Строительные машины и оборудование, справочник






Элементы теории автомобиля


Категория:
   Управление автомобилем


Элементы теории автомобиля

Автомобиль движется в результате совместного действия приложенных к нему сил, при этом наибольшее значение для оезопасности движения имеют режимы разгона, торможения автомобиля и такие его качества, как устойчивость, управляемость И Проходимость.

Силы, действующие на автомобиль, представляют собой силу тяжести Ga — вес автомобиля, тяговую силу Рк и силу сопротивления движению Рс .

Сила тяжести Ga для данного автомобиля с определенной нагрузкой является величиной постоянной и направлена вертикально вниз. Точка условного сосредоточения всей силы тя/жести автомобиля называется его центром тяжести ЦТ. Расположение центра тяжести зависит от типа автомобиля, от размещения в нем груза или пассажиров и оказывает большое влияние на режимы движения и качества автомобиля. Положение центра тяжести по высоте, также связанное с типом автомобиля и с характером груза, в решающей степени влияет на устойчивость автомобиля против опрокидывания.



У легкового автомобиля при равномерной загрузке центр тяжести располагается примерно посередине между осями, и вес автомобиля распределяется по осям одинаково.

У грузового автомобиля центр тяжести находится ближе к задней оси, поэтому на нее может приходиться около 75% веса автомобиля.

Рис. 1. Схема сил, действующих на автомобиль

Если на ходу разъединить двигатель и ведущие колеса, то за счет сопротивлений качению, подъему и сопротивления воздуха скорость движения станет снижаться, обусловливая замедление автомобиля. Благодаря возникшей в это время силе инерции автомобиль будет продолжать движение накатом. При этом замедление и сила инерции будут уменьшаться и, когда сила инерции станет равной силе сопротивления движению, автомобиль остановится.

В условиях городского движения автомобиль движется равномерно приблизительно 15—20% времени, 30—45% времени — ускоренно, 30—40% времени — накатом или с торможением.

Разгон автомобиля характеризуется его ускорением j величина которого в среднем равна 1—2 м/с2 и зависит от запаса тяговой силы. В начале разгона, когда запас тяговой силы быстро повышается, ускорение является наибольшим. С увеличением ускорения и скорости возрастают сопротивления качения, воздуха и инерции, вследствие чего запас тяговой силы, ускорение и скорость уменьшаются. Когда запас тяговой силы окажется исчерпанным, ускорение уменьшится до нуля, скорость станет постоянной и автомобиль будет двигаться равномерно.

По своему характеру торможение может быть служебным и экстренным. Служебное торможение, выполняемое с небольшим замедлением, предназначено для плавного снижения скорости автомобиля или его остановки в выбранном месте. Экстренное торможение необходимо для остановки автомобиля в кратчайшее время при неожиданном появлении препятствия и характеризуется максимальным замедлением. Поэтому тормозные механизмы могут создавать большие силы трения, значительный тормозной момент и тормозную силу.

Если тормозная сила Рх превысит силу сцепления Р9, то колеса окажутся полностью заторможенными (блокированными), и будет происходить их скольжение по дороге без вращения— юз. Коэффициент сцепления в таких условиях сильно уменьшается за счет трения шин о дорожное покрытие и их нагрева. В результате этого снижается сила сцепления Рч и действующая тормозная сила Рх , что резко ухудшает тормозные свойства автомобиля. Кроме того, следует иметь в виду, что вследствие неодинакового состояния дорожного покрытия и шин колес, различного состояния и регулировки их тормозов величина тормозных сил на колесах правой и левой стороны всегда различна, причем разница может достигать 5Q%. Это создает момент, поворачивающий автомобиль в поперечном направлении, и во время его движения юзом с малым коэффициентом сцепления поворачивающий момент вызывает боковой занос. Таким образом, экстренное торможение с чрезмерным усилием может обусловить юз колес, сопровождающийся падением тормозной силы и заносом автомобиля, угрожающих безопасности движения.

