Тормозные свойства автомобиля

Автомобиль в условиях его эксплуатации должен обладать способностью не только к быстрому разгону, но и к быстрому снижению скорости и к внезапной остановке. От эффективности торможения зависят два важных качества автомобиля: безопасность и производительность.

Потребность в торможении возникает в случае необходимости снизить скорость движения; остановить автомобиль; предотвратить превышение скорости; удержать транспортное средство в неподвижном состоянии на стоянке; повысить маневренность машины за счет подтормаживания борта.

Различают следующие способы торможения:

• двигателем автономно;
• двигателем совместно с тормозами;
• с отключенным от трансмиссии двигателем системой тормозов, действующей на все колеса автомобиля, в том числе и на колеса прицепа.

Если к ведущим колесам прекращается передача от двигателя тягового усилия, то автомобиль продолжает в течении некоторого времени двигаться по инерции, накатом. Для этого случая движения уравнение тягового баланса принимает вид:

Р_j = Р_w + Р_f ± Р_h.

На хорошей горизонтальной дороге движение накатом может происходить на расстоянии в несколько сот метров, поэтому в случае необходимости быстрой остановки автомобиля приходится прибегать к помощи тормозов.

При торможении с моментом на тормозных колодках М_Тмежду колесами и дорогой возникает тангенциальная реакция, направленная против движения автомобиля:

Р_Т = М_Т/r_к.

На величину этих реакций, помимо тормозных моментов, оказывают влияние крутящие моменты. Крутящий момент от двигателя ничтожно мал, так как в процессе торможения орган управления режимом работы двигателя находится в положении минимальной подачи топлива (режим холостого хода). Однако, инерционный момент, создаваемый вращающимися деталями двигателя (особенно маховиком), может быть значительным. Торможение с выключенным сцеплением исключает влияние этого момента на процесс торможения.

Величина тормозных сил ограничивается условиями сцепления колес с опорной поверхностью (φ). Так как обычно все колеса автомобиля снабжаются тормозами, то общая максимальная тормозная сила по условию сцепления колес с опорной поверхностью для всего автомобиля равна:

Р_{Т мах} = φ·G.

На скользкой дороге торможение с блокировкой колес малоэффективно, так как в этом случае коэффициент сцепления для колес φпадает, что может привести к потере устойчивости автомобиля. Поэтому торможение считается наиболее эффективным, когда оно происходит на пределе блокировки колес. Силы сопротивления воздухаР_wи качениюР_fоказывают на автомобиль дополнительное тормозящее действие. Однако, их относительное воздействие на автомобиль в процессе его торможения вследствие низкой скорости не велико. Поэтому тяговый баланс при торможении автомобиля на горизонтальной дороге

Р_j = Р_Т + Р_w + Р_f

в упрощенном виде может быть выражен уравнением:

Р_j≈Р_Т.

При максимальных значениях Р_jиР_Т имеет место равенство:

.

Отсюда величина максимального замедления при торможенииопределится по формуле:

j_max =.

Без учета сопротивления воздуха, но с учетом сопротивления качению действительна следующая формула:

j_max = .

Указанные величины предельных замедлений (отрицательных ускорений) могут быть получены лишь в том случае, когда тормозные силы на всех колесах достигнут своей максимальной величины по сцеплению с дорогой.

Из последнего уравнения видно, что вращающиеся массы автомобиля уменьшают величину замедления при торможении. Выключая сцепление, можно уменьшить инерцию вращающихся масс благодаря отключению маховика и ведущей части сцепления.

Подставляя в это уравнение значения коэффициентов сцепления колес с опорной поверхностью, соответствующих различным дорожным покрытиям, можно найти максимальные величины замедлений, которые могут быть достигнуты при торможении автомобиля на этих дорогах.

Например, если принять g= 9,81м/с²;δ_вр= 1,05 (сцепление выключено) иφ= 0,8 (сухое асфальтовое шоссе), то величина замедления равна:dv/dt= 7,5м/с². Очевидно, что это и будет величина, близкая к предельному значению для всех возможных случаев торможения с выключенным сцеплением.

Выключение сцепления целесообразно лишь при резких торможениях и при торможении до полной остановки. При плавных торможениях двигатель, наоборот, оказывает тормозящее действие благодаря трению и сопротивлению сжатия заряда в цилиндрах двигателя. Опыты показали, что на сухой дороге за счет торможения двигателем тормозной путь может быть сокращен на 25…40%.

