Взаимодействие колес автомобиля с дорожным покрытием
2.2. Взаимодействие шины с дорогой
Взаимодействие автомобильного колеса с дорогой осуществляется непосредственно через протектор. В зоне контакта шины с дорожной поверхностью сосредоточен весь комплекс внешних статических и динамических сил, воздействующих на автомобильное колесо.
Протектор шины работает в наиболее тяжелых условиях по сравнению с другими элементами шины. Особенно незащищенной и наиболее нагруженной является контактная поверхность протектора. Все это приводит к возникновению в зоне контакта сложной картины распределения нормальных и касательных напряжений, а также проскальзывания, что является главной причиной износа протектора.
Для упрощения физической модели рассмотрим лишь случаи нагружения колеса при равномерном и прямолинейном его движении по горизонтальной поверхности дороги с твердым, практически недеформируемым покрытием.
При анализе взаимодействия протектора с опорной поверхностью рассматриваются контактные напряжения, приложенные к шине со стороны дороги. Поскольку распределение нормальных и касательных напряжений, действующих в контакте автомобильного колеса, протекает по сложным законам, рассмотрим сначала взаимодействие шины с опорной поверхностью у неподвижного колеса, находящегося под воздействием только нормальной нагрузки. В данном случае шина подвергается простейшему виду нагружения. Затем последовательно рассмотрим другие виды нагружения при различных режимах качения колеса, переходя от простых к более сложным случаям.
Источник статьи: http://motorzlib.ru/books/item/f00/s00/z0000030/st009.shtml
Взаимодействие дороги и автомобиля
Разрушающее воздействие автомобиля на дорогу
Силы, передающиеся на дорожную одежду при движении автомобиля, оказывают разрушающее воздействие на дорогу. Под воздействием вертикальных сил происходит упругая деформация дорожной одежды. Повторное их действие на один и тот же участок дороги приводит к возникновению явлений усталости, появлению трещин и разрушению дорожной одежды. К характерным повреждениям дорожной одежды от действия вертикальных сил можно отнести:
Выбоины – местные разрушения покрытия глубиной от 20 до 100 мм и более с резко очерченными краями. Они возникают прежде всего из-за недостаточной связи между минеральными органическими материалами, недоуплотнения покрытия, загрязнения, а также использования недоброкачественных материалов;
Волны и гребенки– неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями. Они формируются в местах торможения автомобилей практически на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основная причина волнообразования — излишняя пластичность материала, избыток вяжущего, недостатки уплотнения, а также систематическое воздействие на покрытие автомобилей одинаковой массы при одинаковой скорости;
Просадки – впадины глубиной 50-100 мм и более с пологой поверхностью, но без выпучивания и образования трещин на прилегающих участках. Одной из причин появления просадки может быть проезд тяжелых автомобилей, на которые дорожная одежда не была рассчитана;
Проломы – разрушение одежды в виде более или менее длинных прорезей глубиной до 100 мм по полосам наката и выпучиваний сбоку проломов высотой 50-100 мм. Причиной появления проломов может быть переувлажнение и пластическое течение материала слоев основания и грунта или прорезание слоев одежды под действием вертикальной силы;
Колеи – деформации и разрушения дорожной одежды в виде небольшого углубления по полосам наката. При интенсивном тяжелом движении колеи могут превратиться в проломы.
Горизонтальные силы возникают вследствие ударов колес при наезде на неровности покрытия, трения шины о верхний слой покрытия, при движении по кривой в результате действия центробежной силы и также оказывают разрушающее действие на дорогу. К характерным повреждениям дорожной одежды от действия горизонтальных сил можно отнести:
Шелушение – отделение чешуек и частиц материала;
Выкрашивание–отделение зерен минерального материала из покрытия и образование мелких раковин глубиной до 20 мм.;
Сдвиги – неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании, чаще всего образуются в местах торможения автомобилей;
Разрушение стыков – обламывание кромок и выбивание заполняющей мастики. Основными причинами являются удары колес автомобилей, недоброкачественная цементобетонная смесь, неудовлетворительная нарезка и отделка швов.
