ЧАСТЬ 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЖЕНИЯ

Необходимость в торможении при управлении автомобилем возникает очень часто. Торможение – это средство не только быстрой остановки автомобиля, но и регулирования скорости движения. Статистика показывает, что большинство автотранспортных дорожных происшествий в той или иной степени связано с торможением.

В соответствии с правилами дорожного движения во всех случаях, когда возникает опасность, водитель обязан снижать скорость или останавливать автомобиль, т. е. прибегать к торможению.

На практике условно различают два вида торможения. Так называемое служебное торможение производят, чтобы остановить автомобиль в заранее намеченном месте либо снизить его скорость. Оно осуществляется без торопливости и спешки, поэтому не вызывает заноса или потери управления в экстренных случаях при появлении на близком расстояния препятствия, водитель, как правило применяет интенсивное торможение, чтобы остановить автомобиль на кратчайшем пути. В таких ситуациях водитель обычно действует без учета качества дороги. Он нажимает на педаль тормоза с наибольшей возможной силой и быстротой. Режим интенсивного торможения неблагоприятно влияет на детали тормозной системы и на устойчивость автомобиля. При этом на последний действуют значительные продольные и поперечные силы, стремящиеся нарушить его устойчивость, детали тормозов испытывают повышенное напряжение и перегреваются, что ухудшает их действие. При напряженном режиме работы тормозов и их перегреве часто возникают неисправности. Практика показывает, что малоопасные неисправности, в обычных условиях никак не проявляющиеся, при резких торможениях могут вызвать отказ тормозов.

Для определения тормозных качеств автомобиля используют следующие показатели: тормозной путь St, м — путь, проходимый автомобилем от момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки; замедление при торможении j, м/с2 время срабатывания тормозов tт, с. Кроме этих, наиболее распространенных показателей, при расчетах также может использоваться величина тормозной силы на колесах.

С 1 января 1984 г. введен в действие ГОСТ 25478— 82, где установлены требования безопасности к техническому состоянию автомобилей, автобусов и автопоездов.

Предельно допустимые нормативы эффективности действия тормозной системы автомобилей, установленные этим стандартом, приведены в таблице П 14, а классификация автомобилей – в таблице П 15.

Выявление технического состояния тормозов имеет важное значение для установления причин происшествия и правовой оценки действий водителей и должностных лиц, ведающих эксплуатацией транспорта, поэтому осмотр тормозных систем следует осуществлять как можно более тщательно. Оценка состояния тормозов на основе протокола осмотра автомобиля на месте происшествия не всегда обоснована, так как, по существу, является визуальной и поэтому неполной.

Наиболее удобна и точна проверка тормозов при испытании их на специальных стендах в диагностических пунктах и на станциях технического обслуживания. Поскольку такие стенды есть не везде, можно пользоваться и более простыми методами, рекомендуемыми Правилами дорожного движения. При определении тормозных качеств автомобиля по величине тормозного пути следует установить скорости движения перед торможением и в начале его.

Рассмотрим их более подробно. Так как тормозной путь пропорционален квадрату скорости движёния перед торможением, ее необходимо точно выдержать.

Обычно скорость определяют по спидометру, который может иметь погрешность, зависящую от точности его изготовления и условий движения. Следовательно, если при испытании тормозной системы скорость автомобиля определяется по непроверенному и непротарированному спидометру, то тормозные качества автомобиля будут оценены неверно.

Вторая ошибка связана с визуальным определением момента начала торможения. В соответствии с ГОСТ 25478—82 тормозной путь всегда устанавливается при скорости 40 км/ч, т. е. 11,1 м/с. Если водитель начинает торможениё, поравнявшись с заранее обозначенной линией отметки, либо нажимает на педаль тормоза по сигналу лица, производящего испытание, то это действие он выполняет неточно — с опережением, а чаще с опозданием. даже если он очень быстро, в пределах 0,2 с, среагирует на сигнал начать торможение, то при скорости 11,1 м/с автомобиль пройдет 0,2х11,1=2,2 м. При этом тормозной путь увеличится.

