Основные показатели взаимодействия автомобиля с дорогой

Взаимодействие автомобиля и дороги представляет собой сложный процесс, результатом которого является движение автомобиля.

Вопросы взаимодействия автомобилей с дорогой в широком плане рассмотрены в дисциплине «Изыскания и проектирование автомобильных дорог».

В учебнике по дисциплине «Эксплуатация автомобильных дорог» рассматриваются только вопросы взаимодействия автомобилей с поверхностью дороги, воздействия автомобилей на её состояние и обратное воздействие транспортно-эксплуатационных характеристик дороги и её состояния на режим работы автомобилей.

Таблица 3.1. Динамические показатели режима работы автомобиля.

Примечание. у - уменьшается; п - постоянное; в - возрастает; 0 - равно нулю.

Указанное взаимодействие можно характеризовать следующими основными показателями: размером нагрузки; средним давлением по площади отпечатка колеса; частотой приложения нагрузки; прогибом дорожной одежды; сопротивлением качению; сцеплением колеса с покрытием, ровностью покрытия и его состоянием.

В движении автомобиль многократно повторяет определенный набор состояния: стоянка или остановка, разгон, режим тяги или выбега (свободного качения), режим торможения и т.д.

Каждое из этих состояний характерно свойственным ему сочетанием таких показателей, как скорость движения, ускорение (положительное или отрицательное), крутящий момент на валу двигателя, угловая скорость вращения колес и др. (табл. 3.1).

В реализации любого режима движения и состояния автомобиля участвует автомобильная дорога, от транспортно-эксплуатационного состояния и характеристик которой зависит эффективность реализации режимов и состояний автомобиля.

Схема сил, передаваемых на дорогу от колеса автомобиля и сопротивления качению.На дорогу от колес автомобиля передаются статические нагрузки при остановке автомобилей и кратковременные или динамические при движении. При статическом загружении (остановка автомобиля) колесо передает на покрытие нагрузку Q (рис. 3.1,а). Нормальная реакция дороги R = Q приложена в центре следа колеса.

В этом случае взаимодействие автомобиля с дорогой можно характеризовать колесной нагрузкой Q, площадью отпечатка пневматического колеса S, средним контактным давлением p = Q/S.

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса и по выступам протектора. Для упрощения в расчетах принимают не эллиптическую площадь отпечатка, а круглую, с приведенным по площади отпечатка диаметром .

Эти две основные характеристики p и D или их произведение pD определяют взаимодействие автомобилей с дорогой.

Под действием вертикальной нагрузки шина колеса деформируется, при этом величина сжатия U пропорциональна колесной нагрузке:

где - коэффициент, учитывающий упругость пневматика шины колеса.

Чем выше U, тем больше площадь отпечатка и меньше удельное давление.

Рис. 3.1. Схема сил, передаваемых на покрытие от колес:

а – неподвижного; б – ведущего; в – ведомого; р – удельное давление на покрытие от колеса автомобиля; р_max – максимальное удельное давление на покрытие от колеса автомобиля; и – сжатие автомобильной шины; l – прогиб дорожной одежды под колесом автомобиля; е – смещение точки приложения реакции R; D – условный диаметр круга отпечатка, заменяющего эллипс в зоне контакта шины с покрытием; Р_к – сила тяги на ободе колеса автомобиля; Т – сила трения;

Р – сила сопротивления качению.

При движении ведущего колеса на него кроме нагрузки Q и нормальной реакции R, действует крутящий момент М_к, вызывающий в плоскости следа окружную силу (силу тяги) Р_к, направленную в сторону, обратную движению:

где r_к - радиус качения шины колеса.

Сила Р_к вызывает горизонтальную реакцию Т = Р_к, вследствие чего происходит движение (рис. 3.1,б). Это реактивная сила, или сила трения.

Сопротивление качению. На горизонтальном участке основная часть силы тяги расходуется на преодоление сил сопротивления качению Р, которые оцениваются затратой энергии на деформирование l дорожной конструкции и сжатие шины колеса U.

Показателем сопротивления качению считается коэффициент сопротивления качению . Эту величину можно определить следующим образом (рис. 3.1,в).