Здесь же необходимо отметить, что разрушительное действие на дорогу вертикальных сил значительно выше, чем горизонтальных.
Предельные размеры отдельных повреждений (просадок, выбоин и т.п.) не должно превышать по длине 15 см, ширине – 60 см, глубине – 5 см.\
Сила тяги, развиваемая двигателем на ведущих колесах автомобиля, расходуется на преодоление сил сопротивления движению.
В наиболее общем случае ускоренного движения на подъем на автомобиль действую следующие силы сопротивлений: сопротивление качению (трение качения), сопротивление движению на подъем, сопротивление воздуха, инерционные силы самого автомобиля и вращающихся масс его механизмов, возникающие при изменении скорости движения.
Сопротивление качению вызывается затратой энергии на деформацию шин и дороги. Эта сила всегда действует на движущийся автомобиль. На ровных цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях основным фактором, определяющим сопротивление качению, является обжатие шин. На менее ровных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжных мостовых) добавляются наезды колес на неровности покрытия. На грунтовых дорогах сопротивление создается затратой усилий на деформирование шины и грунта при образовании колеи.
При движении по дорогам с твердым покрытием сила сопротивления качению определяется следующим образом:
(1)
Где: 
— нагрузка на дорогу от отдельных колес,
 |
— соответствующие коэффициенты сопротивления качению.
Рис. 1 Реальное сопротивление качению.
Сопротивление качению зависит от ровности покрытия, скорости и эластичности шины. Однако при скоростях движения ниже 50 км/ч сопротивление качению возрастает настолько медленно, что коэффициент сопротивления качению можно считать практически постоянным. При скоростях выше 50 км/ч коэффициент сопротивления качению высчитывается в соответствии со скоростью движения. (Подробнее на лабораторном занятии).
Сцепные качества покрытия.
Тип покрытия, его прочность, ровность, шероховатость, наличие разрушений, трещин, влаги, пыли, грязи, снега или гололеда существенно влияют на коэффициент сопротивления качению колеса автомобиля и коэффициент его сцепления с покрытием.
Коэффициентом сцепления (
) называется отношение тягового усилия на колесе к вертикальной нагрузке на покрытие, при превышении которого начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание заторможенного.
В зависимости от направления сдвигающей силы, действующей на колесо, различают два вида коэффициента сцепления:
— коэффициент продольного сцепления, соответствующий началу проскальзывания заторможенного или пробуксовыванию движущегося колеса при качении или торможении без действия на колесо боковой силы. Его используют при вычислении пути, проходимого автомобилем при экстренном торможении и при оценке возможности трогания автомобиля с места.
Коэффициент поперечного сцепления – поперечная составляющая коэффициента сцепления при смещении ведущего колеса, катящегося под воздействием боковой силы под углом к плоскости качения, когда колесо, вращаясь, скользит вбок. Характеризует устойчивость автомобиля при проезду кривым малых радиусов.
На сцепные качества покрытия, а соответственно и величину коэффициента сцепления, существенное влияние оказывают такие показатели, как: шероховатость (различают макрошероховатость – неровность поверхности покрытия, которая нормируется и микрошероховатость – собственная шероховатость частиц каменного материала), состояние покрытия, ровность покрытия, температура воздуха.
Под действием влажности воздуха, осадков и других метеорологических факторов, а также в зависимости от интенсивности движения, уровня содержания и вида покрытие может находиться в различном состоянии.
Сухимсчитают покрытие, микроповерхность материала которого не имеет сплошной пленки воды. Это наблюдается при относительной влажности воздуха до 90 %.
К влажным относят покрытия, микроповерхность которых покрыта сплошной пленкой связанной воды. Такое состояние покрытия наблюдается при относительной влажности воздуха 90-100 % и положительной температуре. При отрицательной температуре в этих условиях образуется микрогололед.
