Дорожные условия
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Пензенский государственный
университет
Факультет заочного образования
Кафедра "Транспортные
машины"
КОНРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине
"Теория автомобиля и
трактора"
Пенза 2011 год
Содержание
Вопросы к контрольной работе
Дорожные условия: коэффициент сопротивления качению, суммарное
сопротивление дороги, коэффициент сцепления
Силы, действующие на автомобиль. Баланс сил автомобиля
Способы торможения автомобиля
Список используемой литературы
Дорожные условия: коэффициент сопротивления качению, суммарное
сопротивление дороги, коэффициент сцепления
Основным критерием автомобильной дороги предлагается считать
суммарные затраты энергии на преодоление сопротивления движению конкретного
автотранспортного средства (АТС). Для определения этих затрат прежде всего
необходимо определить скорость движения этого АТС.
Скорость движения автомобиля на конкретном участке
автомобильной дороги зависит от параметров дороги (уклон, радиус плановой
кривой, коэффициента сцепления, расстояния видимости поверхности дороги),
тягово-скоростных характеристик автотранспортного средства (АТС), условий
движения (метеорологические условия, интенсивность движения) и стиля управления
водителя АТС.
Скорость движения автомобиля можно определить путем
интегрирования уравнения его движения. Обычно такие расчеты производят по
внешней характеристике двигателя, что не соответствует реальным режимам
движения и экономически нецелесообразно по условиям расхода топлива. Кроме того,
интегрирование уравнения движения требует привлечения очень большой объем
информации по конкретному автомобилю. Для оценочных расчетов нужна более
простая модель для оценки материальных и временных затрат на движение
транспортного потока в конкретных дорожных условиях.
Решить такую задачу можно по предлагаемому ниже алгоритму.
Определим скорость движения автомобиля из условия равенства мощности
затрачиваемой на преодоление суммарного сопротивления движению автомобиля
мощности двигателя конкретного автомобиля, соответствующей минимальному расходу
топлива (в первом приближении 
). С целью повышения точности расчета такой
скорости уменьшим длину участка для определения равновесной скорости. Для
любого участка дороги можно записать
Силы сопротивления движению автомобиля включают в себя:
Сила аэродинамического сопротивления, равная 
, где 
- фактор обтекаемости.
Сила сопротивления качению, равная 
.
Часть силы тяжести, действующая на наклонных участках дороги,
равная 
.
Сила инерции, возникающая при изменении скорости движения 
.
Рассмотрим более подробно эти силы.
Сила сопротивления качению включает в общем случае две
составляющие: при движении по прямой и при движении по плановой кривой. Эти
силы зависит от многих факторов. При сравнительных расчетах достаточно учесть
влияние только влияние скорости движения.
- коэффициент сопротивления качению;
- коэффициент сопротивления качению при скорости
50 км/час;
- коэффициент повышения сопротивления качению.
Дополнительное сопротивление качению в плановых кривых можно
определить по формуле
Подставляя составляющие в уравнение (1) получаем
(2)
где 
-масса автомобиля, кг; 
- радиус плановой
кривой, м.
Полученное неполное кубическое уравнение решается в
квадратурах.
Для повышения точности расчета необходимо определять скорость
движения автомобиля на относительно коротких по длине участках. Для этого
реальный профиль дороги необходимо аппроксимировать сплайнами.
На полученные по уравнению (2) скорости необходимо наложить
ограничения исходящие из правил дорожного движения и безопасности движения (по
расстоянию видимости, по условиям движения в плановых кривых, по условиям
обеспечения сцепления).
Рассмотренный алгоритм расчета реализован в виде программы на
ЭВМ. Пример расчета по этой программе показан на рис.1
автомобиль дорога дорожное условие
Рисунок 1 - Пример оценки параметров дороги по величине
работы сил сопротивления движению
Предлагаемый критерий дает проектировщику объективный
количественный критерий для выбора варианта плана и профиля автомобильной
дороги. Для иллюстрации этого положения сравним показатели рассмотренного в
примере варианта трассы гипотетическим вариантом, трасса которого соединяет
начальную и конечную точки прямой с одинаковым по всей длине уклоном. Работа
сил сопротивления составила бы: прямое направление - 17169 Кдж; обратного
направления - 37868 Кдж; сумма по обоим направлениям - 55037 Кдж. Таким
образом, уменьшение затрат энергии на один автопоезд составит 3257 Кдж. Для
суточного потока АТС получится весьма убедительная цифра.