Ввиду того, что шина автомобиля обладает эластичностью, точка приложения нормальной реакции R смещена вперед по ходу движения. Это смещение характеризует сопротивление качению.

Коэффициент сопротивления качению может быть вычислен по формуле:

,

где l - смещение точки приложения нормальной реакции.

Величина f зависит от колесной нагрузки Q, давления воздуха в шинах р_в, размеров колес и эластичности шины, скорости движения, прочности одежды, ровности покрытий и является важной характеристикой взаимодействия автомобиля с дорогой.

При низких скоростях движения величина f почти не меняется и для скоростей до 20 км/ч ее можно принять постоянной.

Дальнейшее увеличение скорости вызывает повышение коэффициента f, так как шина в зоне контакта с покрытием не успевает полностью распрямиться и колесу возвращается меньшая доля энергии, затраченной на деформирование шины.

Кроме того, при увеличении скорости деформации возрастает внутреннее трение в шине. Значения коэффициента сопротивление качению для любой скорости может быть определено по формуле:

,

где f₂₀ - коэффициент сопротивления качению при скорости 20 км/ч;

K_f - коэффициент повышения сопротивления качению, зависящий от скорости движения автомобиля. Для легковых автомобилей K_f = 0,00025, для грузовых K_f = 0,0002; v – скорость, для которой определяют коэффициент сопротивления качению, км/час.

Тип покрытия, его прочность, ровность и шероховатость, наличие разрушений, трещин, влаги, пыли и грязи, снега и гололеда существенно влияют на коэффициент сопротивления качению колеса автомобиля и коэффициент сцепления его с покрытием. На малопрочной одежде сопротивление качению возрастает за счет деформирования поверхности качения.

Поверхность покрытия всегда имеет неровности, которые оказывают большое влияние на условия движения автомобилей и водителей и, как следствие, на скорость движения.

Одна из причин снижения скорости - рост сопротивления качению, которое может возрастать на неровных покрытиях в 2-3 раза. Увеличение шероховатости покрытия приводит к росту коэффициента сопротивления качению в среднем на 4 % на 1 мм высоты неровностей шероховатости на асфальтобетонных покрытиях и на 13 % - на цементобетонных.

По данным А.К. Бируля коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля по неровной поверхности

,

где S_c - показатель ровности по толчкомеру, см/км; v - средняя скорость автомобиля, км/ч.

Наличие воды на покрытии приводит к увеличению сопротивления качению примерно на 5 % на каждый миллиметр ее толщины:

где f₀ - коэффициент сопротивления качению сухого покрытия; h_в - толщина слоя воды и грязи на покрытии, мм.

Несмотря на большое влияние сопротивления качению на режим движения автомобиля, расход топлива, себестоимость перевозок и даже на назначение продольного уклона дороги, в руководящих документах до сих пор не разработаны требования к допустимому размеру коэффициента сопротивления качению для покрытий.

Коэффициент трения и коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием

Реализация силы Т тяги ведущим колесом зависит от значения трения между шиной колеса и поверхностью дороги:

или ,

где - коэффициент трения протектора шины по дорожной поверхности; Q_к = нагрузка на колесо автомобиля.

Сила трения при торможении колеса может быть определена через площадь контакта шины с покрытием:

,

где Т – сила трения колеса с покрытием; S – площадь контакта колеса с покрытием; - коэффициент трения протектора шины с покрытием; К_ж – коэффициент жесткости шины; р_в – давление воздуха в шине.

В дорожной практике вместо понятия силы сцепления применяют понятие коэффициента сцепления:

.

Коэффициентом сцепления называют отношение величины реактивной силы, действующей на колесо автомобиля в плоскости его контакта с покрытием, к величине вертикальной нагрузки, передаваемой колесом на покрытие.

По физической сущности коэффициент сцепления представляет собой коэффициент трения пары: резина протектора автомобильной шины - покрытие проезжей части дороги.

Рис. 3.2. Зависимость адгезионной (Т_а) и деформационной (Т_d) долей силы трения (Т) от шероховатости покрытия:

а – на сухом покрытии; б – на мокром покрытии; z – высота выступов шероховатости.