Мокрымсчитается покрытие, на микроповерхности материала которого имеется слой свободной воды.
К заснеженному относят покрытие с наличием рыхлого снега на поверхности; снежный накат – наличие слоя снега, уплотненного колесами автомобилей; гололедица – все виды зимней скользкости на поверхности дороги.
Источник статьи: http://studopedia.ru/3_4113_vzaimodeystvie-dorogi-i-avtomobilya.html
Взаимодействие автомобиля и дороги
При движении автомобиля по дороге возникают нормальные к поверхности проезжей части касательные продольные и поперечные силы взаимодействия между колесами и покрытием. К этим силам относятся (рис. 4.1): сила, перпендикулярная покрытию и равная ей, но противоположная по знаку, нормальная реакция дорожной одежды на колесо R1; окружная сила Рк, приложенная к площади контакта ведущих колес с покрытием, направленная в сторону, противоположную движению, — это сила воздействия ведущих колес на одежду в плоскости проезжей части.
Рис. 4.1. Силы, действующие на движущийся автомобиль и дорогу
Тангенциальная (касательная) реакция Тк, практически равная окружной силе Рк и направленная в сторону движения, возникает в результате взаимодействия ведущих колес и покрытия. Эту реактивную силу, вызывающую поступательное перемещение автомобиля, называют тяговой:
Рf = G×f — сила сопротивления качению на относительно ровном участке;
G — вес автомобиля, даН;
f — коэффициент сопротивления качению, доли единицы;
Рi = G×i — сила сопротивления движению на подъеме (спуске);
i — продольный уклон дороги, доли единицы;
— сила сопротивления воздуха движению;
k — коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости), даНс 2 /м 4 ;
F — площадь лобовой проекции автомобиля, м 2 ;
V — скорость автомобиля, км/ч;
Рj = G×j — сопротивление инерционных сил, даН;
j — относительное ускорение.
Сила сопротивления качению зависит от характеристик шины (эластичности, внутреннего трения в шине, давления воздуха и т.д.), вида и состояния покрытия, от скорости движения. Значения коэффициента сопротивления качению при скорости до 20 км/ч приведены в табл. 4.1.
Значения коэффициента сопротивления качению (данные проф. А.П. Васильева)
| Покрытие | Состояние покрытия | На покрытии ровный слой плотного снега | Рыхлый снег толщиной, мм | Гололед | |||||
| эталонное (сухое) | влажное чистое | мокрое загрязненное | до 10 | 10-20 | 20-40 | 40-60 | |||
| Цементо- и асфальтобетонное | 0,01-0,02 | 0,02-0,03 | 0,03-0,035 | 0,04-0,10 | 0,03-0,04 | 0,04-0,09 | 0,08-0,12 | 0,09-0,15 | 0,015-0,03 |
| То же, с поверхностной обработкой | 0,02 | 0,02-0,03 | 0,03-0,035 | 0,04-0,10 | 0,03-0,04 | 0,04-0,09 | 0,08-0,12 | 0,09-0,15 | 0,02-0,04 |
| Холодный асфальтобетон, черное щебеночное (гравийное) | 0,02-0,025 | 0,025-0,035 | 0,03-0,045 | 0,04-0,10 | 0,03-0,05 | 0,04-0,09 | 0,08-0,12 | 0,09-0,15 | 0,02-0,04 |
| Гравийное и щебеночное | 0,035 | 0,035-0,05 | 0,04-0,06 | 0,04-0,10 | 0,04-0,06 | 0,04-0,10 | 0,03-0,12 | 0,09-0,15 | 0,03-0,04 |
| Грунтовая дорога | 0,03 | 0,04-0,05 | 0,05-0,15 | 0,06-0,10 | 0,06-0,08 | 0,06-0,12 | 0,08-0,12 | 0,09-0,15 | 0,03-0,05 |
С увеличением скорости сопротивление качению повышается и может быть определено по формуле:
f20 — коэффициент сопротивления качению при скорости до 20 км/ч;
Kf — коэффициент повышения сопротивления качению со скоростью
(для легковых автомобилей Kf = 10,00025, для грузовых — 0,0002).
