какие силы действуют на транспортное средство
Силы действующие на автомобиль при движении
Схема сил действующих на ведущее колесо
На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.
Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения
Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.
На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:
При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопротивления разгону (сила инерции).
Тяговая сила
Сила сцепления колес с дорогой
У легковых автомобилей полный вес распределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомобилей при полной их нагрузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.
Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначительном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места сопровождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.
На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверхность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скользкой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.
При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы рисунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.
Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.
Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает настолько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.
Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.
Сила сопротивления воздуха
Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигается, в то время как в задней части автомобиля создается разрежение, которое вызывает образование завихрений.
Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движения. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту автомобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возрастает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).
Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а выступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомобилей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузовую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.
Сила сопротивления качению
Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:
Сила сопротивления подъему
При движении на подъем автомобиль испытывает дополнительное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к горизонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.
При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъему направлена в сторону движения и является движущей силой.
Силы, действующие на автомобиль.
Для правильного и безопасного управления автомобилем водители должны знать физические законы его поведения на дороге. Эти знания помогают при правильной оценке конкретной дорожной ситуации выбрать оптимальное решение и, воздействуя на органы управления автомобиля, совершать безопасные маневрирования. Различные силы, воздействующие на автомобиль, заставляют его двигаться и останавливаться. Каждому водителю необходимо знать законы движения автомобиля, понимать их природу, учитывать и использовать их при управлении своим транспортным средством.
Силы, действующие на автомобиль, делятся на две группы. Первая группа оказывает сопротивление движению, вторая — заставляет его двигаться.
1. Сила тяжести — возникает под воздействием силы притяжения Земли и направлена вертикально вниз, распределяясь по всем осям и колесам автомобиля. Фактический вес транспортного средства оказывает давление на дорожное покрытие, и чем он больше, тем больше становится величина силы сцепления колес с дорогой. Эта сила оказывает существенное влияние вначале движения и в дальнейшем его процессе на ведущие колеса автомобиля.
2. Силы реакции дорожного полотна — возникает из-за сил, действующих со стороны транспортного средства в местах соприкосновения колес с дорогой. Чем больше сила тяжести, действующая со стороны колеса автомобиля на дорожное полотно, тем больше сила ответной реакции со сторноы дороги.
3. Сила тяги всегда направлена в сторону движения автомобиля. Она возникает при передаче крутащего момента от двигателя к ведущим колесам, где они в свою очередь стараются переместить слои дорожного полотна назад. Чем больше крутящий момент двигателя и выше передаточное число коробки передач и главной передачи, чем меньше радиус колеса с учетом деформации шины, тем больше становится тяговая сила. Если величина тяговой силы превышает силы сцепления колес с дорогой, возникает пробуксовка ведущих колес. Поэтому начинать движение на скользкой дороге или по бездорожью, а так же с перевозимым грузом необходимо с включением низшей передачи, когда сила тяги достигает наибольшей велечины.
4. Центробежная сила возникает в момент прохождения поворотов или смещения транспортного средства влево или вправо относительно проезжей части. В эти моменты автомобиль стремиться сохранить первоначально заданное направление движения. Величина этой силы прямо пропорциональна радиусу вхождения в поворот. Направление ее действия — от центра тяжести в противоположную сторону поворота. Так, при вхождении в правый поворот центробежная сила старается отклонить автомобиль влево на встречную полосу, а при прохождении левого поворота — вправо, в сторону обочины. Уменьшить ее значение можно только снижением скорости движения и увеличением радиуса траектории входа в поворот. При неправильной выбранной скорости и радиусе поворота центробежная сила может развернуть автомобиль вокруг его оси, что приведет к заносу, отбросить в сторону и, наконец, перевернуть.
5. Сила сцепления шины с дорожным полотном возникает в процессе движения и зависит от многих факторов:
Водителю необходимо учитывать все эти факторы, так как когда сила тяги на колеса автомобиля превышает силу сцепления с дорожным полотном, может произойти пробуксовка колес, а на скользкой дороге возможны заносы и выход из-под контроля управления автомобиля.
6. Сила сопротивления воздуха направлена в сторону, противоположную движению транспортного средства. Она возникает в процессе движения за счет давления на воздух поверхностями автомобиля, поэтому многое зависит от аэродинамической конструкции формы кузова автомобиля. Эта сила возрастает с увеличением скорости движения.