При известных значениях скорости движения и степени
использования мощности становиться возможным определить расходы на топливо; на
износ шин. Знание этих величин позволяет определить все составляющие
эксплуатационных затрат на перевозки и тем самым полностью подготовить базу
данных решения оптимизационной задачи выбора варианта трассы автомобильной
дороги по критерию максимального государственного эффекта.
Факторы влияющие на величину момента сопротивления качению
при движении автомобиля по твердым дорогам сопротивление качению обусловлено
гистерезисными потерями энергии в шине при ее радиальной, тангенциальной и
боковой деформациях, скольжением в зоне контакта с опорной поверхностью и
сопротивлением воздуха. При этом гистерезисные потери составляют 90.95 % общих
потерь энергии.
Сопротивление качению зависит от многих конструктивных и
эксплуатационных факторов: конструкции шины, давления в ней воздуха,
температуры, нагрузки, скорости движения автомобиля, состояния дорожной
поверхности.
В наибольшей степени сопротивление качению зависит от таких
конструктивных параметров шин, как число слоев и расположение нитей корда, толщина
и состояние протектора. Уменьшение числа слоев корда, толщины протектора,
применение синтетических материалов с малыми гистерезисными потерями
способствуют снижению сопротивления качению. С увеличением размера шины
(диаметра) при прочих равных условиях сопротивление качению также снижается.
Велико влияние эксплуатационных факторов на величину момента
сопротивления качению. Так, с повышением давления воздуха в шине и ее
температуры сопротивление качению уменьшается. Наименьшее сопротивление качению
имеет место при нагрузке, близкой к номинальной. С увеличением степени
изношенности шины оно уменьшается.
На дорогах с твердым покрытием сопротивление качению во
многом зависит от размеров и характера неровностей дороги, обусловливающих
повышенное деформирование шин и подвески и, следовательно, дополнительные
затраты энергии. При движении по мягким или грязным опорным поверхностям
затрачивается дополнительная работа на деформирование грунта или выдавливание
грязи и влаги, находящихся в зоне контакта колеса с дорогой.
Исследования показывают, что при движении автомобиля со
скоростью до 50 км/ч сопротивление качению можно считать постоянным.
Интенсивное увеличение сопротивления качению наблюдается при скорости свыше 100
км/ч. Объясняется это увеличением затрат энергии при ударах и колебательных
процессах, происходящих в шине при высоких скоростях движения.
Силы,
действующие на автомобиль. Баланс сил автомобиля
Независимо от того, стоит ли автомобиль на месте или
движется, на него всегда действуют определенные силы. Если он неподвижен и
установлен на горизонтальной площадке, на него действует сила тяжести (вес
автомобиля) и силы противодействия дороги давлению колес (реакции дороги),
направленные в противоположную сторону действия силы тяжести. При этом сила тяжести
направлена вертикально вниз. Эта сила и называется силой тяги, которая от колес
передается через рессоры (толкающие штанги) на кузов и заставляет автомобиль
двигаться. Сила тяги на ведущих колесах затрачивается на преодоление внешних
сил, возникающих при движении. Величина силы тяги не должна превышать силу
сцепления шин с дорогой, так как в противном случае колеса будут
пробуксовывать.
Сила сцепления равна произведению коэффициента сцепления на
вес, приходящийся на ведущие колеса и будет тем больше, чем больше коэффициент
сцепления и вес, приходящийся на колесо. Коэффициент сцепления зависит от типа
и состояния покрытия дороги от конструкции и состояния шин (рисунка протектора,
давления воздуха), от нагрузки и скорости движения автомобиля. На сухой дороге
с твердым покрытием этот коэффициент в среднем составляет 0,6-0,7. Однако его
величина резко снижается на мокрой и скользкой поверхности дорожного покрытия.
На легковых автомобилях вес, приходящийся на заднюю ось, составляет примерно
50% полного веса автомобиля.