Отличие этих довольно близких понятий состоит в соотношении адгезионной (Т_а) и гистерезисной (Т_d) или деформационной доли силы трения - сцепления (рис. 3.2).

Адгезионные силы - это силы слипания (склеивания) поверхностей двух разнородных твердых тел, в данном случае поверхности шины колеса и дорожного покрытия.

Адгезионная составляющая является результатом молекулярного взаимодействия контактирующих материалов. Ее величина зависит от материала дорожного покрытия (например, асфальтобетон или цементобетон) и продолжительности контакта (т.е. скорости движения взаимодействующей пары относительно друг друга).

Деформационная составляющая формируется в результате затрат энергии на взаимную деформацию контактирующих тел выступами неровностей, находящимися на их поверхности. На сухих дорожных покрытиях сила трения в контакте шины формируется, в основном, за счёт молекулярной составляющей. На покрытиях, имеющих на своей поверхности пленку воды, автомобильного масла или топлива, пыли, сила трения, в основном, формируется её деформационной составляющей.

Молекулярная составляющая появляется только после разрыва пленки смазки неровностями на поверхности контактирующих тел и вступления их в непосредственное соприкосновение.

При скольжении одного гладкого твердого тела по другому основную роль имеют адгезионные силы, т.е. собственно трение. При движении эластичной шины по дорожному покрытию характер взаимодействия меняется.

Дорожная поверхность всегда имеет шероховатости и поэтому доля гистерезисной (деформационной) составляющей значительно больше, чем адгезионной. Такое взаимодействие характеризуется силой сцепления.

Коэффициент сцепления зависит от многих факторов:

• свойств покрытия - микро- и макрошероховатости, качества каменных и вяжущих материалов, качества работ по устройству покрытия, ровности покрытия, однородности свойств покрытия, температуры материала;

• свойства автомобиля - системы тормозов, размеров колес, вида и степени изношенности протектора, давления воздуха в шинах;

• условий взаимодействия - скорости движения, режима движения (разгон, торможение), температуры воздуха, силы ветра, наличие на покрытии влаги, воды, льда, снега.

Наибольшее влияние на величину коэффициента сцепления оказывает тип, ровность и состояние поверхности покрытия, а также скорость движения.

При движении автомобиля по неровной поверхности с возрастанием скорости деформация пневматика происходит не полностью.

Если принять коэффициент сцепления при высокой ровности за 100 %, то при увеличении неровности покрытий S_c сцепление снижается:

по толчкомеру, см/км
Уменьшение , %

Зависимость коэффициента сцепления от скорости может быть выражена формулой:

,

где - коэффициент сцепления при скорости измерения 20 км/ч;

- коэффициент изменения сцепных качеств со скоростью, зависит от типа и состояния покрытия.

В нормативных документах обычно приведены значения коэффициента сцепления при скорости 60 км/ч. Чтобы перейти к другой скорости, эти значения нужно пересчитывать по формуле

.

Рисунок, площадь протектора, степень его изношенности значительно влияют на величину коэффициента сцепления колеса автомобиля с покрытием.

При торможении скорость движения колес замедляется, происходит их проскальзывание, степень которого оценивают соотношением числа вращения колес при свободном качении и с частичным торможением .

.

Торможение с проскальзыванием эффективнее, чем с полной блокировкой.

Коэффициент сцепления, измеренный при проскальзывании, на 100-200 % выше, а время до полной остановки автомобиля на 25…30 % меньше, чем при торможении с полной блокировкой колес.

Коэффициент оцепления достигает наибольшего значения при частичном проскальзывании, пробуксовке колес на 20…30 %.

В настоящее время величина коэффициента сцепления измеряется на мокром покрытии колесом с гладкой шиной или с шиной, имеющей выступы протектора.

Для мокрого покрытия значения коэффициента сцепления для гладкой шины всегда меньше, чем для шины с протектором. Между этими значениями коэффициента сцепления существует корреляционная связь:

и

где - коэффициент сцепления, измеренный гладкой шиной;

- тоже, шиной с протектором.

Обычно значения коэффициента сцепления измеряют динамическим прицепом с гладкой шиной и для различных покрытий они приведены в справочниках.