7.Сила сопротивления каченю возникает в процессе движения при трении шин автомобиля о поверхность дороги, вследствие чего возникают трения в передаточном механизме (в подшипниках колес). Эта сила прямо пропорциональна массе транспортного средства и коэффициенту сопротивления качению. Коэффициент сопротивления качению зависит от состояния дороги и определяется опытным путем. Сила сопротивления качению направлена в сторону, противоположную движению.
Теория движения автомобиля: основные элементы
Силы, действующие на автомобиль
На автомобиль, независимо от того, движется он или неподвижен, действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз.
Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равнодействующая этой силы, размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной из осей расположен центр тяжести, тем больше будет нагрузка на эту ось. На легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется примерно поровну.
Большое значение на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести не только в отношении продольной оси, но и по высоте. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль. Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы (см. рисунок): одна из них прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем скорее нарушится устойчивость и автомобиль может опрокинуться.
Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.
На рисунке показана схема сил, действующих на автомобиль во время движения. К ним относятся:
Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги.
Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги на ведущих колесах), то колеса пробуксовывают.
Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.
Для определения влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который определяют делением силы сцепления ведущих колес автомобиля на вес автомобиля, приходящийся на эти колеса.
Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния (наличия влаги, грязи, снега, льда); величина его приведена в таблице (см. рисунок).
На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь и пыль. В этом случае грязь образует пленку, резко уменьшающую коэффициент сцепления.
На дорогах с асфальтобетонным покрытием в жаркую погоду появляется на поверхности маслянистая пленка из выступающего битума, снижающая коэффициент сцепления.
Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. Так, при возрастании скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.
Разгон, ускорение, накат
Мощность двигателя затрачивается на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения в механизмах трансмиссии.
Если величина усилия, с которым вращаются ведущие колеса, создавая тяговую силу, будет больше чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, т.е. с разгоном.
Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если тяговое усилие равно силам сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться без ускорения с равномерной скоростью. Чем выше максимальная мощность двигателя и меньше величина суммарных сил сопротивления, тем быстрее автомобиль достигнет заданной скорости.
Кроме того, на величину ускорения влияет вес автомобиля, передаточное число коробки передач, главной передачи, количество передач и обтекаемость автомобиля.
Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии, и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться некоторое время с отключенным двигателем – накатом. Движение накатом используют для экономии топлива.
Торможение автомобиля
Торможение автомобиля имеет большое значение для безопасности движения и зависит от его тормозных качеств. Чем лучше и надежнее тормоза, тем быстрее можно остановить движущийся автомобиль и тем с большей скоростью можно двигаться, а следовательно, и больше будет его средняя скорость.
Во время движения автомобиля накопленная кинетическая энергия поглощается при торможении. Торможению помогают силы сопротивления воздуха, сопротивления качению и сопротивления подъему. На уклоне силы сопротивления подъему отсутствуют, а к инерции автомобиля добавляется составляющая сила тяжести, которая затрудняет торможение.
При торможении между колесами и дорогой возникает тормозная сила, противоположная направлению силы тяги. Торможение зависит от соотношения между тормозной силой и силой сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой будет больше тормозной силы, то автомобиль затормаживается. Если тормозная сила будет больше силы сцепления, то при заторможенных колесах произойдет их скольжение относительно дороги. В первом случае при торможении колеса катятся, постепенно замедляя вращение, а кинетическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию, нагревающую тормозные колодки и диски (барабаны). Во втором случае колеса перестают вращаться и будут скользить по дороге, поэтому большая часть кинетической энергии будет превращаться в тепло трения шин о дорогу. Торможение с остановившимися колесами ухудшает управляемость автомобиля, особенно на скользкой дороге, и приводит к ускоренному износу шин.
Наибольшую тормозную силу можно получить только тогда, когда тормозные моменты на колесах будут пропорциональны нагрузкам, приходящимся на них. Если такая пропорциональность не будет соблюдена, то тормозная сила на одном из колес не будет полностью использована.
Эффективность торможения оценивается по тормозному пути и величине замедления.
Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль от начала торможения до полной остановки. Замедление автомобиля – это величина, на которую уменьшается скорость автомобиля за единицу времени.
Управляемость автомобиля
Под управляемостью автомобиля понимают его способность изменять направление движения.