Для получения надежных данных при испытаниях автомобилей должно быть осуществлено не менее двух заездов.

При торможении на колеса автомобиля действуют тормозные моменты Mт и тормозные силы Рт (продольные реакции дороги), направленные навстречу движению. Искусственно создаваемое сопротивление движению — это сумма тормозных сил на заторможенных колесах. Торможение может регулироваться водителем в широких пределах. Сопротивление, создаваемое торможением, может быть во много раз больше суммы всех сил сопротивлений. Это дает возможность водителю регулировать интенсивность торможения автомобиля добиваться быстрой его остановки.

Кинетическая энергия автомобиля при торможении его вращающихся колес поглощается главным образом работой сил трения тормозов и частичной работой сил естественных сопротивлений движению. Однако это справедливо только тогда, когда накладки тормозящихся вращающихся колес трутся о поверхность тормозных барабанов. Если же при торможении колеса будут заблокированы, перестанут вращаться, то картина изменится. Не вращающиеся колеса будут скользить дороге (возникнет так называемый юз), и работа трения происходит только между шиной и поверхностью дороги. Трение в тормозном механизме как поглотитель энергии при блокировке колес уже не действует.

Одним из важнейших критериев, определяющих интенсивность торможения, является качество сцепления колеса с опорной поверхностью дороги и количественная характеристика этого критерия, который входят многие расчетные уравнения, применяемые при анализе происшествия.

Крутящий момент, приложенный к ведущему колесу, вызывает появление продольных (касательных) реакций со стороны опор ной поверхности (дороги). По своей природе они представляют собой силы трения и силы зацепления. Сила тяги, необходимая для движения, должна уравновесить сумму всех сил сопротивления движению автомобиля. Предельное значение силы тяги, которое можно реализовать в соответствии со сцепными свойствами дороги, называют силой тяги по сцеплению Рφ.

Основными факторами, влияющими на величину силы тяги по сцеплению, являются: нормальная нагрузка на ведущие колеса — составляющая равнодействующей всех сил, приложенных к колесу со стороны автомобиля, перпендикулярная к опорной плоскости; качество поверхности дороги, определяемое в основном материалом дорожного покрытия и его состоянием; удельное давление на дорогу; тип и состояние шин; конструкция трансмиссии автомобиля.

При возрастании нагрузки на колесо пропорционально увеличиваются силы трения и зацепления. Поэтому можно считать, что сила тяги по сцеплению прямо пропорциональна так называемой сцепной нагрузке, т. е. суммарной нормальной нагрузке на ведущие колеса. Следовательно, силу тяги по сцеплению, как для отдельного колеса, так и для автомобиля в целом можно выразить как

, Н (3.1)

где Gφ - сцепная нагрузка;

φ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом сцепления. Коэффициент φ указывает, какую часть весовой нагрузки обеспечивает данное дорожное покрытие для создания сил тяги.

Более точно сила сцепления ведущих задних колес определяется по формуле (3.2), учитывающей влияние сопротивления качению и некоторые конструктивные особенности автомобиля:

, Н (3.2)

где L - база автомобиля, м;

a- расстояние по горизонтали от центра масс до передней оси автомобиля, м;

hg- высота расположения центра масс автомобиля, м;

φ - коэффициент сцепления;

f - коэффициент сопротивления качению.

Физическая картина явлений сцепления достаточно сложна и изменяется в зависимости от характера движения колеса. Так как шина эластична, то под влиянием нагрузки ее участки будут вдавливаться во впадины рельефа поверхности дороги, зацепляясь за них. Радиус катящегося колеса неодинаков: в площади контакта шины он меньше, чем в свободных от контакта местах. Поэтому при одинаковой угловой скорости колеса линейные скорости точек шины, расположенных на внешней окружности, будут неодинаковыми. В местах контакта шины с дорогой они меньше. Участки шины, подходящие к площади контакта, будут сжиматься, а в противоположной зоне растягиваться. В площади контакта шины с дорогой будет происходить сдвиг резины и ее проскальзывание по дорожному покрытию. Это местное проскальзывание участков шины, наблюдающееся только в площади контакта, увеличивается с ростом тормозного усилия в достигает наибольшей величины тогда, когда тормозящее колесо находится на границе перехода к заблокированному состоянию.