Сила сопротивления качению равна произведению веса автомобиля
на коэффициент сопротивления качению шин, который при движении по дороге с
твердым покрытием в среднем равен 0,015-0,025. Эта сила затрачивается на
деформирование (смятие) шины и дороги, на трение шины о дорогу и на трение в
подшипниках ходовой части. Коэффициент сопротивления качению возрастает с
увеличением скорости движения, крутящего и тормозного момента, а также при
снижении давления воздуха в шинах.
Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой
площадки автомобиля, формы кузова и слагается из давления встречного воздуха,
трения частиц воздуха о поверхность кузова и величины разрежения сзади
автомобиля. Эта сила возрастает пропорционально квадрату скорости движения
автомобиля. Например, если скорость увеличится в два раза сопротивление воздуха
увеличится в четыре раза и т.д.
Сила сопротивления подъему тем больше, чем больше вес
автомобиля и угол подъема дороги.
Центробежная сила возникает при движении автомобиля на
повороте. Ее величина зависит от радиуса закругления, веса автомобиля и
квадрата скорости движения. Она вызывает боковой крен и перемещение пассажиров
во внешнюю сторону. Если центробежная сила превысит суммарную силу сцепления
колес с дорогой - автомобиль получает боковое скольжение (занос) и даже
опрокидывание.
Сила инерции возникает при ускорении (разгон) или замедлении
(торможение) движения автомобиля и противодействует соответственно ускорению
или замедлению. В первом случае возникает смещение пассажиров назад, а во
втором - вперед.
Сила тяги на ведущих колесах в каждый данный момент равна
сумме внешних сил, рассмотренных выше, кроме центробежной силы, что составляет
так называемый тяговый баланс автомобиля.
Сила тяги за вычетом силы сопротивления воздуха называется
силовым запасом, который тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и
передаточные числа в коробке передач и главной передаче. При включении низшей
передачи силовой запас увеличивается, что способствует ускорению разгона
автомобиля. Силовой запас может быть использован на преодоление сопротивления
качению, на преодоление подъемов и разгон.
Баланс силового транспортного средства - равенство движущей
силы сумме сил сопротивления движению транспортного средства.
Способы
торможения автомобиля
Уравнение движения при торможении.
В зависимости от того какую работу совершают внешние силы за
цикл движения машины различают три режима движения: разгон, торможение и
установившееся движение. Циклом называют период времени или период изменения
обобщенной координаты через который все параметры системы принимают
первоначальные значения.
Разгон => Адц > Асц, Аå ц > 0;
Установившееся движение => Адц = Асц, Аå ц = 0;
Торможение (выбег) => Адц< Асц, Аå ц < 0.
В целях снижения скорости для намеренной остановки или
предупреждения дорожно-транспортного происшествия производят торможение
автомобиля. Различают служебное и экстренное (аварийное) торможение.
Служебным торможением называется такое, к которому водитель
заблаговременно подготовлен для остановки автомобиля в заранее намеченном месте
или снижения скорости движения. Такое торможение характерно тем, что оно
производится плавно без использования максимальной эффективности тормозов и,
как правило, с выключенной передачей. На скользкой дороге во избежание бокового
заноса служебное торможение рекомендуется осуществлять при помощи двигателя, а
окончательную остановку - плавным нажатием на педаль тормоза.
Экстренное (аварийное) торможение производится с целью
остановки автомобиля на минимальном расстоянии. Оно, как правило,
осуществляется внезапно, в случаях возникновения опасности наезда, когда
требуется быстро остановить автомобиль или снизить его скорость. Наиболее
правильным в этом случае будет торможение автомобиля до начала блокировки
колес, т.е. до состояния, когда колеса перестают катиться и начинают скользить
по дороге "юзом". Полной блокировки колес допускать не следует, так
как при этом: во-первых, увеличивается тормозной путь, особенно на скользкой
дороге, а во-вторых, резко повышается возможность бокового заноса автомобиля,
поэтому при появлении "юза" интенсивность торможения надо уменьшить,
ослабив нажатие на педаль. На скользкой дороге, где "юз" появляется
при меньшей тормозной силе, следует использовать прием периодического
торможения. Он заключается в том, что водитель, воздействуя на педаль тормоза
быстрыми и короткими нажатиями, не допускает блокировки колес. Экстренное
торможение надо производить при включенной передаче. Это позволит лучше
использовать тормозное усилие двигателя и повысить устойчивость автомобиля на
дороге. А когда тормозное усилие двигателя практически прекращается и
появляются рывки в трансмиссии, сцепление следует выключить. Торможение
двигателем, как правило, должно применяться вместе с периодическим торможением
колес. Экстренное торможение заканчивается обычно остановкой автомобиля.