Во время движения автомобиля по прямой очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес в нужном направлении. На автомобиле предусмотрена стабилизация управляемых колес в положении движения в прямом направлении, которая достигается продольным углом наклона оси поворота и углом между плоскостью вращения колеса и вертикалью. Благодаря продольному наклону колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению оси поворота снесена назад на величину а и его работа подобна ролику (см. рисунок).
При поперечном наклоне повернуть колесо всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движения по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса передняя часть автомобиля приподнимается на величину б (водитель прилагает сравнительно большее усилие к рулевому колесу).
Для возвращения управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, вес автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.
На автомобилях, особенно у тех, где давление воздуха в шинах невелико, возникает боковой увод. Боковой увод возникает в основном под действием поперечной силы, вызывающей боковой прогиб шины; при этом колеса катятся не по прямой, а смещаются в сторону под действием поперечной силы (см. рисунок).
Оба колеса передней оси имеют одинаковый угол увода. При уводе колес меняется радиус поворота, который увеличивается, уменьшая поворачиваемость автомобиля, а устойчивость движения при этом не изменяется.
При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается, особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем у передних, стабильность движения нарушается, автомобиль начинает «рыскать» и водителю все время приходится подправлять направление движения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давление воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем у задних. Увод колес будет тем больше, чем большей будет боковая сила, действующая на автомобиль, например, на крутом повороте, где возникают большие центробежные силы.
Занос автомобиля
Заносом называется боковое скольжение задних колес при продолжающемся поступательном движении автомобиля. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикальной оси.
Занос может возникать в результате ряда причин. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказаться, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, особенно часто это случается на скользких дорогах.
При неодинаковых тяговых или тормозных силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, действующих в продольном направлении, возникает поворачивающий момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой или левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их сумма может превысить силу сцепления, препятствующую заносу (см. рисунок).
Чтобы предотвратить начавшийся занос автомобиля, необходимо: прекратить торможение, не выключая сцепление (на автомобилях с МКПП); повернуть колеса в сторону заноса.
Эти приемы выполняют сразу же, как только начался занос. После прекращения заноса нужно выровнять колеса, чтобы занос не начался в другом направлении.
Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге, особенно быстро нарастает занос на большой скорости, поэтому при скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не применяя торможение.
Проходимость автомобиля
Проходимостью автомобиля называется его способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья, а также преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути. Проходимость определяется:
Основным фактором, характеризующим проходимость, является соотношение между наибольшей тяговой силой, используемой на ведущих колесах, и силой сопротивления движению. В большинстве случаев проходимость автомобиля ограничивается недостаточной силой сцепления колес с дорогой и в связи с этим невозможностью использовать максимальную тяговую силу. Для оценки проходимости автомобиля по грунту пользуются коэффициентом сцепного веса, определяемым делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес автомобиля. Наибольшую проходимость имеют автомобили, у которых все колеса являются ведущими. В случае применения прицепов, увеличивающих общий вес, но не изменяющих сцепной вес, проходимость резко снижается.
На величину сцепления ведущих колес с дорогой значительное влияние оказывает удельное давление шин на дорогу и рисунок протектора. Удельное давление определяется давлением веса, приходящегося на колесо, на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля будет лучше, если удельное давление будет меньше. На твердых и скользких дорогах проходимость улучшается при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах будет иметь отпечаток большей площади и имеет меньшее удельное давление, а на твердых грунтах отпечаток этой шины будет меньшей площади и удельное давление увеличивается.
Проходимость автомобиля по габаритным размерам определяется по:
Силы, действующие на автомобиль в движении
Определение, возникновение и описание сил, действующих на автомобиль в движении. Характеристика и возможное действие силы тяжести, особенности силы инерции движения автомобиля. Понятие, сущность силы сопротивления качению и силы разгоняющей транспорт.
| Рубрика | Транспорт |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.09.2016 |
| Размер файла | 387,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «СамГТУ»)
Дисциплина: Прикладная механика
Силы, действующие на автомобиль в движении
Силы, действующие на автомобиль в движении
Для правильного и безопасного управления автомобилем водители должны знать физические законы его поведения на дороге. Эти знания помогают при правильной оценке конкретной дорожной ситуации выбрать оптимальное решение и, воздействуя на органы управления автомобиля, совершать безопасные маневрирования. Различные силы, воздействующие на автомобиль, заставляют его двигаться и останавливаться. Каждому водителю необходимо знать законы движения автомобиля, понимать их природу, учитывать и использовать их при управлении своим транспортным средством.