Целесообразно использовать торможение двигателем в сочетании с плавным торможением колесными тормозами при движении на спусках (в горных условиях) и на скользкой дороге, так как при этом тормозное усилие более равномерно распределяется между колесами, препятствуя их блокировки.

Время торможенияза период изменения скоростей движения от момента начала торможения до его окончания отыщется как:

, или

t_min = (v₁ – v₂).

Если торможение производится до полной остановки автомобиля (v₂= 0), то:

t_min = .

При торможении нагрузка с задних колес автомобиля перераспределяется на передние. Для того чтобы торможение происходило с максимальной эффективностью, тормозные силы должны распределяться по колесам пропорционально приходящимся на них весовым нагрузкам.

Распределение тормозной силы между колесами.Полное торможение колеса, когда оно перестает вращаться и перемещается только благодаря скольжению (юзом), принято называтьблокировкой колес при торможении. При блокировке практически нарушается сцепление колеса с дорогой в направлении действия, как касательных, так и боковых сил. Особенно опасна блокировка ведущих колес на скользкой дороге. В подобных условиях слабого сцепления не удается погасить торможением кинетическую энергию движения автомобиля, что обуславливает не только разворот машины, а придает ей вращательное движение.

Распределение тормозных усилий между мостами (осями) автомобиля влияет на полноту использования им сцепных свойств. Для неподвижного автомобиля нормальные реакции дороги Z₁ = G₁иZ₂ = G₂(рис.7). При торможении автомобиля реакцияZ₁ на передние колеса увеличивается, а реакция на задние колесаZ₂– уменьшается, при этом автомобиль как бы «клюет» (наклоняется) вперед.

Рис.7. Распределение веса автомобиля между колесами переднего и заднего мостов.

Для количественной оценки этого явления вводится понятие коэффициента изменения реакций m_р, который представляет собой отношение нормальной реакции, действующей на ось автомобиля при его движении, к реакции, действующей на ту же ось неподвижного автомобиля:

;;.

При торможении автомобиля на горизонтальной дороге эти коэффициенты становятся равными:

;;,

где h_ц,aиbкоординаты центра массы автомобиля (рис.7).

Значения коэффициентов изменения реакций во время торможения находятся в пределах: m_р1= 1,5…2,0;m_р2= 0,5…0,7. Величины нормальных реакций найдутся как:Z₁ = m_р1 G₁иZ₂ = m_р2G₂, тормозные усилия:Р_Т1 =φ Z₁;Р_Т2 =φ Z₂.Коэффициент β₀ распределения тормозной силыР_Тмежду переднимиР_Т1 и заднимиР_Т2 колесами автомобиля определяют по формуле:

;;.

Полное использование сцепления с дорогой возможно при условии соблюдения соответствия между тормозными силами и нормальными реакциями дороги, когда передние и задние колеса автомобиля одновременнонаходятся в условиях, соответствующих пределу их блокировки, то есть коэффициентβ₀для этого случая должен быть равен:

.

Таким образом, полное использование сцепного веса автомобиля при торможении возможно только при условии, если тормозная сила в этом процессе будет изменяться автоматически и приводится в соответствие с изменением реакций дороги на колесо. С этой целью на современных автомобилях устанавливают регуляторы тормозных сил, которые изменяют соответствующим образом давление жидкости в системе привода тормозов, передних и задних колес.

Регуляторы тормозных сил распределяют тормозные усилия только между осями автомобиля, но не участвуют в перераспределении этих сил меду всеми колесами. В целях предотвращения заноса устанавливают еще и антиблокировочные устройства (АБС). Эти устройства создают оптимальный пульсирующий тормозной момент на колесах на пределе скольжения (блокировки). Их применение исключает блокировку колес, повышая безопасность и эффективность тормозного процесса в условиях дорожных покрытий с неодинаковыми локальными коэффициентами сцепления (лужи, лед и т.д.).

Тормозной путь. Наиболее часто применяют оценочный показатель эффективности торможения – тормозной путьS_Т. Минимальный тормозной путьS_Тmin при максимальном замедлении определяют по условию равенства кинетической энергии торможения [0,5m_п(v₁²—v₂²)] и работы тормозных сил (Р_{т мах}S_Тmin). Для горизонтального участка пути соблюдается равенство:

Р_{т мах}S_Тmin= 0,5m_п(v₁²—v₂²) ,

где m_п=δ_вр G/g– приведенная масса автомобиля.