Во всех расчетных формулах принимают значение коэффициента сопротивления качению, строго соответствующее виду и состоянию покрытия, скорости движения. Сопротивление качению колеса на грунтовой дороге зависит от глубины образующейся колеи, вида и состояния грунта, диаметра колеса и вертикальной нагрузки на него.
Коэффициент обтекаемости, используемый при определении силы сопротивления воздуха, зависит от формы автомобиля и качества отделки его поверхности (табл. 4.2). Более подробные данные о лобовой площади и коэффициенте обтекаемости для автомобилей и автобусов различных марок, обращающихся по дорогам, приведены в литературе по автомобилям. При отсутствии данных о лобовой площади автомобиля ее можно определить по приближенной формуле
т = 0,8 для автомобиля со стандартным кузовом и т = 0,9 для автобуса и грузового автомобиля с кузовом в виде фургона или с тентом;
Вг, Нг — габаритная ширина и высота автомобиля, м.
Параметры аэродинамического сопротивления движению автомобиля (данные чл.-корр. АН СССР Д.П. Великанова)
| Типы автомобилей | F, м 2 | k, даНс 2 /м 4 |
| Легковые 1 | 1,6-2,6 | 0,030-0,034 |
| Автобусы | 3,5-7,0 | 0,042-0,050 |
| Грузовые с кузовом бортовая платформа: | ||
| одиночные автомобильные поезда 2 | 3,0-5,3 | 0,055-0,060 |
| то же, двухзвенные 2 | 4,0-5,3 | 0,060-0,075 |
| Грузовые с кузовом фургон: | ||
| одиночные автомобильные поезда | 3,5-8,0 | 0,038-0,045 |
| то же, двухзвенные (междугородные) | 7,0-8,0 | 0,058-0,060 |
1 Включая грузовые малой грузоподъемности на базе легкового.
2 Дополнительный прицеп к автомобильным поездам увеличивает коэффициент обтекаемости на 20-25 %. Контейнеры, установленные поперек кузова, повышают этот коэффициент примерно на 25-30 %.
Тяговое усилие ограничивается силой сцепления шины с покрытием. Наибольшее возможное значение тягового усилия Тмах, при котором автомобиль еще способен двигаться без скольжения (буксования) колес, не может превышать
j — коэффициент сцепления;
R — нормальная реакция дорожной одежды на ведущие колеса.
Различают два вида коэффициента сцепления: коэффициент продольного сцепления j1, соответствующий началу пробуксовывания или проскальзывания колеса при его качении в плоскости движения; коэффициент поперечного сцепления j2 при условии бокового заноса, когда колесо одновременно и вращается, и скользит в бок (боковое скольжение).
Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия, его состояния, типа и конструкции шин, рисунка протектора шин, степени изношенности покрытия, скорости движения, нагрузки на колесо, температуры и других факторов (табл. 4.3 и рис. 4.2-4.4). Наибольшее влияние оказывают вид и состояние покрытия, а также скорость движения. Поэтому для объективной оценки состояния дорог необходимо в каждом случае измерять коэффициент сцепления при нормированной скорости 60 км/ч. Табличными значениями коэффициента сцепления можно пользоваться только для ориентировочных расчетов и оценок. В табл. 4.4 приведены значения коэффициента сцепления при скорости движения 20 км/ч для шин с нормальным протектором. Коэффициент сцепления при других скоростях:
bj — коэффициент изменения сцепных качеств от скорости (принимают в зависимости от типа и состояния покрытия по табл. 4.4).
