Влияние состояния покрытия на взаимодействие автомобиля с дорогой

Под воздействием влажности воздуха, осадков в виде дождя или снега, тумана, мороси и других метеорологических факторов, а также в зависимости от вида покрытия, интенсивности движения и уровня дорожное покрытие может находиться различном состоянии.

Сухим считают покрытие, микроповерхность материала которого не имеет сплошной пленки воды. Это состояние наблюдается при относительной влажности воздуха до 90 %. Влажным считают покрытие, микроповерхность материала которого покрыта сплошной пленкой связанной воды. Такое состояние покрытия наблюдается при относительной влажности воздуха 90…100 % и положительной температуре покрытия. При отрицательной температуре в этих условиях образуется микрогололед. Мокрым считают покрытие, на микроповерхности материала которого имеется слой свободной воды. Заснеженным считают покрытие с наличием рыхлого снега на поверхности. Снежный накат - наличие слоя снега, уплотненного движением автомобилей. Снежный накат может быть сухим и обладать определенными сцепными свойствами, а может быть оледеневшим, скользким. Зимняя скользкость включает в себя все виды скользкости: гололедица, гололед, рыхлый снег и накат.

Состояние покрытия оказывает большое влияние на взаимодействие его с колесом автомобиля, поскольку тип покрытия, его прочность, ровность и шероховатость, наличие ямочности, трещин, влаги, пыли и грязи, снега или гололеда на поверхности существенно влияют на коэффициент сопротивления качению колеса автомобиля и коэффициент сцепления его с покрытием.

При движении автомобиля по малопрочной одежде сопротивление качению возрастает за счет деформирования поверхности качения.

Возрастающая температура покрытия способствует снижению вязкости битума в асфальтобетоне, что приводит к меньшему сопротивлению верхнего слоя покрытия тормозной силе. Большое влияние на коэффициент сцепления оказывает резина протектора автомобильных шин, которая также изменяет свои физические и механические свойства при повышении температуры и в том числе эластичность и твердость.

Установлено, что с возрастанием температуры асфальтобетонного покрытия на 1 °С коэффициент сцепления снижается примерно на 0,01.

Взаимодействие с влажным и мокрым покрытием и роль шероховатости. Если на сухом покрытии основную часть силы сцепления (до 90 %) составляет адгезия (молекулярное взаимодействие), то на влажной или мокрой поверхности эта часть резко снижается, поскольку на ней образуется слой смазки в виде пленки воды, перемешанной с остатками масел, бензина и грязи. Чтобы обеспечить достаточное сцепление колеса автомобиля с покрытием его поверхность должна иметь шероховатую структуру, позволяющую разорвать эту пленку и обеспечить непосредственный контакт резины протектора с поверхностью покрытия. Выступы шероховатости вдавливаются в протектор, увеличивая деформационную составляющую силы трения.

Это первый фактор шероховатого покрытия. Другой не менее важный фактор состоит в том, что шероховатость покрытия образуют систему дренирующих ходов, по которым вода отжимается из зоны контакта, что улучшает условия взаимодействия колеса автомобиля с покрытием.

Исследования М.В. Немчинова показали, что на мокрых покрытиях при невысоких скоростях с увеличением шероховатости коэффициент сцепления снижается, а с возрастанием скорости сначала стабилизируется (рис. 3.13 а, б), а затем даже повышается с увеличением средней высоты выступов до 5,5 мм (рис. 3.13, в).

Отмечено, что на шероховатых мокрых покрытиях коэффициент сцепления с возрастанием скорости снижается значительно меньше, чем на гладких (рис. 3.14).

Поэтому устройство шероховатых покрытий является одной из самых эффективных мер по повышению безопасности движения в период выпадения дождей и мокрого снега, когда покрытие может быть мокрым,

На мокрых, грязных или заснеженных покрытиях сцепные качества резко снижаются, особенно с увеличением скорости движения, В этом случае не помогает даже макрошероховатость, поскольку грязь забивает впадины между выступами и свойства поверхности мало чем отличаются от гладких поверхностей. Поэтому покрытие необходимо очищать от пыли и грязи.

Рис. 3.13. Зависимость коэффициента продольного сцепления от макрошероховатости асфальтобетонного покрытия при сухом ( ) и мокром ( ) его состоянии, температуре воздуха +20…+22 °С и разной скорости скольжения полностью блокированного колеса

(шина с новым рисунком протектора):

а – 40 км/ч; б – 60 км/ч; в – 80 км/ч

Рис. 3.14. Зависимость коэффициента сцепления

от скорости движения v (шина с протектором):

1, 2, 3 – средняя высота выступов 1,41; 0,71 и 0,19 мм соответственно

Рис. 3.15. Схема действия сил на колесо автомобиля при динамическом аквапланировании:

1 – колесо; 2 – покрытие; 3 – слой жидкости; 4 – головная волна жидкости; Р – нагрузка на колесо автомобиля; Y – вертикальная реакция, или подъемная сила, действующая на колесо; R – суммарная реакция, действующая на колесо; F_сопр – горизонтальная реакция, действующая на колесо (сила сопротивления движению); " - направление движения

Аквапланирование или глиссирование автомобиля на мокром покрытии.