Откуда:

.

Считая, что торможение осуществляется всеми колесами (Р_{т мах}= φ·G) до полной остановки (v₂= 0), окончательно имеем:

.

Из приведенных выше уравнений видно, что время торможения и тормозной путь могут изменяться в широких пределах в зависимости от коэффициента сцепления φ, то есть от дорожных условий. На дорогах с мокрым или грязным дорожным покрытиемφ= 0,2. Для сухих асфальтовых или бетонных дорогφ= 0,85.

Коэффициент δ_вручитывает влияние момента инерции вращающихся масс автомобиля и двигателя. Поэтому, когда двигатель соединен с трансмиссией автомобиля, часть энергии торможения расходуется на поглощение кинетической энергии маховика и других вращающихся деталей двигателя. При выключенном сцеплении его величина может быть принята равной 1.

Время торможение возрастает пропорционально скорости движения автомобиля, а тормозной путь пропорционально квадрату скорости. Он зависит также от реакции водителя, времени срабатывания тормозов и других факторов. Поэтому реальный тормозной путь с учетом эксплуатационных условийторможения будет отличаться (в сторону его увеличения) от расчетной величины. Например, длина тормозного пути при торможении на скорости 50км/чсоставляет для легкового автомобиля класса ГАЗ-3110 примерно 15м.

Торможение двигателем обычно применяют на затяжных спусках и в условиях недостаточного сцепления колес с дорогой. Чем ниже передача, на которой автомобиль движется, тем выше момент сопротивления, создаваемый двигателем (из-за большего передаточного числа в трансмиссии от ведущего колеса к двигателю). При движении по скользкой дороге рекомендуется тормозить без разъединения двигателя с трансмиссией для исключения блокировки ведущих колес.

Топливная экономичность автомобиля

В качестве показателей топливной экономичности автомобилей принят расход топлива в кгилилитрахна 100кмпройденного пути.

Экономичность автомобиля зависит от экономичности его двигателя и затрат мощности на преодоление сопротивлений движению. Показателями топливной экономичности автомобильного двигателя служат: удельный эффективный расход топлива g_е(г/кВт.ч) и эффективныйКПД η_е.

Эти показатели не могут в полной мере отражать эффективность топливной экономичности автомобиля. При известных величинах часового расхода топлива (G_Т=g_еN_е) двигателем и скорости движения автомобиля, связь между топливной экономичностью двигателя и автомобиля может быть выражена формулой:

,л/100 км, (0)

или Q_s= ,кг/100 км,

где Q_s– расход топлива автомобилем влиликгна 100кмпробега;

v– скорость движения автомобиля,км/ч;

ρ– плотность топлива,кг/л;

N_е – эффективная мощность ДВС, соответствующая режиму движения автомобиля на данной скорости,кВт;

g_е– удельный эффективный расход ДВС,г/(кВт·ч).

В приведенной формуле время t₁₀₀прохождения автомобилем 100кмпути определено как 100/v.

Топливная экономичность автомобиля зависит от конструктивных и эксплуатационных факторов. Удельный эффективный расход топлива двигателя определяется уровнем совершенства его конструкции и параметрами скоростных и нагрузочных характеристик.

Эффективная мощность двигателя в режиме движения автомобиля на данной скорости равна сумме мощностей, затрачиваемых на преодоление всех сопротивлений (см. раздел Тяговый и мощностной балансы автомобиля). Поэтому приведенную выше формулу можно представить в таком виде:

.

Последняя зависимость показывает, что расход топлива автомобилем возрастает с увеличением мощности, необходимой на преодоления сопротивления в трансмиссии N_тр, а также сопротивлений дороги N_ψ=N_f + N_h и воздуха N_w. Плотность топлива ρвведена в зависимость для перевода расхода из единиц массы в литры, так как заправку топливного бака оценивают в литрах.

Мощность двигателя, которая затрачивается на движение автомобиля по заданной дороге, определяют из уравнения мощностного баланса:

. (1)

Тогда:

. (2)

Как видно, эффективная мощность двигателя при движении автомобиля без ускорения расходуется на преодоление суммарных сил дорожного сопротивления (качения и подъема), сопротивления воздуха с учетом потери энергии в трансмиссии η_тр.