Усилие торможения и тормозная сила должны соответствовать величине силы сцепления Р , которая обусловлена, как видно из формулы (1), сцепным весом GK и коэффициентом сцепления ср. Сцепной вес автомобиля GK распределяется по осям в вышеуказанном соотношении, однако при разгоне и торможении происходит перераспределение сцепного веса, связанное с одновременным действием на автомобиль силы инерции и тяговой или тормозной силы.

Во время разгона сила инерции, приложенная в центре тяжести на высоте и направленная назад, вместе с тяговой силой, приложенной в точке контакта колеса с дорогой и направленной вперед, создают момент, стремящийся повернуть автомобиль в продольной вертикальной плоскости спереди назад. Это увеличивает нагрузку и сцепной вес, приходящиеся на заднюю ось, и уменьшает их действие на переднюю так, что благодаря упругости подвески задняя часть автомобиля опускается, а передняя приподнимается.

Рис. 2. Схема сил, действующих на ведущее колесо

При торможении сила Р, направлена вперед, а тормозная сила —назад, за счет чего их момент стремится повернуть автомобиль в направлении сзади вперед. В это время сцепной вес на передней оси возрастает, а на задней уменьшается на 15—20:%, что проявляется в приподнимании задней части автомобиля и в опускании его передней части. Такое перераспределение сцепного веса по осям увеличивает силу сцепления Pv передних колес и снижает ее величину на задних колесах, за счет чего возрастает вероятность юза и заноса задних колес.

Чтобы улучшить тормозные свойства автомобиля и уменьшить опасность заноса, применяются передние тормоза, создающие повышенную тормозную силу, и автоматический регулятор тормозных сил задних тормозов.

Коэффициент сцепления определяется типом дорожного покрытия и зависит от свойств, шероховатости, влажности и загрязненности его поверхности, рисунка, глубины протектора и свойств шин, а также режима движения автомобиля.

Тормозные свойства автомобиля в решающей степени влияют на безопасность дорожного движения, так как из-за неисправностей тормозной системы происходит свыше 50% всех дорожно-транспортных происшествий, связанных с техническим состоянием транспортных средств. Поэтому в СССР введен отраслевой стандарт (ОСТ 37.001.016—70) на тормозные свойства автомобилей, которые оцениваются длиной тормозного пути и величиной замедления при торможении. Согласно ГОСТу при температуре тормозных барабанов не более 100 °С легковые автомобили должны обладать замедлением не менее 7 м/с2, грузовые —не менее 5,5 м/с2. При этом тормозной путь легкового автомобиля с начальной скоростью торможения 80 км/ч должен быть не более 43,2 м, грузового автомобиля с начальной скоростью 70 км/ч — не более 44,8 м.

Устойчивость автомобиля характеризуется его способностью сохранять заданное направление движения, противостоять заносу и опрокидыванию. Она зависит от конструктивных особенностей ходовой части, рулевого управления и тормозов автомобиля.

Сохранение направления движения связано со свойством стабилизации управляемых колес, когда они при повороте стремятся вернуться в устойчивое среднее положение.

Кроме стабилизации, на сохранение направления движения влияет поворачиваемость автомобиля, определяющая его движение при действии боковых сил и связанная с углом бокового увода колес, вызванного боковой эластичностью шин. Угол бокового увода между направлением качения диска колеса и направлением качения его шины образуется при деформации шины под действием боковых сил. Его величина при постоянной боковой силе зависит от таких факторов, как размер и конструкция шин, давление воздуха в них, нагрузка на колеса, которыми определяется эластичность шин.

Недостаточная поворачиваемость проявляется как чрезмерная устойчивость автомобиля в направлении движения, что требует при повороте повышенного усилия и угла поворота рулевого колеса. Она обусловлена большим углом увода передних колес,, чем задних, и обычно связана с пониженным давлением в шинах передних колес или увеличенной нагрузкой на них. При действии боковой силы увеличивается угол увода передних колес (начинается их качение с проскальзыванием), и автомобиль хуже слушается руля, т. е. теряет устойчивость движения. Когда боковая сила превысит силу бокового сцепления колес с дорогой, они начинают скользить, и автомобиль движется неустойчиво, не случаясь поворота руля и колес.