Таким образом, при качении колеса одновременно наблюдаются явления трения и зацепления. Так как трение происходит на относительно небольшом по протяженности участке контакта шины с дорогой, его можно рассматривать как трение покоя.

Виды трения в зоне контакта шины с дорогой зависят от состояния покрытия и угловой скорости колеса. На увлажненных покрытиях, в тех местах, где водяная пленка отделяет поверхность шины от дороги, при’ вращении колеса может наблюдаться смешанное или полужидкостное трение.

Рисунок 3.1 Силы сцепления, действующие в площади контакта шины с дорогой:

где Mk- крутящий момент, подводимый к колесу, создающий пару сил Pk;

Pr - продольная реакция дороги;

Rz - нормальная (вертикальная) реакция, создаваемая нагрузкой на колесо Gk;

Gz1φ1- сила сцепления в плоскости качения колес (продольная сцепная сила); Gzφ2- поперечная сила сцепления;

Gzφпр- равнодействующая сила Gz1φ1и Gzφ2;

a - угол отклонения равнодействующей силы от продольной оси колеса.

Когда заблокированное колесо скользит по дороге без вращения, шина работает уже по-иному. Теперь протектор скользит по направлению движения автомобиля. Скользящий по дороге автомобиль с заблокированными колесами уподобляется саням, снабженным резиновыми полозьями. Трение не вращающегося скользящего колеса может рассматриваться как трение скольжения. Коэффициент трения скольжения на данном покрытии по величине становится меньшим, чем коэффициент трения покоя. Это явление – одна из причин того, что на одном и том же дорожном покрытии тормозной путь автомобиля, двигающегося юзом, несколько увеличивается по сравнению с тем, который преодолевается при заторможенных, но вращающихся колесах.

Вращающаяся шина поглощает большую кинетическую энергию, расходующуюся на сложную деформацию резины, корда и циркуляцию воздуха в камере. У заблокированного колеса расход энергии иной: с началом блокировки корд сильно нагружается, несколько растягивается и в дальнейшем больше не деформируется; воздух в камере заблокированного колеса не циркулирует; вместо работы внутреннего трения в шине, в основном, совершается работа по истиранию резины.

В зависимости от условий работы колеса при торможении и вида усилий, действующих в площади контакта колеса с покрытием нот направления перемещения колеса относительно плоскости его качения, различают:

1) предельную величину коэффициента сцепления φпр, наблюдающуюся при сравнительно незначительных отклонениях силы тяги от большой оси отпечатка шины (т. е. при малом угле а) (рисунок 3.1):

, (3.3)

где Pφmax - максимальная сила на ведущем колесе, которую можно реализовать на грани буксования колеса, кгс;

Rz - нормальная реакция дороги, грузке на ведущее колесо, т.е. когда Rz= Gz кг;

2) коэффициент продольного сцепления φ1 при движении колеса с продольным скольжением и пробуксовыванием:

, (3.4)

где Pkmax - максимальная продольная сила на площади контакта заблокированного ведущего колеса с дорожным покрытием;

3) коэффициент поперечного сцепления φ2 при движении колеса под углом к плоскости его качения, т. е. тогда, когда колесо одновременно и вращается я скользит в боковом (поперечном) направлении:

, (3.5)

где Рку - часть боковой силы, действующей на рассматриваемое колесо.

Перечисленные виды коэффициентов сцепления связаны между собой зависимостью:

, (3.6)

При анализе дорожно-транспортных происшествий чаще всего приходится оперировать коэффициентом продольного сцепления φ1, поскольку в большинстве случаев водители доводят колеса автомобиля до блокировки. Но так как численные значения коэффициентов φпр и φ1 различаются незначительно, при расчетах используют коэффициент сцепления φ1.