Влияние различных факторов на коэффициент сцепления
| Факторы | Характер и причины изменения коэффициента сцепления |
| Вид покрытия и продолжительность его эксплуатации | С увеличением срока эксплуатации после постройки или ремонта дорожной одежды коэффициент сцепления снижается из-за уменьшения шероховатости. Коэффициент сцепления наиболее устойчив у цементобетонных покрытий в сухом состоянии при продолжительности их службы до 10-12 лет, у асфальтобетонных — 5-8 лет. При истирании (износе) покрытия на 50-60 % коэффициент сцепления уменьшается на 30-40 %. Брусчатка и булыжная мостовая полируются шинами автомобилей, из-за чего коэффициент сцепления уменьшается |
| Неровности на проезжей части дороги | Неровности на проезжей части увеличивают частоту приложения вертикальной нагрузки. Коэффициент сцепления снижается из-за изменяющихся условий в месте контакта шины с дорогой и из-за подпрыгивания колес на неровностях |
| Шероховатость покрытия и микро- шероховатость его каменного материала | С ростом шероховатости увеличивается площадь контакта покрытия с шиной и выше уровень зацепления, что обусловливает рост коэффициента сцепления. При этом наибольшая высота выступов покрытия не должна превышать 5 мм. Большая шероховатость покрытия снижает коэффициент сцепления. При нормальной шероховатости покрытия шина сохраняет контакт с покрытием и при дожде не образуется сплошного слоя воды, снижающего сцепления. Большое влияние на коэффициент сцепления оказывает шероховатость каменного материала покрытия (микрошероховатость), предотвращающая возникновение жидкостного трения на поверхности выступов микрошероховатости (см. рис. 4.2). |
| Влажность и загрязненность покрытия | При дожде коэффициент сцепления уменьшается, так как из влаги, пыли, частиц резины, капель нефтепродуктов образуется жидкая грязь, по которой, как по смазке, проскальзывают колеса (см. рис. 4.3). Коэффициент сцепления при этом почти вдвое меньше, чем при движении по сухому покрытию. На влажных, но чистых покрытиях коэффициент сцепления меньше, чем на сухих, но больше, чем на покрытых жидкой грязью |
| Избыток органического вяжущего в покрытии | В жаркую погоду вяжущее выступает на поверхность и уменьшает коэффициент сцепления |
| Замасливание проезжей части дороги | Замасливание нефтепродуктами значительно снижает коэффициент сцепления на сухих и на влажных покрытиях; в середине полосы движения коэффициент сцепления почти на 30 % меньше, чем у ее краев |
| Обледенение проезжей части | Коэффициент сцепления весьма мал; он несколько повышается при понижении температуры воздуха до — 15°С. Скорость движения в этих случаях незначительно влияет на коэффициент сцепления |
| Вид взаимодействия колеса с покрытием | Наибольший коэффициент сцепления наблюдается при продольном качении без бокового скольжения. При блокированном колесе (юзе) коэффициент сцепления несколько снижается |
| Увеличение нагрузки на колесо | На капитальных, облегченных и переходных типах дорожных одежд с увеличением нагрузки на колесо коэффициент сцепления снижается, особенно при больших нагрузках |
| Скорость движения | С увеличением скорости коэффициент сцепления снижается (см. рис. 4.4 и табл. 4.4) |
| Материал шины | Шины из высокогистерезисных резин обеспечивают больший коэффициент сцепления |
| Тип рисунка протектора шин | На влажном покрытии шины с рисунком протектора, имеющим большую расчлененность, обеспечивают более высокий коэффициент сцепления. Шины с рисунком протектора повышенной проходимости на мягком снеге и недостаточно уплотненном грунте имеют больший коэффициент сцепления, чем шины с дорожным рисунком протектора |
| Износ протектора шины | При полном истирании рисунка протектора коэффициент сцепления снижается на 35-45 %. Весьма значительно он уменьшается на влажных и грязных покрытиях (примерно еще на 20-25 %) |