Избыточная поворачиваемость сопровождается неустойчивым движением автомобиля с его стремлением отклониться от заданного направления под действием боковой силы, что обусловлено повышенным углом увода задних колес. Боковая сила создает опрокидывающий момент, и, если его величина превышает восстанавливающий момент автомобиля, он опрокидывается. При большом восстанавливающем моменте с увеличением боковой силы до значения силы сцепления растет угол бокового увода задних колес, и, когда их качение превращается в боковое скольжение, происходит потеря устойчивости и занос автомобиля.

Занос представляет собой поворот автомобиля около одной из осей или центра тяжести под действием боковых сил вследствие скольжения колес одной из осей автомобиля, иногда — обеих осей. Боковые силы возникают во время ударов и толчков дорожных неровностей, при движении по дороге с поперечным уклоном или на повороте, из-за сильного бокового ветра, а также при торможении вследствие неодинакового состояния и регулировки тормозов.

Рис. 3. Схема сил, действующих при заносе автомобиля: а — занос передней оси; б — занос задней оси

На поворачиваемость и опасность заноса влияют тяговая и тормозная силы задних ведущих колес. Когда величина той или другой силы растет, увеличивается угол увода задних колес, поэтому при резком разгоне или торможении повышается поворачиваемость автомобиля и усиливается опасность заноса. Если величина этих сил достигает значения силы сцепления колес и дороги, то резко падает коэффициент сцепления, колеса пробуксовывают или скользят. Угол увода колес становится бесконечно большим, и уже под действием незначительной боковой силы происходит занос задней оси. Поэтому при движении на повороте во время действия на автомобиль центробежной боковой силы особенно опасны резкий разгон или торможение.

Признаком начавшегося гидроскольжения во время прямолинейного движения является резкое снижение усилия на рулевом колесе и ухудшение управляемости при изменении направления движения. Для прекращения этого явления необходимо снизить скорость, учитывая, что в это время имеют сцепление с дорогой и могут обеспечивать торможение только задние колеса. Гидроскольжение задних колес не возникает, так как слой влаги перед ними разрушается передними колесами.

Чтобы предупредить гидроскольжение, необходимо не допускать снижения давления в шинах передних колес против нормы, так как это уменьшает скорость начала гидроскольжения, увеличивая его вероятность. Грузовые автомобили имеют повышенную норму давления в шинах, поэтому гидроскольжение у них связано с высокой начальной скоростью и практически не возникает.

Управляемость автомобиля представляет собой его способность изменять направление движения в соответствии с воздействием водителя на рулевое колесо. Она определяется конструкцией, а также техническим состоянием рулевого управления и ходовой части, которые должны обеспечивать качение управляемых колес во время прямолинейного движения в плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля, а при повороте — по концентрическим окружностям с центром на продолжении линии задней оси.

Направление движения автомобиля не соответствует повороту рулевого колеса, если указанные условия нарушены, и колеса катятся с проскальзыванием. Это происходит вследствие пониженного давления в шинах управляемых колес, неправильной установки их углов развала и сходимости.

Повышенный свободный ход рулевого колеса требует от водителя увеличения углов его поворотов при управлении автомобилем, что вызывает быстрое утомление водителя и, кроме того, приводит к возрастанию времени срабатывания рулевого управления. Из-за этого при движении с повышенной скоростью водитель для своевременного изменения направления движения вынужден поворачивать рулевое колесо очень быстро, резко, что не позволяет ему плавно и безопасно изменять направление движения автомобиля. Свободный ход рулевого колеса увеличивается при возрастании зазоров в сопряжениях или ослабления креплений деталей управляемых колес, передней оси и подвески, рулевого привода и рулевого механизма.

Уменьшенный свободный ход рулевого колеса, вызванный нарушением регулировки зацепления червяка и ролика рулевого механизма, обусловливает слишком быстрое срабатывание рулевого управления и изменение направления движения автомобиля. За это короткое время водитель не успевает правильно воспринять и оценить поворот автомобиля, из-за чего ошибочно выбирает последующее управляющее действие, чем создает опасную дорожно-транспортную ситуацию.