Расстояние, которое пройдет автомобиль с момента обнаружения водителем
опасности до полной остановки, называется остановочным путем.
Остановочный путь можно разделить на три периода: путь,
пройденный автомобилем за время реакции водителя; путь, пройденный за время
срабатывания тормозов; путь, пройденный с начала торможения до остановки
(тормозной путь).
Время срабатывания тормозов. На срабатывание тормозов
с гидравлическим приводом (достижение максимального давления жидкости в
приводе), после чего наступает интенсивное торможение колес, необходимо время в
пределах 0,1-0,2 с. За это время автомобиль пройдет определенный путь.
Во всех случаях, кроме аварийных, торможение должно
выполняться плавно. Чем выше скорость движения автомобиля, тем торможение
должно быть более плавным.
Необходимо избегать торможения на поворотах, особенно
автомобилей с высоко расположенным грузом, при неодинаковом сцеплении колес
правой и левой сторон с дорогой, при движении с боковым креном.
Применяя экстренное торможение, водитель должен наблюдать за
траекторией движения автомобиля. При начавшемся заносе следует отпустить
тормозную педаль.
На дорогах со скользким покрытием нужно применять прерывистое
торможение, периодически нажимая на тормозную педаль и быстро ее отпуская. Сила
нажатия на тормозную педаль увеличивается по мере снижения скорости, но это не
должно приводить к блокировке колес. Торможение необходимо осуществлять на
включенной передаче и выключать сцепление следует непосредственно перед
остановкой автомобиля.
Снижение эффективности тормозной системы при постоянном
распределении тормозных моментов. Исходя из того, что уровень нагрузки
автомобиля и дорожные условия изменяются в широких пределах, при рт = const во многих случаях
значительно снижается эффективность тормозной системы. Это обусловлено тем, что
распределение тормозных моментов между мостами не соответствует нормальным
реакциям, изменяющимся во время торможения - регулирование тормозных моментов.
Для повышения эффективности функционирования рабочей тормозной
системы применяют устройства автоматического регулирования тормозных моментов.
Существует два типа устройств: регуляторы тормозных моментов и
антиблокировочные системы. Регулятор тормозных моментов (РТМ) представляет
собой автоматический регулятор без обратной связи, устанавливаемый в контуре
привода тормозных механизмов задних колес. Он позволяет изменять рт в
зависимости от нагрузки автомобиля и интенсивности торможения таким образом,
чтобы первыми блокировались передние колеса. Тормозные моменты пропорциональны
у грузовых автомобилей кривизна оптимальных характеристик р2 =f (Px) значительно меньшая, чем
у легковых. Поэтому на них наиболее часто используют РТМ лучевого типа.
Характеристика лучевого РТМ описывается линейной зависимостью р2 = арх,
где а - коэффициент передачи регулятора. Лучевой РТМ также реагирует на
величину нагрузки автомобиля. С уменьшением нагрузки а снижается. В связи с
отсутствием в РТМ обратной связи результат регулирования не контролируется,
поэтому при чрезмерном усилии на педали тормоза не исключена блокировка колес.