Силы, действующие на автомобиль в движении
Автомобиль, преодолевающий подъем, совершает одновременно перемещение вверх и вперед. В наиболее общем случае на подъеме при ускоренном движении автомобиля на него действуют силы, движущие его, силы оказывающие сопротивление движению автомобиля, и силы, составляющие нормальные реакции дороги на передние Zп и задние Zз колеса, вызванные перпендикулярной плоскости дороги составляющей силы тяжести автомобиля.
Силы, движущие автомобиль, возникают в результате взаимодействия ведущих колес автомобиля с дорогой и называются силами тяги Fт (рис. 12).
Независимо от того, движется автомобиль, или он неподвижен, на него действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз. Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равная ей и направленная вверх действует сила реакции дороги.
Равнодействующая этих сил размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной или другой оси центр тяжести, тем большей будет нагрузка на эту ось.
На груженых легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется поровну. Большое влияние на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль.
Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы, одна из которых прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.
Сила сопротивления качению
1. деформирование шины и дороги;
2. трение шины о дорогу; трение в подшипниках ведущих колес.
К силам, оказывающим сопротивление движению автомобиля относятся силы сопротивления качению передних Рск.п и задних Рск.з колес, действующие в плоскости дороги; сила сопротивления подъему Рсп, сила сопротивления воздуха Fсв, сила инерции Fи, приложенная к центру масс ЦМ автомобиля и называемая силой сопротивления разгону.
Силы Zп и Zз составляют нормальные реакции дороги на передние и задние колеса соответственно. Они вызваны перпендикулярной плоскости дороги, составляющей GN силы тяжести G снаряженного автомобиля с полной нагрузкой.
Сила сопротивления качению Рск всегда препятствует движению и представляет собой целую совокупность сил. Это силы, деформирующие и перемещающие грунт; деформирующие шины; силы трения колес о колею; силы, возникающие при преодолении выбоин, и т. п.
Сила сопротивления подъему Рcп. Крутизну подъема характеризуют утлом б в градусах (см. рис. 12) или уклоном дороги i, который представляет собой отношение превышения Н дороги к заложению S, т. е. i = H/S.
Силу тяжести G автомобиля, преодолевающего подъем, можно разложить на две составляющие: на силу Рсп, параллельную дороге, и силу GN = G*cosб, перпендикулярную ей.
Сила сопротивления воздуха
Значение коэффициента лобового сопротивления и лобовая площадь определяется заводом-изготовителем. Изменение этих параметров может произойти из-за установки на кузове-кабине автомобиля разных вспомогательных устройств: дополнительное зеркало заднего вида, багажник на крыше автомобиля.В большинстве случаев это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах автомобиля.
Особенно опасно изменение обтекаемости автомобиля при его движении. Если при движении автомобиля со скоростью более 80 км/час открыть, а затем захлопнуть боковую дверь, то весьма вероятна, даже на сухой дороге, потеря автомобилем курсовой устойчивости.
Эта сила является следствием давления встречных частиц воздуха на движущийся автомобиль, разрежения, возникающего позади автомобиля, завихрения воздуха вокруг автомобиля и трения воздуха о поверхность автомобиля. В каждой точке поверхности автомобиля в результате соприкосновения его с воздушной средой возникают элементарные силы, нормальные к поверхности и касательные к ней. Для упрощения расчетов элементарные силы сопротивления воздуха, распределенные по всей поверхности автомобиля, заменяют сосредоточенной силой сопротивления воздуха Fсв.
Сила, разгоняющая автомобиль
Сила, разгоняющая автомобиль. Для автомобиля наиболее характерным является неравномерное движение. Показателями разгона являются ускорение, время и путь разгона.
При разгоне автомобиля, т. е. при движении автомобиля с ускорением а, возникает сила инерции Fи автомобиля, противодействующая разгону, равная
Влияние инерционного момента вращающихся масс (маховик, колеса и др.) учитывается коэффициентом д условного увеличения массы автомобиля, учитывающим влияние вращающихся масс, показывающим, во сколько раз сила, необходимая для ускорения автомобиля, больше силы инерции его поступательно движущейся массы.