Затрудненный поворот рулевого колеса заставляет водителя прикладывать повышенные усилия при управлении, быстро утомляет его и не позволяет точно придавать автомобилю необходимое, безопасное направление движения. Причинами этого являются понижение давления в шинах управляемых колес, нарушение установки углов развала колес и продольного наклона шкворня, чрезмерная затяжка деталей рулевого управления или повреждение их поверхностей.

Проходимость автомобиля характеризует его приспособленность к дорожным условиям. Она представляет собой способность технически исправного и груженного в пределах установленной нормы автомобиля двигаться с требуемой скоростью в данных дорожных условиях. К основным показателям проходимости относятся опорно-сцепные (тяговые) и геометрические.

Колесная формула, отражающая соотношение между общим числом колес автомобиля и числом его ведущих колес, связана с тяговой способностью автомобиля в различных дорожных условиях. По колесной формуле различают автомобили ограниченной проходимости с одной или двумя задними ведущими осями (4X2, 6X4), повышенной проходимости со всеми двумя или тремя ведущими осями (4×4, 6X6), высокой проходимости со всеми четырьмя и более ведущими осями (8X8). На грунтовых дорогах и в условиях бездорожья проходимость автомобиля повышается с увеличением числа ведущих колес. Это связано с тем, что крутящий момент двигателя распределяется по всем ведущим колесам, вследствие чего тяговая сила на каждом из них становится ниже, и буксование начинается при меньших значениях коэффициента сцепления.

При полном совпадении колеи, когда К—1, задние колеса катятся по грунту, уплотненному передними колесами, и сопротивление их качению невелико. Если Кф 1, то задние колеса встречают значительное сопротивление мягкого грунта и дополнительное сопротивление в виде плотных стенок колеи, образованной передними колесами. Поэтому автомобили повышенной и высокой проходимости для полного совпадения колеи имеют на задних осях одинарные колеса.

Склонность колес автомобиля к буксованию обусловлена конструкцией дифференциала, распределением веса автомобиля по осям и рисунком протектора шин.

Шестеренный дифференциал малого внутреннего трения обусловливает буксование одного из ведущих колес уже при небольшом снижении коэффициента его сцепления и увеличении сопротивления качению другого колеса. Дифференциал повышенного внутреннего трения, например кулачковой конструкции, обеспечивает повышение проходимости за счет более позднего начала буксования колеса при значительном уменьшении коэффициента его сцепления.

Снижение сцепного веса на ведущей оси уменьшает силу сцепления ее колес с дорогой, за счет чего падает значение тяговой силы, при которой начинается буксование.

Рисунок протектора шины с глубокими канавками, ребрами, выемками, специальными грунтозацепами обусловливает высокий коэффициент ее сцепления и малую склонность к буксованию колеса. Для повышения проходимости на автомобиль устанавливаются колеса с шинами, имеющими универсальный рисунок протектора или рисунок повышенной проходимости, отличающийся наличием грунтозацепов.

Геометрические показатели проходимости автомобиля объединяют в себе дорожный просвет, радиусы продольной и поперечной проходимости, радиус поворота, передний и задний углы проходимости.

Дорожный просвет (клиренс) — это расстояние между низшей точкой автомобиля и ровной поверхностью дороги (рис. 5). Оно обусловливает возможность движения автомобиля без задевания через дорожные препятствия соответствующей наибольшей высоты.

Рис. 5. Геометрические параметры проходимости автомобиля

Передний и задний углы проходимости (углы свеса) образуются поверхностью дороги и плоскостью, касательной к передним или задним колесам и к низшим точкам передней или задней части автомобиля. Углы проходимости определяют высоту препятствия, через которое могут переехать колеса автомобиля при движении передним или задним ходом.

