорении 3 м/с2 на 1 км пути.
Для наиболее оптимального использования всех потенциальных возможностей автомобиля в соответствии с дорожными условиями! водитель должен знать особенности характеристик эксплуатируемый автомобилей, иметь представление о процессах, происходящих в них и сущности их взаимодействия с дорожными условиями и окружающей обстановкой.