Мощность, которая имеется для обеспечения ускорения, представляет собой разность между мощностью, требующейся при данных условиях для преодоления сопротивления движения, и мощностью, подводимой к ведущим колесам.
Мощность, необходимая для движения автомобиля с ускорением
Из приведенной формулы видно, что чем автомобиль легче, тем большее ускорение удастся развить при одинаковой мощности двигателя.
Если автомобиль движется без разгона (Fp = О и Fи = 0), вся сила тяги тратится на преодоление сил сопротивления, и равна Fт = Рск + Рсп + Fсв. В случае, когда автомобиль замедляет ход, сила тяги становится меньше суммарной величины сил, препятствующих движению.
Сила тяги автомобиля. Энергия от двигателя к ведущим колесам передается через трансмиссию: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. Благодаря наличию в трансмиссии коробки передач и главной передачи, суммарный крутящий момент Мкр на ведущих колесах автомобиля больше момента двигателя Мдв.
Таким образом, для определения силы тяги необходимо знать радиус R ведущего колеса и момент Мкр. Так как на колеса автомобиля установлены пластичные пневматические шины, то радиус колеса во время движения изменяется под влиянием действующих на колесо сил. Различают статический радиус колеса (расстояние от поверхности дороги до оси неподвижного колеса, значение которого приводится в технической характеристике шины), динамический радиус колеса (расстояние от поверхности дороги до оси катящегося колеса) и радиус качения колеса (радиус условно недеформирующегося кольца, имеющего с данным эластичным колесом одинаковую угловую и линейную скорости). Для простоты расчетов силы тяги считают радиус колеса постоянным и равным статическому радиусу колеса.
Сила сцепления с дорогой
Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.
Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния: наличие влаги, грязи, снега, льда.
Коэффициент сцепления
на сухой поверхности
Коэффициент сцепления
на мокрой поверхности
На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь, пыль. В жаркую погоду на асфальте появляется маслянистая пленка из выступающего битума, которая снижает коэффициент сцепления.
Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/час, коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.
Сила сцепления шины с дорогой Рсц. Для того чтобы автомобиль мог устойчиво двигаться, тормозить и поворачивать, необходимо надежное сцепление шин с дорогой. Сила сцепления Рсц зависит от сцепного веса автомобиля (части его полного веса, приходящейся на ведущие колеса) и скорости движения автомобиля, а также от состояния дороги и шин.
Коэффициент сцепления шин с дорогой определяет проходимость автомобиля при движении по влажному грунту и по скользкой (обледенелой) дороге.
Сцепной вес автомобиля можно повысить, увеличивая число ведущих колес или смещая центр тяжести в сторону ведущего моста.
От сцепления колес с дорогой зависят максимально возможные силы тяги и торможения, а также боковая устойчивость автомобиля.
Как ни парадоксально это звучит, автомобиль движется благодаря наличию силы трения покоя. Ведь, если бы этого трения не было (точнее, сила трения была бы равна нулю), колеса всегда проскальзывали бы относительно опоры (как, например, на льду), т. е. прокручивались бы при попытке разогнать автомобиль и блокировались бы при попытке его остановить. И если на льду колесо буксует или скользит, это означает, что соответственно силы тяги или торможения превышают силу трения (Рсц применительно к автомобилям).
При полной загрузке автомобиля положение улучшается (это известно из практики), зато при уменьшении значения коэффициента сцепления цсц, а оно может уменьшиться в 10 раз (например, в гололед), максимально допустимая сила тяги, как и тормозная, также уменьшается в 10 раз. Значение коэффициента сцепления зависит прежде всего от типа и состояния дорожного покрытия, рисунка и степени износа протектора шин, давления в шинах и скорости вращения колес. При управлении автомобилем, безусловно, следует учитывать все эти факторы.
Торможение. Торможение является процессом, во время которого кинетическая энергия движущегося автомобиля в результате трения преобразуется в теплоту и рассеивается в окружающем пространстве. Трение создается тормозными механизмами, установленными на каждом колесе.
Во время торможения на колесо одновременно происходят два взаимосвязанных явления: во-первых, в результате работы тормозного механизма создается тормозной момент Мт, препятствующий вращению колеса; во-вторых, в результате взаимодействия шины колеса с дорогой возникает момент сцепления Мсц, стремящийся поддержать вращение колеса.