При боковых скольжениях колес применяют коэффициент поперечного сцепления:

, (3.7)

Коэффициент сцепления — одна из основных величин, характеризующих эксплуатационные качества дорожных покрытий, а также взаимодействие колеса с дорогой. По его величине судят о безопасной скорости движения автомобиля.

Анализ многочисленных данных показывает, что величина коэффициента сцепления зависит от большого числа различных факторов, и в первую очередь от типа покрытия и его состояния, конструкции и материала шин, давления в них воздуха, нагрузок на колесо, скоростей движения, температурных условий, величин скольжения и буксования колес.

Коэффициент сцепления снижается с увеличением скорости, так как при этом продолжительность контакта участков шины с дорожным покрытием уменьшается, возрастает количество толчков от неровностей дороги и контакт колее автомобиля с поверхностью дороги ухудшается.

В таблице 3.1 представлены экспериментальные данные, характеризующие снижение коэффициента сцепления при увеличении скорости движения (данные Э. Г. Подлиха).

Таблица 3.1

Фактическая площадь контакта шины с дорогой в значительной степени зависит от шероховатости покрытия. При малой высоте неровностей на сухих покрытиях разница в величине коэффициента сцепления на покрытиях разных типов незначительна. Но с увеличением их высоты коэффициент сцепления повышается, что объясняется зацеплением выступов протекторов за неровности и более глубоким внедрением их в поверхность.

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента сцепления от высоты неровностей (шероховатости) покрытия при скорости 60 км/ч:

1 - мокрое покрытие; 2 - сухое покрытие.

Наиболее устойчивыми оказались покрытия из щебня с размером зерен не более 15 мм, на которых сопротивление скольжению сохранялось в течение 5-7 лет. Зависимость величины коэффициента сцепления от высоты неровностей покрытия при движении со скоростью 60 км/ч показана на рисунке 3.2.

Наиболее высокими сцепными качествами как в сухом, так в мокром состоянии обладают цементобетонные покрытия. Коэффициент сцепления у мало изношенных сухих цементобетонных покрытий φ=0,8-0,9, а у мокрых φ=0,4-0,6. Изменение сцепных качеств цементобетонных покрытий в процессе эксплуатации происходит сравнительно медленно — в течение 10— 12 лет.

Сцепные качества асфальтобетонных покрытий зависят от их вида, состояния и срока службы. Значения коэффициента сцепления этих покрытий в сухом состоянии колеблются от φ=0,5 до φ=0,8, а в мокром —от φ=0,3 до φ=0,6. При этом последний коэффициент (φ=0,6) наблюдается тогда, когда покрытие хорошо очищено от грязи, частиц резины и т. п., что бывает после сильного дождя. В начале дождя, пока грязь не смыта с покрытия, коэффициент сцепления наименьший. Асфальтобетонные покрытия служат 5—8 лет, после чего коэффициент сцепления их снижается до наименьшего допустимого значения.

В таблицах 3.2 и 3.3 приведены значения коэффициентов сцепления для различных дорожных покрытий (данные ВНИИСЭ).

Таблица 3.2

Коэффициенты сцепления для шин, имеющих рисунок протектора повышенной проходимости (рисунок не изношен)

Таблица 3.3

Задача 1. Определить тормозной путь автомобиля от момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки, замедления при торможении и время срабатывания тормозов. Дорожное покрытие выбрать по своему усмотрению.

Рассчитать свой вариант. Использовать приложения П 1-П 15, П21. Контрольные вопросы

1. Силы, действующие на автомобиль при торможении.

2. Показатели, определяющие тормозные качества автомобиля.

3. Каким документом определены предельно допустимые нормативы эффективности действия тормозной системы автомобилей?

4. Назвать основные факторы, влияющие на величину силы тяги по сцеплению.

5. От чего зависит величина коэффициента сцепления колеса с дорогой?

6. Технические требования к тормозным системам.

7. Что такое коэффициент сцепления и как он влияет на безопасность движения?