Использование уравнения для теоретического определения путевого расхода топлива Q_sзатруднено из-за того, что удельный эффективный расход топлива двигателем меняется в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов его работы. При отсутствии этих характеристик, приближенно удельный эффективный расход топлива двигателем определяют по эмпирической зависимости:

g_e = g_N·k_n·k_N, (3)

где g_N— удельный эффективный расход топлива при максимальной (номинальной) мощности двигателяN_емах(берется согласно результатам теплового расчета двигателя);

k_n— коэффициент, учитывающий изменение удельного эффективного расхода топлива в зависимости от частоты вращения вала двигателя (таблица 2);

k_N — коэффициент, учитывающий изменение удельного эффективного расхода топлива в зависимости от мощности двигателя (табл. 3.5).

Частота вращения вала двигателя для рассчитываемого скоростного режима автомобиля vопределяется как:

,(4)

где u_к— передаточное число коробки передач;

u₀— передаточное число главной передачи;

r_k— радиус качения колеса автомобиля.

Таблица 3.5.

Значение коэффициентов k_N и k_n для бензиновых двигателей и дизелей

Режим работы двигателя	kN для бензинового двигателя	kN для дизеля	kn для всех двигателей
Ne / Nемах , n/nN
0,2	1,25	0,85	1,1
0,4	0,88	0,82	1,0
0,6	0,75	0,72	0,8
0,8	0,72	0,72	0,8
1,0	0,75	0,75	1,0

Примечание: N_e / N_емах – отношение текущей эффективной мощности двигателя к максимальной (для оценки коэффициента k_N ) ; n/n_N – отношение текущей частоты вращения к частоте, соответствующей максимальной мощности (для оценки коэффициента k_n ).

Расход топлива в литрах на 100 кмпройденного пути подсчитывают не менее, чем для пяти скоростных режимов движения автомобиля на данной передаче по хорошей горизонтальной дороге (с коэффициентом сопротивления качениюψ₁ = f₁) и дороге несколько худшего качества (ψ₂ = f₂). Обычно для автомобиля, имеющего четырехступенчатую коробку передач, расчет проводят для высшей (прямой) передачи. Для легкового автомобиля с пятиступенчатой коробкой передач рассчитывают топливно-экономическую характеристику для двух передач: четвертой и пятой.

Разделив диапазон изменения скорости автомобиля на рассчитываемой передаче от v_min до v_max на несколько (например, пять) интервалов, для каждого значения скорости опреде­ляют по формуле (4) соответствующую ей частоту вращения двигателя n, а затем -отношение n/n_N , и с помощью таблицы 2 на­ходят значение k_n .

Для одного из значений v₁ по формуле (1) или по графику мощностного баланса определяют мощность двигателяN_eна данной скорости, которая затрачивается на преодоление всех сопротивлений движению. Затем находят отношение N_e / N_емах, а далее по табл. 2 определяют коэффициент k_N. Подставляя найденные значения k_nи k_N в формулу (3), вычисляют значение g_e , а затем по формуле (2) определяют путевой расход топлива Q_s при движении автомобиля со скоростью v₁ по дороге с дан­ным коэффициентом сопротивления качению f. Повторив расчеты для других значений v, по полученным точкам строят топливно-экономическую характеристику автомобиля для данной передачи. Расчеты могут проводится для нескольких значений f. Например, для сухой асфальтовой дороги f₁ = 0,015 и для грунтовой дороги f₂ = 0,03 и т.д. (рис.8).

По данным расчета строят экономическую характеристику Q_s =f(v). На рис.6 приведен вариант выполнения экономической характеристики автомобиля.

На построенной экономической характеристике выделяют точку (скоростной режим движения машины), соответствующую минимальному путевому расходу топлива и соответствующую ей скорость, которую называютэкономичной.

На пониженных передачах путевой расход топлива возрастает, так как увеличивается число оборотов двигателя на единицу пройденного пути. При последовательном увеличении скорости движении автомобиля от минимально устойчивой скорости на прямой передачи расход топлива несколько уменьшается в связи с переходом на более экономичный режим работы двигателя. Это соответствует характеру протекания кривой удельного эффективного расхода топлива по его внешней скоростной характеристике. Далее, в связи с увеличением сопротивления воздуха (оно возрастает пропорционально квадрату скорости) и переходом работы двигателя на менее экономичные режимы начинает повышаться.