При экстренном (полном) торможении колесо блокируется (движение юзом) и происходит рассеивание энергии в месте контакта шины с дорогой. В случае экстренного торможения на горизонтальной дороге, движущей силой является сила инерции автомобиля, а основной силой сопротивления движению является суммарная тормозная сила всех колес.При рабочем (частичном) торможении колесо вращается, а энергия рассеивается в тормозном механизме.
При идеальном торможении (без юза) вся энергия движения автомобиля (mV^2/2) превращается в тепло в тормозных механизмах всех четырех колес. Кстати, энергия, выделяющаяся при торможении со скорости 100 км/ч, огромна. Неудивительно, что тормозам приходится «жарко».
Это объясняется тем, что при торможении автомобиля сила инерции Fи, которая приложена к ЦМ, действуя на плече Н (рис. 13, б), и тормозные силы Рторм, лежащие в плоскости дороги, образуют относительно ЦМ тормозной момент Мторм, который вызывает перераспределение нормальных нагрузок между передним и задним мостами. При этом нагрузка на передние колеса увеличивается, а на задние, наоборот, уменьшается. Поэтому нормальные реакции Zп и Zз, действующие соответственно на передние и задние колеса автомобиля во время торможения, значительно отличаются от нагрузок Gп и Gз, которые они воспринимают в статическом состоянии
В процессе торможения реакция на передние колеса увеличивается, а на задние уменьшается. Поэтому для полной реализации силы сцепления при экстренном торможении необходимо, чтобы тормозные силы были пропорциональны нормальным реакциям. Исходя из этого тормозные механизмы проектируют так, чтобы передние колеса тормозили настолько сильнее, насколько больше при торможении они прижимаются к дороге. Эго позволяет при торможении получить наибольшую возможную тормозную силу, поскольку сила сцепления каждого колеса пропорциональна приходящейся на него нагрузке.
Для предотвращения блокировки задних колес применяется регулирование давления в тормозном приводе, которое обеспечивает ограничение роста давления в тормозных механизмах задних колес при уменьшении реакции на задние колеса автомобиля. Клапан регулятора давления перекрывает подвод жидкости к тормозным механизмам задних колес в случае, когда давление в ее тормозном контуре возрастает до предельного, угрожающего блокировкой колес. Более совершенные антиблокировочные системы (АБС) с электронными датчиками скорости вращения колес предотвращают блокировку колес (как передних, так и задних) при любых значениях коэффициента сцепления.
Поперечная устойчивость автомобиля.
При потере автомобилем поперечной устойчивости может произойти его опрокидывание или скольжение под действием центробежной силы, поперечной составляющей силы тяжести автомобиля, силы бокового ветра, а также в результате ударов колес о неровности дороги.
Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются максимально возможные скорости движения по окружности и углы поперечного уклона дороги (косогора).
Поперечная устойчивость автомобиля непосредственно связана с интенсивностью разгона или торможения и определяется в каждом конкретном случае максимальной силой сцепления колеса с дорогой. И чем большая часть силы тяги Fт (или торможения Рторм) используется на разгон (или торможение), тем меньшая часть остается для удержания колеса в поперечном направлении. Зависимость между продольными и поперечными силами сцепления колеса с дорогой в пятне контакта изображена на рис 5.
Суммарная сила сцепления равна величине нагрузки на колесо, умноженной на коэффициент сцепления (Рсц = цсц*Gсц). Когда сила тяги незначительна, поперечная сила Рбок.сц. соизмерима с максимально возможной силой сцепления. При интенсивном торможении поперечная сила сцепления становится меньше, и, следовательно, боковая устойчивость автомобиля также снижается. Если нажать тормозную педаль так, чтобы использовать для остановки всю силу продольного сцепления (т. е. графически удлинить Р’торм до пунктирного круга), то на долю поперечной составляющей силы сцепления Р’бок.сц совсем ничего не останется.
Таким образом, в случае экстренного торможения, при заблокированных колесах занос автомобиля практически неизбежен. Его легко вызовет самая незначительная боковая сила, а при реальном движении автомобиля боковых сил всегда достаточно. Предотвратить занос можно, прекратив на мгновение торможение (или полностью сняв тяговое усилие при интенсивном разгоне!
Поворот. Что заставляет автомобиль поворачивать? Рассмотрим это с помощью рис. 5, на котором показаны силы, действующие на управляемое колесо в пятне его контакта с дорогой.