| Повышение давления воздуха в шинах | При увеличении давления воздуха в шинах коэффициент сцепления вначале повышается, затем начинает убывать |
| Повышение температуры шины | С увеличением температуры шины коэффициент сцепления на цементобетонном покрытии несколько уменьшается, на асфальтобетонном увеличивается из-за прилипания элементов протектора к покрытию. Если же материал протектора имеет низкие антиизносные качества, то при интенсивном торможении между шиной и покрытием появляется много резиновой пыли, снижающей коэффициент сцепления |
Рис. 4.2. Влияние микрошероховатости покрытия на коэффициент сцепления
Рис. 4.3. Зависимость коэффициента сцепления от высоты неровностей покрытия при скорости движения 80 км/ч:
1 — сухое покрытие; 2 — мокрое покрытие
Рис. 4.4. Зависимость коэффициента сцепления от скорости автомобиля для покрытий с различной шероховатостью (данные В.А. Астрова):
1 — песчаный асфальтобетон; 2 — многощебенистый асфальтобетон; 3 — поверхностная обработка
Значения коэффициентов сцепления и изменения сцепных качеств (данные проф. А.П. Васильева)
| Покрытие | Состояние покрытия | |||||||||||
| эталонное (сухое) | мокрее (чистое) | мокрое (грязное) | рыхлый снег | уплотненный снег | гололед | |||||||
| jп | bj | jп | bj | jп | bj | jп | bj | jп | bj | jп | bj | |
| Цементобетонное | 0,80-0,85 | 0,002 | 0,65- 0,70 | 0,0035 | 0,40-0,45 | 0,0025 | 0,15-0,35 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,08-0,15 | 0,002 |
| Асфальтобетонное с шероховатой обработкой | 0,80-0,85 | 0,0035 | 0,60-0,65 | 0,0035 | 0,45-0,55 | 0,0035 | 0,15-0,35 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,10-0,20 | 0,002 |
| Горячий асфальтобетон без шероховатой обработки | 0,80-0,85 | 0,002 | 0,50-0,60 | 0,0035 | 0,35-0,40 | 0,0025 | 0,15-0,35 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,08-0,15 | 0,002 |
| Холодный асфальтобетон | 0,60-0,70 | 0,005 | 0,40-0,50 | 0,004 | 0,30-0,35 | 0,0025 | 0,12-0,30 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,08-0,15 | 0,002 |
| Чернощебеночное и черногравийное с шероховатой обработкой | 0,60-0,70 | 0,004 | 0,50-0,60 | 0,004 | 0,30-0,35 | 0,0025 | 0,15-0,35 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,10-0,20 | 0,002 |
| То же, без обработки | 0,50-0,60 | 0,004 | 0,40-0,50 | 0,005 | 0,25-0,30 | 0,003 | 0,12-0,30 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,08-0,15 | 0,002 |
| Щебеночное и гравийное | 0,60-0,70 | 0,004 | 0,55-0,60 | 0,0045 | 03- 0,30 | 0,003 | 0,15-0,35 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,10-0,15 | 0,002 |
| Грунтовое улучшенное | 0,40-0,50 | 0,005 | 0,25-0,40 | 0,005 | 0,20 | 0,003 | 0,12-0,30 | 0,001-0,004 | 0,20-0,50 | 0,0025 | 0,08-0,18 | 0,002 |
Во всех расчетных формулах коэффициент сцепления необходимо принимать соответственно виду и состоянию покрытия, скорости движения. Исходя из этого максимально возможная скорость на горизонтальном участке и на подъеме по сцеплению колеса автомобиля с дорогой с учетом сопротивления качению определяется по формуле проф. А.П. Васильева:
где (4.6)
т — коэффициент сцепного веса (для легковых автомобилей 0,5-0,55, для грузовых 0,65-0,75).
Следует иметь в виду, что в нормативных документах обычно приведены значения коэффициента сцепления при скорости 60 км/ч. В этом случае, чтобы перейти к другой скорости, можно также пользоваться формулой (4.5), подставив вместо j20 значение j60, а вместо скорости 20 км/ч — скорость 60 км/ч.
При боковом скольжении колес используют коэффициент поперечного сцепления
Нормальные реакции дорожной одежды горизонтального участка на колеса неподвижного двухосного автомобиля
где
a, b — отрезки, определяющие положение центра тяжести автомобиля в продольной плоскости; L — база автомобиля (см. рис. 4.1).