Рис.8. Топливно-экономическая характеристика автомобиля.

Построенная таким образом топливно-экономическая характеристика представляет собой график зависимости путевого расхода топлива от скорости автомобиля v (рис. 8 и 9). Этот график характеризует топлив­ную экономичность автомобиля при равномерном движении и позволяет определить расход топлива по известным величинам v и \|/. Например, при движении автомобиля со скоростью v₁ по дороге, качество которой характеризуется коэффициентом ψ₁, расход топлива равен q_nl.

Можно решить и обратную задачу: определить максимально возмож­ную скорость, которую может развивать автомобиль при данном расходе топлива (рис.9). Так, если расход топлива не должен превышать q_n2, то на дороге с коэффициентом сопротивления ψ₃ скорость автомобиля не должна превы­шать v₂. Задачи подобного рода возникают при выявлении экономически .целесообразной скорости движения автомобиля на автомагистралях.

Каждая кривая графика имеет характерные точки. Одна из них опре­деляет минимальный расход топлива при движении на дороге с данным коэффициентом ψ (например, q_min при ψ₁). Скорость v^/_эк, соответствую­щую этому расходу, называют экономической. Другая (конечная) точка кривой определяет расход топлива при полной нагрузке двигателя, что соответствует скорости движения, максимально возможной при данном коэффициенте ψ (точки с, b…), Огибающая кривая АА_Т, проведенная через эти точки, представляет собой изменение путевого расхода топли­ва в зависимости от скорости при полной нагрузке двигателя.

Q_s , л/100 км

Рис.9. Определение максимально возмож­ной скорости, которую может развивать автомобиль при заданном расходе топлива.

Показателем топливной экономичности автомобиля служит минималь­ный путевой расход топлива, соответствующий скорости при испытаниях автомобиля с полной нагрузкой на горизонтальном участке дороги с твер­дым покрытием. Указываемый в технических характеристиках автомо­билей контрольный расход топлива практически мало отличается от ми­нимального расхода топлива, что трудно достижимо в реальных условиях эксплуатации автомобиля.

В технических характеристиках указывают контрольный расход топлива, полученный при равномерном движении автомобиля с полной нагрузкой на высшей передаче по сухому асфальтированному шоссе с уклоном не более ± 1,5% и со скоростью, близкой к экономичной.

Для оценки экономичности автомобиля может применяться и другой показатель, т.н. экономический фактор (Э), который определяет количествокмпути, который проходит автомобиль, расходуя 1лтоплива, и имеет размерность, обратную показателюQ_s, т.е (км/л). Например, легковой автомобиль ВАЗ-2109 расходует на 100кмпути 8лбензина. Тогда экономический фактор будет равен: 100/8 = 12,5км/л. Чем больше величина этого фактора, тем более высокими экономическими характеристиками обладает автомобиль.

Применение экономического фактора позволяет более наглядно сравнивать экономичность различных автомобилей, определять их запас хода, то есть количество километров, которое автомобиль проходит на одной заправке топливного бака. Например, если емкость топливного бака автомобиля ВАЗ-2109 равна 40 л, то его запас хода равен 12,5·40 = 500км.

+Средние дифференциальные нормы расхода топлива, рекомендуемые для автохозяйств, учитывают большое число факторов, встречающихся в эксплуатации грузовых автомобилей. В частности, величину полезной нагрузки, маневрирование в пунктах погрузки-разгрузки, вынужденные простои с работающим двигателем, движение по плохим дорогам. Кроме этого учитываю факторы сезонности эксплуатации, климатического пояса, а также специфику автомобиля (бортовой, самосвал, тентовый и т.д.), вид перевозки, плечи перевозки и др.

В качестве удельного показателя путевого расхода топлива для грузового автомобиля принят расход топлива в литрах на тонно-километр:

q = Q_s/100·m_г,

где m_г–масса перевозимого груза вТ.

Чем больше полезная нагрузка машины, тем меньше расход топлива на массу перевозимого груза.

Для легковых автомобилей нормы путевого расхода топлива иногда назначают на единицу пробега (л/км).