Если колесо не ведущее (случай заднеприводного автомобиля), то на него действует только толкающая сила тяги Fт. приложенная к оси колеса, которая вращает колесо. При этом вращению колеса препятствуют силы трения подшипников колеса и кинематически связанных с ним механизмов. Эта и без того малая сила Fрк расположена в плоскости вращения колеса и имеет наименьшее значение в положении колес «прямо» (положение 1).
При повороте колес на некоторый угол толкающую силу, приложенную к оси колес, можно разложить на составляющие, направленные в плоскости повернутого колеса Fт.пр. и перпендикулярно ей Fт.поп.Каждая из этих сил стремится вызвать перемещение колес в направлении своего действия. Для того чтобы колесо катилось в плоскости своего вращения, сила Fт.пр. при равномерном движении по горизонтальной поверхности и без учета сопротивления воздуха должна быть больше силы сопротивления качению колеса в плоскости его вращения Fрк, а сила Fт.поп. должна быть меньше силы сцепления колеса с дорогой, чтобы колесо не начало скользить вбок.
Нет никаких причин для роста силы Fрк и при повороте управляемых колес, пусть сначала на незначительный угол (положение 2). Но общая сила сопротивления качению Fск при этом возрастает, и тем больше, чем круче повернуто колесо. Рост силы сопротивления обусловлен появлением новой силы Fцс (центростремительной). Центростремительная сила Fцс, вызванная силой Fт.поп., есть боковая реакция (на силу Fт.поп.) и является тем внешним воздействием, которое отклоняет повернутые колеса от прежнего прямолинейного движения, заставляя автомобиль поворачивать. Появляющаяся при этом центробежная сила стремится вызвать поперечное скольжение или опрокидывание автомобиля.
С увеличением угла поворота управляемых колес поперечная сила тяги Fт.поп. увеличивается и обеспечивает рост центростремительной силы Fцс. Однако максимальное значение центростремительной силы ограничено силой бокового сцепления Рбок.сц. колеса с дорогой (см. рис. 14) и возросшая центростремительная сила может достигнуть по величине силы бокового сцепления. В результате управляемые колеса начнут скользить, отклоняясь от заданного направления движения.
Немного попрактиковавшись, любой водитель интуитивно начинает чувствовать и понимать связь между скоростью вхождения автомобиля в поворот и допустимым углом поворота управляемых колес. При слишком быстром вхождении в поворот возможна потеря управляемости из-за превышения силы сцепления колес с дорогой.
Кроме этого, автомобиль в повороте испытывает крен в сторону, противоположную повороту, т. е. к наружному закруглению дороги. Это происходит под действием на него центробежной силы.
Величина крена зависит от величины опрокидывающего момента, вызванного центробежными силами, и от расстояния между точкой приложения центробежных сил (т. е. ЦМ автомобиля) и точками контакта шин с дорогой (рис. 16).
То есть механизм возникновения крена автомобиля в повороте аналогичен «клевку» при торможении.
Для снижения крена автомобиля, особенно если он имеет мягкую подвеску, на него устанавливают стабилизатор. Чаще всего применяют торсионные стабилизаторы специальные торсионные пружины, устанавливаемые поперек автомобиля и соединяемые рычагами с колесами.
Если передние колеса являются не только управляемыми, но и ведущими (переднеприводные автомобили), то силы тяги левого Fт.л (рис. 5) и правого Fт.п. колес (положительные, касательные реакции) действуют в плоскости их вращения и не дают поперечных составляющих Fт.поп., стремящихся отклонить колеса от заданного направления. В результате этого обеспечивается лучшая управляемость на повороте автомобилей с передними ведущими колесами, чем управляемость с задней ведущей осью.
Также следует отметить, что свободно катящиеся задние колеса переднеприводного автомобиля имеют максимально возможную боковую устойчивость.
Устойчивость в движении
Само понятие устойчивости или устойчивого движения автомобиля определяется его способностью сохранять постоянный контакт всех колес с дорогой при отсутствии бокового скольжения. Автомобиль может потерять устойчивость под действием центробежной и разворачивающей силы.