Различают два вида коэффициента сцепления: коэффициент продольного сцепления , соответствующей началу пробуксовывания или проскальзывания колеса

при его качении в плоскости движения, и коэффициент поперечного сцепления , возникающего при боковом заносе, когда колесо одновременно вращается и скользит в бок (боковое скольжение).

В большинстве случаев под понятием коэффициента сцепления подразумевают коэффициент продольного сцепления.

Значения поперечного коэффициента сцепления колеблются в пределах .

Чтобы обеспечить высокую скорость, минимальный расход топлива, а также безопасность движения дорожное покрытие должно обладать как можно более высокими сцепными качествами и как можно более низким сопротивлением качению.

Во многих случаях неблагоприятное соотношение сцепных качеств покрытия и сопротивления качению является причиной снижения скорости движения.

Это следует из анализа уравнения тягового баланса автомобиля и уравнения основного условия движения. Уравнение тягового баланса автомобиля может быть записано в виде:

,

где - сила тяги на ведущих колесах автомобиля; - полная масса автомобиля;

- коэффициент сопротивления качению; - продольный уклон; - коэффициент инерции вращающихся масс; - ускорение автомобиля; g – ускорение свободного падения; - коэффициент обтекаемости; - лобовая площадь автомобиля; - скорость движения автомобиля.

Правая часть этого уравнения представляет собой сумму дорожных сопротивлений . Тогда все уравнение может быть записано в виде:

Это уравнение называют основным уравнением движения. Оно может быть сформулировано так: для того, чтобы движение автомобиля было возможным, необходимо, чтобы сила тяги, образуемая на ободе колеса, была больше суммы дорожных сопротивлений.

Это условие является главным, но не достаточным для того, чтобы автомобиль мог двигаться. Для этого нужно соблюдать второе условие: необходимо, чтобы сила сцепления ведущих колес в зоне контакта была равна или больше силы тяги:

.

Это условие называют основным условием движения.

Отношение массы автомобиля, приходящейся на ведущие колеса G_В, к общей массе автомобиля G_а называется коэффициентом сцепной массы.

.

Значение коэффициента сцепной массы колеблется в пределах 0,5…0,65 для различных типов автомобилей.

Тогда

Отсюда:

.

Поставив вместо формулу уравнения тягового баланса и разделив левую и правую часть уравнения на , получим уравнение основного условия движения:

,

где - коэффициент удельной силы ускорения, приходящийся на единицу массы автомобиля; - удельное сопротивление воздушной среды, приходящиеся на единицу массы автомобиля.

Степень соответствия покрытия требованиям движения можно оценить по показателю взаимодействия колеса с покрытием:

.

Движение автомобиля в тяговом режиме возможно при .

Анализ этого показателя позволяет сделать очень важный вывод о том, что при определенных соотношениях характеристик сцепных качеств, сопротивления качению и продольного уклона движение по дороге в тяговом режиме будет невозможно независимо от динамических качеств автомобиля, поскольку колеса автомобиля будут проскальзывать по покрытию. Максимально возможная скорость движения по соотношению сцепных качеств покрытия и сопротивления качению

.

Исходя из этого, дорожная служба должна стремиться обеспечивать максимальные значения коэффициента оцепления и минимальные значения коэффициента сопротивления качению.

Коэффициент сцепления колеса автомобиля с дорогой можно получить путем изменения величины силы тяги и вычисления по формуле

где - коэффициент сцепления при данной скорости измерения; Т_к – сила трения при тех же условиях; G_a– масса измерительного аппарата вместе с нагрузкой, приходящейся на него.

На этом принципе основаны многие измерительные установки для измерения коэффициента сцепления.

Нормативные значения коэффициента продольного сцепления для вновь строящихся автомобильных дорог I-III категорий установлены СНиП 2.05.02-85 в зависимости от условий движения.

Предельно допустимые значения коэффициента сцепления для эксплуатируемых дорог установлен ГОСТ Р 50597-93 «Автомобильные дороги и улицы. Требования к состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения» и составляют 0,3 при измерении шиной без рисунка протектора и 0,4 - шиной, имеющей рисунок протектора.