Закономерности взаимодействия автомобиля и дороги

Теория взаимодействия автомобиля с дорогой была разработана академиком Е. А. Чудаковым в 30-е гг. XX в. Согласно ей движение автомобиля по дороге происходит при условии полной реализации тяговых возможностей автомобиля. Вращающий момент на коленчатом валу двигателя через сцепление и коробку передач передается коленчатому валу и далее на ведущие колеса автомобиля и вызывает появление пары сил (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема действия сил и момента на ведущее колесо.

Одна из них — окружная сила , передаваясь на покрытие, направлена в сторону, обратную движению; вторая — сила тяги автомобиля , направлена в сторону движения и вызывает вращение колес автомобиля.

где - крутящий момент на ведущих колесах;  — радиус ведущего колеса с учетом деформации шины ( = 0,93 … 0,97)г.

При достаточном сцеплении колеса автомобиля с дорогой в плоскости контакта действует сила реакции дороги Т, равная силе тягии направленная в сторону движения. Только при выполнении условия возможно поступательное движение автомобиля без проскальзывания и пробуксовки колес.

Тяговое усилие затрачивается на преодоление сил сопротивления движению (рис. 3.3).

В общем случае при движении автомобиль преодолевает различные сопротивления: качения ; воздушной среды ; при движении на подъем ; инерции при переменной скорости движения Р.

Рис. 3.3. Силы сопротивления движению, действующие на автомобиль.

ha- расстояние от поверхности дороги до равнодействующей сопротивления воздушной среды; а — угол наклона поверхности дороги к горизонту Существуют различные причины сопротивления движению автомобиля. Сопротивление качению вызывается затратой мощности двигателя на деформацию покрытия и шины, на преодоление трения между шиной и поверхностью покрытия и потерями мощности, при ударах колес о неровности дороги.

где  — коэффициент сопротивления качению, зависящий от состояния поверхности покрытия, давления воздуха в шинах и скорости движения; G — вес автомобиля.

Коэффициент сопротивления качению уменьшается с увеличением жесткости покрытия и давления воздуха в шине (табл. 3.8).

Таблица 3.8

Коэффициенты качения в зависимости от типа покрытия

Неровности поверхности покрытия увеличивают сопротивление качению, поскольку при наезде колеса на выступы и при падении его во впадины покрытия происходят удары, вызывающие потерю кинетической энергии, пропорционально квадрату скорости.

Таким образом, коэффициент сопротивления является показателем, характеризующим качество покрытия. С увеличением скорости (более 50 км/ч) коэффициент сопротивления качению увеличивается и может быть вычислен по эмпирической формуле.

Сопротивление воздушной среды вызывается затратой энергии двигателя на перемещение частиц воздуха. При движении автомобиль встречает противодействие встречного воздуха на переднюю часть (лобовое сопротивление), энергия затрачивается на трение воздуха о боковые поверхности, сопротивление создается выступающими частями автомобиля (рис. 3.4).

Наличие попутного ветра уменьшает, а встречного — увеличивает сопротивление воздуха. Сила сопротивления воздушной среды определяется по формуле.

где V — скорость, км/ч; 13 — коэффициент для перехода размерности (3,62 = 13); F — лобовая проекция кузова на плоскость, перпендикулярную направлению движения, F = 0,8ВН (В и Я — габаритные размеры автомобиля); k — коэффициент сопротивления воздушной среды, учитывающий упругость воздуха и обтекаемость кузова (табл. 3.9).

Рис. 3.4. Распределение давления воздуха на автомобиль:

" +" - зона повышенного давления; «-» — зона разрежения.

Таблица 3.9

Коэффициент сопротивления воздушной среды

Сопротивление движению на подъеме Рi возникает при движении автомобиля вверх по наклонной плоскости, поскольку необходимо выполнить дополнительную работу по подъему автомобиля на высоту Н.

При движении на уклонах силу тяжести веса автомобиля раскладывают на две силы; перпендикулярную направлению движения (давление автомобиля на покрытие) и параллельную поверхности дороги, направленную в сторону, противоположную подъему (рис. 3.5).

При движении автомобиля вверх по уклону сопротивление движения равно.