При движении автомобиля возникают дополнительные силы и моменты, различные в разных условиях (подъем, разгон, торможение и т.д.), которые меняют указанное распределение нагрузок и реакций дорожной одежды.
Предельные значения нормальных реакций для двухосного автомобиля при различном расположении и числе ведущих колес, используемые при определении предельной по условию буксования тяговой силы:
ведущие — задние колеса
(4.7)
ведущие — передние колеса
(4.8)
ведущие — передние и задние колеса
где (4.9)
j — коэффициент сцепления.
Остальные обозначения приведены на рис. 4.1. Аналогичные формулы для трехосного автомобиля имеются в книгах теория автомобиля.
Нормальные и касательные силы, передающиеся на покрытие, обычно имеют динамический характер. Объясняется это главным образом условиями прохождения колеса через неровности покрытия, влиянием перегрузки колес от вращающего момента двигателя, переменных продольных и поперечных уклонов, действием центробежных сил на поворотах.
Безопасность движения на дорогах непосредственно связана с устойчивостью автомобиля. Под потерей устойчивости подразумевают скольжение или опрокидывание автомобиля. Различают продольную и поперечную устойчивость. Более вероятно нарушение поперечной устойчивости. Устойчивость автомобиля зависит от его параметров, продольного и поперечного профилей дороги, качества (шероховатости, ровности и т.д.) покрытия.
Для современных автомобилей с низко расположенным центром тяжести маловероятно опрокидывание в продольной плоскости. Возможно лишь буксование задних колес, вызывающее сползание автомобиля при преодолении крутого подъема большой протяженности. Подъем, который может преодолеть по условиям сцепления (без буксования):
а) автомобиль с задними ведущими колесами
при всех ведущих колесах tga £ j;
б) автомобиль-тягач с задними ведущими колесами
(4.11)
при всех ведущих колесах tga £ jG/(G + Gg), где
Gnp — полный вес прицепа с грузом, Н.
Устойчивость автомобиля по условиям сцепления на дороге с поперечным уклоном проезжей части (угол b) определяется неравенством tgb £ j (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Схема сил, соотношение между которыми определяет поперечную устойчивость движущегося автомобиля
Возможность поперечного опрокидывания автомобиля ограничена появлением бокового скольжения колес, если j £ В/2hg.
Чтобы обеспечить эффективность и безопасность движения транспортного потока, в составе которого имеются автомобильные поезда, состояние проезжей части должно удовлетворять более высоким требованиям, чем в случае движения только одиночных автомобилей.
При рассмотрении процесса взаимодействия автомобиля и дороги существенное значение имеет анализ влияния деформаций одежды на условия движения. На деформированную неровную поверхность покрытия автомобили оказывают дополнительное воздействие, вызванное ударами колес при проходе через неровности и повышенным давлением из-за колебания кузова и колес. Это в свою очередь приводит к дополнительным деформациям дорожной одежды в виде трещин, просадок, колей, выбоин, поперечных волн («гребенки»). При колебаниях кузова вследствие переменного давления колес покрытие истирается неравномерно. Неровности покрытия воздействуют на автомобиль, увеличивая колебания кузова и колес.
Автомобиль рассматривают как колебательную систему, состоящую из трех частей (масс); подрессоренной М и двух неподрессоренных т1 и т2 (рис. 4.6). К подрессоренной массе относят кузов с расположенной в нем нагрузкой b, раму с установленными механизмами. Неподрессоренными массами являются мосты (оси) в сборе, т.е. с тормозами, колесами, шинами.
Рис. 4.6. Колебательная система автомобиля
Практическое значение имеют линейные вертикальные колебания кузова (покачивание), его угловые колебания в продольной плоскости автомобиля (галопирование), угловые колебания в поперечной плоскости (пошатывание), колебание осей (мостов) в вертикальной плоскости.
Частота возмущающей силы при периодическом воздействии неровностей дороги на колеса автомобиля
где (4.12)
S — длина неровности, м.