Разворачивающая сила является следствием несоответствия силы инерции движения и коэффициенту сцепления колес с дорогой. В этом случае она будет направлена в сторону колес с меньшим коэффициентом сцепления, а рычагом разворота автомобиля будет его база. Центром вращения (разворота) будут колеса с большим коэффициентом сцепления. Результатом действия этой силы будет возникновение бокового заноса автомобиля, а в некоторых случаях, кроме того бокового вращения.
В большинстве случаев скользят колеса заднего моста, но с этим можно и нужно бороться. Причинами возникновения бокового заноса чаще всего на скользкой дороге является разгон и торможение. Поэтому для предотвращения тяжелых последствий начинающегося заноса необходимо прекратить начатый разгон или торможение. Необходимо помнить, что при торможении ВСЕГДА задние колеса разгружаются, коэффициент их сцепления с дорогой уменьшается тем больше, чем сильнее мы тормозим! При таком торможении они более всего подвержены блокировке, а автомобиль начинает движение юзом (с заблокированными колесами). При движении юзом автомобиль ВСЕГДА становится неуправляемым, так как невозможно осуществить поворот не вращающимися управляемыми колесами, а при заблокированных колесах тормозной путь ВСЕГДА (в том числе и на сухой дороге) увеличивается!
Если не принять своевременных мер для прекращения бокового заноса и вывода автомобиля из него он, как правило, переходит в неуправляемое боковое вращение. Это гораздо опаснее бокового заноса.
Для прекращения бокового заноса и вывода автомобиля из него нужно повернуть рулевое колесо в сторону заноса. Как только амплитуда заноса станет уменьшаться нужно плавно, опережающими действиями, вернуть рулевое колесо в нейтральное положение, а при необходимости, когда занос пойдет в обратную сторону, и в сторону, противоположную другой амплитуде заноса. Дополнительно:
· на заднеприводных автомобилях плавно уменьшить подачу топлива (плавно убрать ногу с педали «Газ»)
· на переднеприводных автомобилях наоборот, плавно увеличить подачу топлива.
Помимо бокового заноса в повороте на скользкой дороге может возникнуть боковое скольжение. Если при боковом заносе от прямолинейного движения уходит одна, как правило, задняя ось, то при боковом скольжении автомобиль уходит от траектории движения (кривой поворота) всем корпусом (всеми колесами). Да и причины возникновения бокового скольжения иные. Оно возникает тогда, когда водитель повернет управляемые колеса на угол больший, чем способен повернуть автомобиль при текущем коэффициенте сцепления и действующем крутящем моменте на колесах. Особенно ярко это проявляется в повороте с торможением. Для прекращения бокового скольжения необходимо увеличить траекторию движения, и плавно уменьшить подачу топлива.
Во всех случаях возникновения бокового заноса или бокового скольжения, для вывода автомобиля из этих ситуаций водитель должен пользоваться только рулем и педалью «Газ». Запомните: НИКОГДА не нажимать на педаль тормоза, как бы Вам этого не хотелось, не выключать сцепление, и не переключать передачи. Это ВСЕГДА только ухудшает ситуацию!
Влияние центробежной силы на движение автомобиля в повороте столь велико, что водитель просто обязан четко представлять, как действует эта сила на автомобиль. Она будет тем больше, чем больше будет скорость движения, и чем на больший угол будут повернуты управляемые колеса (когда траектория движения будет очень крутой).
Следовательно, влияние этой силы можно уменьшить, зная, чем она вызвана.
Для этого необходимо заблаговременно, до входа в поворот, уменьшить скорость движения до безопасной, а поворот проходить по более пологой кривой, уменьшив угол поворота управляемых колес.
При движении с прицепом нужно помнить о том, что на прицеп большее воздействие оказывает центростремительная, а не центробежная сила. Именно центростремительная сила перемещает прицеп к центру поворота.
Четкое представление водителем того, как поведет себя, управляемый им автомобиль в сложной ситуации, облегчает управление им, предотвращая ДТП.
При движении автомобиль преодолевает силы сопротивления качению, воздуха, подъема, инерции, а при движении на повороте на него действует боковая сила.
Эти силы, действующие на автомобиль во время движения, влияют на изменения показателей эффективности работы автомобиля. К этим показателям можно отнести скоростные свойства автомобиля, топливная экономичность, износ деталей автомобиля, аэродинамические свойства.
Учет этих показателей позволит повысить эффективность использования автомобильного транспорта, и сократить число дорожно-транспортных происшествий.