Антиблокировочная система (АБС) управления тормозными
моментами представляет собой систему автоматического регулирования с обратной
связью. Она получает информацию о характере движения колес, на основании
которой определяется начало процесса блокирования и включается система
импульсного регулирования давления, которая уменьшает тормозной момент и
обеспечивает исключение блокировки колес. АБС поддерживает среднее значение
тормозного момента на уровне максимально возможного по сцеплению колес с
дорогой. Система датчиков обеспечивает измерение сок и продольной составляющей
ускорения автомобиля ах, направленной вдоль оси. Значение ек получают путем
численного дифференцирования результатов измерений ск, а значение va - численным
интегрированием результатов измерений ах. Вычисления выполняет микропроцессор
ЭБУ. Возможно применение алгоритма, в котором используется информация о
реализуемых колесами моментах сцепления с дорогой М9 и их производных по
времени. Кроме сил и моментов, показанных, на колесо может действовать
поперечная сила которая при недостаточном сцеплении приводит к боковому
скольжению (заносу) колеса. При Хт > Хт способность шины
противостоять возникновению бокового скольжения значительно снижается. Регулирование
тормозного момента в АБС обеспечивается модулятором давления, представляющим
собой электромагнитный клапан, который поддерживает необходимый уровень
давления в рабочих тормозных цилиндрах при экстренном торможении независимо от
давления, задаваемого главным тормозным цилиндром. Интервал соответствует
начальному этапу торможения. Нарастающее давление р приводит к увеличению
тормозного момента, вследствие чего происходит падение скорости автомобиля va и скорости колеса VK0. Замедление колеса
постепенно возрастает и в конце интервала достигает нижнего порогового значения
sKH. Модулятор АБС прерывает
рост давления и в течение небольшого интервала 2 поддерживает его на постоянном
уровне. Замедление колеса продолжает нарастать, что нежелательно. Однако при высоких
значениях коэффициента сцепления это необходимо для исключения помех,
обусловленных переходным процессом и влиянием колебаний подрессоренных и
неподрессоренных масс автомобиля. После снижения скорости колеса ниже порога
допустимого скольжения, определяемого по значению скорости vKn, модулятор в течение
интервала 3 сбрасывает давление до некоторого уровня и поддерживает его
постоянным в течение интервала 4. В третьем временном интервале и в начале
четвертого замедление колеса уменьшается, однако скорость VK0 продолжает падать, и
скольжение колеса увеличивается.
В заключительной фазе интервала 4 колесо начинает
разгоняться, и скорость его возрастает. В конце интервала 4 угловое ускорение
колеса достигает верхнего порога екв, поэтому модулятор начинает подъем
давления. Это приводит к прекращению роста ускорения в интервале 5 и к
последующему его уменьшению. Поэтому на некоторое время (интервал 6)
задерживается нарастание давления, и после достижения промежуточного порогового
значения ускорения екп модулятор начинает медленно увеличивать давление
(интервал 7). В результате начинается замедленное вращение колеса, скольжение
увеличивается и скорость колеса VK0 приближается к эталонной скорости УКЭ. После
достижения нижнего порогового значения ускорения екн опять начинается сброс
давления (интервал 8), и формируется следующий цикл управления. Каждый
последующий цикл регулирования давления включает три фазы: фазу нарастания
давления, фазу спада давления и фазу выдержки постоянного давления. Частота
пульсации давления около 10 Гц. В результате автоматического управления
изменением давления в рабочем тормозном цилиндре скорость колеса VK0 колеблется вокруг
эталонной скорости vK э и поддерживается оптимальный уровень скольжения колеса, при
котором достигается наилучшее его сцепление с опорной поверхностью. Но самое
главное преимущество АБС состоит в том, что она предотвращает блокировку колес
автомобиля и вследствие этого обеспечивает надежную управляемость и
устойчивость автомобиля при торможении. В случае большого момента инерции
колеса, малого коэффициента сцепления и медленного нарастания давления в
рабочем тормозном цилиндре (осторожное начальное торможении, например, на льду)
замедление колеса будет небольшим, и АБС может на него не среагировать. В
результате колесо заблокируется. В этом случае АБС должна обеспечить процесс
регулирования по величине скольжения колеса. При торможении в условиях, когда
сцепление левых и правых колес значительно различается (сухой асфальтобетон и
обледенелая обочина), разность продольных реакций создает вращающий момент,
который стремится развернуть автомобиль вокруг его вертикальной оси, проходящей
через центр масс.
Список
используемой литературы
1. Архангельский
А. Н.; статья "Комплексный критерий оценки транспортно-эксплуатационных
параметров автомобильной дороги" (БГИТА, Брянск, РФ)
2. Ребенок
А.А., статья "Момент сопротивления качению", интернет-ресурс "Форум "Нива 4х4"", 2011
. Интернет
- ресурс www/autung.ru, раздел Безопасное движение автомобиля, secret-membership.com, 2011
. Ю.А.
Долматовский; "Автомобиль в движении" М.: Транспорт, 1987 г
. В.С.
Цыбин, В.А. Галашин "Легковые автомобили", изд. "Просвещение" 1981 г.
6. Коноплянко
В.И., Безопасность дорожного движения.