На основе рассмотренных элементов теории автомобиля водитель должен изучить поведение управляемого им автомобиля

на различных скоростях движения, а также во время разгона и торможения, при изменении нагрузки, высоты центра тяжести, давления в шинах, состояния дороги.

Мощность двигателя. Источником энергии, необходимой для движения автомобиля, является его двигатель. Работу двигателя характеризует эффективная мощность и удельный расход топлива

Среднее индикаторное давление на различном скоростном режиме, т. е. при различной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Для заданных конструктивных параметров двигателя (объем и число его цилиндров), которые остаются неизменными в процессе эксплуатации, эффективная мощность его и удельный расход топлива существенно зависят от ряда причин.

Мощность и удельный расход топлива зависят от регулировки и технического состояния всех систем двигателя.

Все силы, возникающие в двигателе, это силы внутренние, они не могут вывести автомобиль из состояния покоя. Однако крутящий момент, который возникает на коленчатом валу двигателя и передается через агрегаты трансмиссии (сцепление, коробку передач, карданный вал, главную передачу, дифференциал и полуоси) стремится вращать ведущие колеса.

Рис. 1. Баланс мощности автомобиля ЗИЛ-130

Если между шинами колес и опорной поверхностью нет сцепления, т. е. отсутствует сила трения покоя, то колеса будут буксовать, а автомобиль останется неподвижным, так как крутящий момент Мк и окружная сила на шинах колес,— это внутренние силы. На дороге или на барабанах динамометрического стенда возникает достаточная сила трения покоя, как бы толкающая автомобиль и действующая всегда в сторону, противоположную направлению возможного скольжения колес.

При движении автомобиль испытывает сопротивления качению, подъему и воздушной среды. При изменении скорости движения возникают силы инерции, на преодоление которых требуется соответствующая мощность. Сумма сил сопротивления движению автомобиля зависит от условий эксплуатации, т. е. от дорожных условий и скорости движения. На ровном асфальтобетонном покрытии сила сопротивления невелика, так как сопротивление качению колес по асфальтобетону составляет не более 2—2,5% от полного веса автомобиля. На грунтовой дороге, на подъеме, при ускорении движения сопротивление движению существенно возрастает. Необходимое изменение движущей силы в различных дорожных условиях достигает 10 раз и более. Соответственно должен меняться крутящий момент, подводимый к ведущим колесам от двигателя.

Таким образом, чтобы автомобиль мог двигаться в различных дорожных условиях, иметь разную скорость, преодолевать силы инерции при троганип с места и ускорении движения, необходимо иметь возможность изменять крутящий момент на его ведущих колесах в весьма широком диапазоне (пределах).

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания, карбюраторный или дизельный может в очень широком диапазоне (от 600 до 3000—4000 об/мин) изменять частоту вращения коленчатого вала, однако диапазон изменения величины развиваемого крутящего момента невелик, не более 25% от максимального значения. Поэтому в трансмиссию автомобиля вводится многоступенчатая коробка передач, позволяющая за счет потери скорости движения увеличивать крутящий момент на ведущих колесах при включении промежуточных передач в 10 раз и более. Между скоростью движения автомобиля и частотой вращения % коленчатого вала двигателя имеется следующая зависимость:

Рис. 2. Крутящий момент Мк на ведущих колесах автомобиля ЗИЛ-130:

Рис. 3. Схема пробуксовки сцепления автомобиля:
1 — ведущий диск; 2 — упор пружины; 3 — ведомый диск; а — б — дуга (угол) пробук< совки дисков

Остальные обозначения прежние.

Разность между мощностью на ведущих колесах автомобиля и мощностью, необходимой для его движения, составляет запас мощности, который можно использовать на разгон автомобиля. Величина среднего ускорения при разгоне зависит от величины среднего запаса мощности между начальной и конечной скоростями разгона и может быть вычислена по графику мощностного баланса.

Такая же зависимость существует между мощностью Nj сопротивления качению, мощностью сопротивления воздушной среды и мощностью, необходимой на разгон автомобиля и соответствующими силами.