При наличии слоя воды на поверхности покрытия и высокой скорости движения процесс взаимодействия колеса автомобиля с покрытием принципиально изменяется из-за возникновения явления глиссирования или аквапланирования. При этом существенно повышается роль шероховатости покрытия.

В этом случае в плоскости контакта колеса с мокрым покрытием можно выделить три зоны: зона неразорванной пленки воды, где образуется гидродинамическое

давление воды на колеса; зона частично разорванной пленки жидкости, где наблюдается отдельные соприкосновения протектора шины с покрытием, и зона непосредственного контакта шины с дорогой, где свободная вода полностью удалена и осуществляется сухой контакт шины с покрытием.

Физическая сущность аквапланирования состоит в том, что при движении колеса при наличии на покрытии сплошного слоя жидкости (вода, слякоть) глубиной не менее критической величины под колесами в зоне расположения головной волны (рис. 3.15) возникает жидкостный клин, оказывающий гидродинамическое давление на колесо. С увеличением скорости движения это давление возрастает и при определенной скорости, называемой критической скоростью аквапланирования , вертикальная составляющая давления сравнивается по величине с вертикальной нагрузкой на колесо . С этого момента колеса как бы «всплывают» и начинают скользить по слою жидкости. Это и есть явления глиссирования или аквапланирования.

На возникновение аквапланирования влияют глубина слоя и плотность жидкости, давление в шинах колес, рисунок и степень износа протектора пневматиков, а также структура поверхности покрытия. Выступы шероховатости уменьшают активную толщину слоя воды , которая действует на колесо автомобиля и тем самым снижают величину гидродинамической подъемной силы. Активная толщина слоя воды (рис. 3.16) вычисляется как

h_акт = h_ст – Rz + h_вд,

v- скорость движения, км/ч; g - глубина рисунка протектора, g = 2…8 мм.

Аквапланирование может возникнуть при глубине слоя воды или слякоти более 2 мм уже при скорости движения более 100 км/ч.

При глубине слоя свыше 10 мм и скорости движения более 120 км/ч его трудно избежать даже на шероховатом покрытии и при шинах с хорошим протектором.

Роль колей в формировании критической глубины слоя воды. Колеи особенно опасны для движения в период дождей и таяния снега, когда в колеях образуется слой воды, в результате чего происходит снижение сцепных качеств покрытия, создаются предпосылки возникновения аквапланирования с потерей управляемости автомобиля. Во время оттепелей и заморозков в колее образуется лёд, во время метелей и снегопадов откладывается и уплотняется снег, который трудно удалить снегоочистительными машинами.

Во время дождя слой воды образуется даже на идеально ровной поверхности дороги, а при небольших деформациях дорожной одежды, как в продольном, так и в поперечном сечении вода собирается в любых впадинах, и в первую очередь в колеях.

Установлено, что вода, собираясь в колеях, создает узкий или широкий поток в зависимости:

• от интенсивности и продолжительности дождя;

• формы (глубины колеи,ширины между гребнями) итипа колеи - одиночная, двойная или тройная);

• продольного и поперечного уклона дороги;

• шероховатости покрытия и типа укрепления, состояния неукрепленных обочин.

Важную роль имеют интенсивность движения автомобилей и температура воздуха, которые непосредственно влияют на разбрызгивание воды колесами автомобилей и испарение; в некоторых случаях большое значение имеет также скорость ветра и его направление относительно направления движения. Например, если ветер дует попутно движению, то толщина слоя воды уменьшается.

Шероховатость покрытия создает микровпадины, по которым вода стекает с поверхности покрытия. Положение и состояние неукрепленных обочин обуславливает водоотвод воды с дороги.

Как правило, прежде всего, наполняется водой внешняя колея и тем быстрее, чем больше ее глубина. При интенсивном движении автомобилей наполнение происходит медленнее, поскольку вода в колеях в большой степени разбрызгивается колёсами автомобилей и не успевает наполнить колею до критической глубины.

Осадки в виде дождя могут вызвать критическое наполнение водой внешней колеи при определенных соотношениях интенсивности и продолжительности дождя, а также глубины колеи (табл. 3.7).

Таблица 3.7. Время наполнения водой внешней колеи до критической глубины в зависимости от интенсивности дождя.