Связь между частотой возмущающей силы, размерами неровностей проезжей части и скоростью движения Р.В. Ротенберг рекомендует устанавливать по характеристике плавности хода автомобиля (рис. 4.7). Подобные характеристики составляют исходя из удовлетворения трем критериям допустимых колебаний автомобиля.
Недопустимы колебания автомобиля, при которых: нарушается удобство езды (спокойствие, комфортабельность) пассажиров и водителей вследствие быстрой и интенсивной утомляемости; не обеспечивается устойчивость грузов в кузове; наступает опасность для прочности рессор, шин и других частей автомобиля из-за возникновения в них повышенных напряжений. Поданным проф. А.К. Бируля, при удовлетворении первого критерия второй и третий удовлетворяются автоматически.
Рис. 4.7. Характеристика плавности хода автомобиля:
I — недопустимые колебания; II — допустимые; III — вполне допустимые: уq — высота неровностей
Степень ощущения человеком колебаний определяют по формуле Целлера
L — энергия колебаний автомобиля, отнесенная к единице массы и к периоду колебания, см 2 /с 3 ;
L0 — относительная энергия колебания автомобиля, которая соответствует началу ощущения колебаний человеком, равная 0,5 см 2 /с 3 (порог раздражения).
Значение e, равное единице, называют палем. Колебания и связанные с ними ощущения характеризуют числами палей (табл. 4.5).
Шкала степени ощущения человеком колебаний автомобиля
| Характер воздействия колебаний автомобиля на человека | Число палей | Максимально допустимые ускорения, м/с 2 , при обычных частотах колебания кузова | |
| систематические | единичные | ||
| Неприятный, беспокоящий | 35-40 | 2-2,5 | 3-4 |
| Вредный при длительном воздействии | 45-55 | 3-4 | 5-7 |
| Вызывающий явления морской болезни | 60-70 | > 5 | >8 |
Неровности на покрытии вызывают дополнительное сопротивление движению, возникновение которого обусловлено затратой энергии на возбуждение колебаний кузова и колес. Эта энергия непрерывно рассеивается из-за межмолекулярного трения в рессорах, в узлах и деталях подвески, в шинах, на поверхности контакта колес с дорогой; дополнительное сопротивление обусловлено также рассеиванием энергии при ударах колес о неровности покрытия и осей (мостов) об ограничители хода.
Фактическое сопротивление движению на покрытиях с разной степенью ровности можно определить по формуле А. К. Бируля
a — коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей ходовых частей автомобилей (0,7 — для грузовых и 0,5 — для легковых);
V — скорость автомобиля, м/с;
SТХК — показатель толчкомера, см/км (см. гл. 3).
Степень ровности покрытия, обеспечивающая заданную расчетную скорость, зависит от допустимых амплитуд и ускорения колебаний автомобилей.
В реальных условиях размеры и расположение неровностей носят случайный характер. Каждое колесо на неровном покрытии испытывает множество нерегулярных импульсов, общий эффект которых вызывает сложные колебательные процессы автомобиля. При исследовании взаимодействия автомобиля и дороги Н.Я. Говорушенко применил теорию случайных (стохастических) функций. Сочетание этой теории с измерением ровности покрытий толчкомером ХАДИ позволило Н.Я. Говорушенко установить связь между суммой амплитуд (в см на 1 км дороги) относительных перемещений кузова и колес автомобиля (прогиб рессор) SТХК, средним квадратичным значением высот неровностей дороги sq, средней длиной неровности S и скоростью V:
где (4.15)
d — коэффициент, зависящий от параметров подвески автомобиля и нагрузки на автомобиль;
а1 — коэффициент корреляции.
На основании показания толчкомера и условий измерения ровности зависимость (4.15) позволяет судить о характере микропрофиля покрытия и обеспечиваемой скорости движения.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник статьи: http://studopedia.su/18_70291_vzaimodeystvie-avtomobilya-i-dorogi.html