Торможение автомобиля. Так же, как движение, так и торможение автомобиля возможно лишь за счет внешней силы, действующей в контакте шины с опорной поверхностью, но направленной против движения автомобиля. Касательное тормозное усилие воз» пикает при замедлении вращения колес вследствие нажатия колодок с накладками на тормозной барабан. До момента полного прекращения вращения колеса (блокировка колеса) между тормозным барабаном и тормозными накладками действует сила трения скольжения, происходит нагрев тормозного механизма, а в плоскости контакта шины с опорной поверхностью действует сила трения покоя. С момента блокировки колеса относительное перемещение накладок и барабана не происходит (действует сила трения покоя — сцепления), а невращающееся колесо скользит по дороге в направлении первоначального движения автомобиля. В контакте шины действует сила трения скольжения, которая на 25—30% меньше силы трения покоя; поэтому наиболее интенсивное торможение происходит при таком нажатии тормозных накладок на барабан, при котором скольжение колес еще не происходит.

Рис. 4. Схема торможения колеса:
а— без блокирования; б — с блокированием (юз); 1 — направление вращения; 2 —направление движения; 3— плоскость трения скольжения; 4 — то же, покоя

Рис. 5. Схематическая тормозная диаграмма:
а — без блокирования колес; б — с блокированием

Торможение автомобиля характеризуют путь торможения и замедление.

При торможении на сухом асфальтобетонном, цементобетонном и аналогичных покрытиях величина замедления достигает 7,85 м/с2. При обычном (служебном) торможении замедление не превышает 2,5 м/с2. В этих расчетах коэффициент сцепления принимался равным 0,8.

Рис. 6. Передняя независимая пружинная подвеска:
а — силы, приложенные к колесу и пружине; б — запись (осциллограмма) колебаний бе» сопротивления — свободные колебания; в — запись затухающих колебаний; 1 — пружины; 2 — амортизатор

Если в подвеске отсутствует сопротивление упругим колебаниям пружины после первоначального толчка, то колебания будут незатухающими. Эти свободные колебания характеризуются амплитудой А, т. е. наибольшим отклонением от среднего положения, периодом П — временем между двумя последовательными наибольшими отклонениями в одну сторону, частотой колебаний— числом колебаний в минуту (частота по величине обратна периоду) и ускорением перемещения во время колебаний.

Внутреннее трение в подвеске недостаточно для того, чтобы быстро «успокоить» колебания автомобиля после толчка. Поэтому в подвеску вводят дополнительное гидравлическое сопротивление — амортизатор, в котором при колебаниях происходит перекачивание специальной жидкости из одной полости в другую. При наличии амортизатора, создающего значительное сопротивление, особенно при «отдаче», т. е. при распрямлении пружины (рессоры), колебания быстро затухают. Амортизатор, поглощая энергию упругого элемента, гасит колебания пружины.

С течением времени пружины и рессоры подвески «проседают», т. е. жесткость их уменьшается, а амортизатор создает все меньшее сопротивление из-за возможного вытекания жидкости. Подвеска начинает «пробивать», и плавность хода автомобиля резко ухудшается.

Читать далее:

Категория: - Управление автомобилем

Главная → Справочник → Статьи → Форум



Разделы

Строительные машины и оборудование
Для специальных земляных работ
Дорожно-строительные машины
Строительное оборудование
Асфальтоукладчики и катки
Большегрузные машины
Строительные машины, часть 2,
Дорожные машины, часть 2
Ремонтные машины
Ковшовые машины
Автогрейдеры
Экскаваторы
Бульдозеры
Скреперы
Грейдеры Эксплуатация строительных машин
Эксплуатация средств механизации
Эксплуатация погрузочных машин
Эксплуатация паровых машин
Эксплуатация экскаваторов
Эксплуатация подъемников
Эксплуатация кранов перегружателей
Эксплуатация кузовов машин
Крановщикам и стропальщикам
Ремонт строительных машин
Ремонт дорожных машин
Ремонт лесозаготовительных машин
Ремонт автомобилей КАмаЗ
Техническое обслуживание автомобилей
Очистка автомобилей при ремонте
Материалы и шины