Анализ показывает что проливной дождь может наполнить водой внешние колеи уже в течение 1,5…3 минуты, а внутренние колеи - в течении 5 минут.

Взаимодействие с заснеженным и оледеневшим покрытием и роль шероховатости. Состояние поверхности дороги зимой значительно изменяет величины и . Наличие на покрытии даже сухого снега приводит к тому, что сопротивление качению увеличивается в 10-15 раз в зависимости от толщины снежных отложений по сравнению с движением по чистому покрытию (рис. 3.17). Движение колес автомобилей по снежному накату также сопровождается образованием колей и увеличением сопротивления качению.

Рис. 3.17. Зависимость коэффициента сцепления (2) и сопротивления качению снега (1) от толщины снежных отложений

В сухом чистом состоянии все покрытия зимой обеспечивают достаточно высокие сцепные качества. При наличии рыхлого снега на покрытии коэффициент сцепления мало зависит от параметров шероховатости, но существенно зависит от толщины слоя, плотности, влажности и температуры снега. Значения и при одной и той же толщине снега могут колебаться в широких пределах в зависимости от сочетания температуры, влажности и плотности снега.

Сцепные качества уплотненного слоя снега на покрытии также зависят от прочности снега, которая в свою очередь зависит от его плотности и температуры.

Ориентировочные значения коэффициента сцепления при скоростях измерения от 40…60 км/ч и температуре воздуха -10⁰…-20 ⁰C составляют:

Прочность снега, МПа………………0,2 0,4 0,6

Коэффициент сцепления…………0,30…0,45 0,25…0,35 0,20…0,30

Прочность снега, МПа………………0,8 1,2

Коэффициент сцепления 0,17…0,25 0,15…0,21

Вследствие большого сопротивления качению и низких сцепных качеств на заснеженном и оледенелом покрытиях происходит снижение скоростей движения и даже остановки транспорта. На гладком покрытии слой уплотняемого снега имеет однородную структуру. На шероховатых покрытиях снег, уплотняемый между выступами каменных частиц, содержит значительное количество воздуха, имеет пористую структуру.

Пористая структура снега облегчает удаление ледяного слоя, однако для удаления льда и снега, оставшегося во впадинах между каменными частицами, требуется большее количество хлоридов, чем для удаления льда и снега с гладких поверхностей. Поэтому вопрос об эффективности работы шероховатых поверхностей в зимних условиях не имеет однозначного ответа и требует дальнейших исследований.

При определенных соотношениях температуры и плотности снега, интенсивности, состава и скорости движения транспортного потока на шероховатых покрытиях наблюдается процесс быстрого разрушения снежного слоя. Происходит самоочистка покрытия от снега. Самоочистка дорог от снега нарастает с увеличением высоты выступов до 1,5 мм. Дальнейшее увеличение высоты выступов шероховатости на очистку покрытия под движением автомобилей практического влияния не оказывает. Поэтому с позиции работы покрытий в зимний период года наиболее целесообразной следует считать величину выступов макрошероховатости 1,5…2,0 мм.

Важное значение при назначении требований к сцепным качествам покрытий и их шероховатости имеют погодно-климатические условия. Высокая шероховатость покрытия нужна только для обеспечения сцепных качеств на мокром покрытии. Продолжительность мокрого состояния покрытия колеблется от 10 % от годовой продолжительности для районов с жарким сухим климатом до 35 % для районов с влажным умеренным климатом. Это значит, что в течение 65…90 % времени, крупношероховатая поверхность покрытия бесполезна. Поэтому требования к шероховатости дорожных покрытий необходимо дифференцировать с учетом региональных климатических условий.

Для среднеевропейских климатических условий могут быть рекомендованы следующие требования к сцепным качествам и параметрам шероховатости дорожных покрытий:

• предельно допустимое значение коэффициента сцепления для гладкой шины:

для дорог с вновь построенным покрытием ;

в процессе эксплуатации ;

• средняя глубина впадины шероховатости для дорог с вновь построенным покрытием при движении с расчетной скоростью:

120 км/ч и более мм;

80…100 км/ч мм;

• предельная глубина впадин шероховатости для дорог, находящихся в эксплуатации при движении с расчетной скоростью:

120 км/ч и более мм;

80…100 км/ч мм.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные показатели взаимодействия автомобиля с дорогой?
2. Какова схема сил, передаваемых от колеса автомобиля на дорогу?
3. Что называют коэффициентом сцепления колеса автомобиля с дорогой?
4. Каковы основное уравнение и основное условие движения?
5. Какую роль играет шероховатость дорожного покрытия в обеспечении сцепных качеств?
6. В чем состоит роль равномерного распределения шероховатости по ширине покрытия?
7. Как влияет ровность покрытия на движение автомобиля?