поскольку при малых углах .

При движении вниз по уклону сила будет способствовать движению.

Рис. 3.5. Схема сил сопротивления движению автомобиля на подъеме:

L — длина дороги; G — вес автомобиля; а — угол наклона поверхности дороги к горизонту Инерционное сопротивление возникает при трогании автомобиля с места и при ускоренном или замедленном движении (разгоне или торможении) за счет действия инерционных сил, препятствующих изменению первоначального состояния автомобиля (первый закон Ньютона). Сопротивление инерционных сил складывается из силы инерции поступательного движения автомобиля и инерции его вращающихся частей.

где  — масса автомобиля;  — относительное ускорение;  — коэффициент, учитывающий влияние инерции вращающихся масс автомобиля, равный 1,03−1,07 для прямой передачи и 1,6−2,0 — для низких передач.

При замедлении движения ускорение изменяет знак, т. е. инерционные силы будут способствовать движению.

В общем случае движение возможно, если тяговое усилие больше всех сил сопротивления движению.

Уравнение движения, характеризующее равенство внешних и внутренних сил, имеет вид.

Это уравнение иначе называют уравнением тягового баланса автомобиля. В левой его части активная сила — тяговое усилие, в правой части пассивные силы — сопротивление движению. Первое и второе слагаемые всегда входят в уравнение со знаком «+», третье и четвертое могут иметь разные знаки или отсутствовать в зависимости от режима движения автомобиля и направления движения по продольному уклону дороги (вверх или вниз).

Перенесем силу сопротивления движению в левую часть уравнения и разделим правую и левую части на вес автомобиля:

Выражение в левой части характеризует тяговые, или динамические, качества автомобиля. Это выражение академик Е. А. Чудаков назвал динамическим фактором.

Динамический фактор — это резерв тягового усилия, приходящийся на единицу веса автомобиля, который может быть использован на преодоление дорожных сопротивлений () и разгон автомобиля. При равномерном движении ускорение .

Тогда динамический фактор где - дорожные сопротивления.

Динамический фактор для одного и того же автомобиля — величина переменная, зависящая от скорости.

Сцепление колес автомобиля с поверхностью дороги Движение автомобиля по дороге будет происходить без проскальзывания и буксования, если сила тяги будет равна или меньше силы трения (сцепления) между ведущими колесами и поверхностью дороги Т. Максимальная сила сцепления (или реакции дороги) Т пропорциональна нагрузке на ведущие колеса автомобиля:

где - коэффициент сцепления колеса с дорогой; - вес автомобиля, приходящийся на ведущие колеса автомобиля.

Условие движения автомобиля без проскальзывания и буксования имеет вид (см. рис. 3.2).

Минимальные значения коэффициентов сцепления на дорогах I-III категорий при увлажненной поверхности покрытия и скорости движения 60 км/ч не должны быть менее:

• — для легких условий движения (R > 1000 м, i < 30‰) — 0,45;
• — затрудненных условий (250 < R < 1000 м, 30‰ < i < 60‰) — 0,5;
• — опасных условий движения (участки с видимостью меньшей, чем расчетная, с уклонами более допустимых, в зоне пересечения в одном уровне) — 0,6.

Поэтому наряду с динамическими характеристиками по мощности используются динамические характеристики по условию сцепления.

Если принять, что (что справедливо, если на все колеса автомобиля передается вращающийся момент), то максимальная сила тяги должна быть меньше силы сцепления:

Тогда динамический фактор по условиям сцепления.

Динамический фактор по условиям сцепления ограничивает возможности использования тягового усилия автомобиля; так, даже при наличии достаточной мощности и развиваемого тягового усилия, необходимого для преодоления определенного уклона, автомобиль не сможет его преодолеть из-за недостаточной величины сцепления колес автомобиля с дорогой (зависящей от коэффициента сцепления на дороге) и недостаточной величины реакции дороги Т.

Итак, для возможности безопасного движения необходимо и достаточно, чтобы выполнялись два следующих условия:

1) сила тяги должна быть больше или равна сумме всех сил сопротивления движению:

2) сила тяги должна быть меньше или равна максимально возможной силе сцепления: