Силы, действующие на транспортное средство

Автомобиль является сложным объектом управления. Его реакция на поворот рулевого колеса изменяется при изменении скорости, поперечного ускорения, тяговой и тормозной сил, коэффициента сцепления шин с дорогой, нагрузки автомобиля. В зависимости от степени блокировки или буксования колеса реализуемая тормозная или тяговая реакция изменяется до 30%. Для надежного управления объектом с таким «изменчивым характером» необходимо знание теории движения автомобиля.

Крутящий момент, создаваемый на валу двигателя, с помощью трансмиссии преобразуется в тяговую силу Fт на колесе, которая необходима для преодоления сопротивлений движению автомобиля (рис.8.1).

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.

Крутящий момент Мкр вызывает в месте контакта колеса с дорогой касательную реакцию дороги, движущую автомобиль, т. е. силу тяги. Теоретически ведущее колесо взаимодействует с дорогой в одной точке (практически же – в «пятне контакта»). Активной в этой точке является сила, с которой колесо «толкает» дорогу. Вот тут-то и появляется ответная (реактивная) сила реакции дороги, которая «толкает» машину. Величина силы тяги (рис.8.2) равна отношению крутящего момента на полуосях к радиусу ведущих колес, т. е.

F т = М дв • i кп • i гп/ R,

где:

Мдв – крутящий момент двигателя,

iкп – передаточное отношение коробки передач,

iгп – передаточное отношение главной передачи,

R – статический радиус колеса.

Таким образом, для определения силы тяги необходимо знать радиус R ведущего колеса и момент Мкр. Так как на колеса автомобиля установлены эластичные 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.

На движущийся автомобиль действуют различные силы, на преодоление которых затрачивается энергия топлива, сжигаемого в двигателе.

Сила сопротивления качению колеса Fск всегда препятствует движению и представляет собой целую совокупность сил (рис.8.3). Это силы, деформирующие и перемещающие грунт; деформирующие шины; силы трения колес о колею; силы, возникающие при преодолении выбоин, и т. п.

F cк = f · G,

где:

Fск – сила сопротивления качению;

f = 0,015–0,3 – коэффициент сопротивления качению, учитывающий состояние дороги, давление в шинах и пр.;

G – сила тяжести автомобиля.

Сила сопротивления качению Fск (рис.8.4) составляет соответствующую долю от силы тяжести автомобиля.

Сила сопротивления воздуха (рис.8.5) (аэродинамическое сопротивление)Fсв 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. Опытным путем установлено, что сила сопротивления воздуха (рис.8.6) равна

F св = k в · S λ · V ²,

где:

kв – коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы и качества отделки поверхности автомобиля, определяемый экспериментально и имеющий значения для легкового автомобиля с закрытым кузовом 0,20 - 0,30 Нс²/м⁴;

Sλ – лобовая площадь автомобиля (площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную к направлению движения;

V – скорость движения автомобиля. Из формулы видно, что сопротивление воздуха зависит от скорости движения автомобиля, его обтекаемости, величины площади поперечного сечения, плотности воздуха. Существенное значение Fсв приобретает лишь при больших скоростях, поскольку зависит от квадрата скорости.

Сила сопротивления подъемуFсп возникает при движении автомобиля на подъеме или спуске. Крутизну подъема характеризуют углом α в градусах или уклоном дороги i, который представляет собой отношение превышения Н дороги к заложению S, т. е. i = Н / S.

Силу тяжести G автомобиля, преодолевающего подъем (рис.8.7), можно разложить на две составляющие: на силу Fсп, параллельную дороге, и силу G N = G · cos α, перпендикулярную ей.

Силой сопротивления подъему называют силу

F сп = Gsinα,

где:

sinα = Н/S.

Также силу сопротивления подъему можно выразить формулой:

F сп = G · i.

При движении на спуске сила Рсп направлена в сторону движения автомобиля и, следовательно, меняет свой знак (рис.8.8) и может стать и движущей (скатывающей автомобиль под уклон). Поэтому угол а и уклон дороги i считают положительными при движении автомобиля на подъеме и отрицательными при его движении на спуске.

Для автомобиля наиболее характерным является неравномерное движение. Показателями разгона являются ускорение, время и путь разгона. Во время разгона или торможения на автомобиль начинает действовать сила инерции Fj (рис.8.9).

F j = K j· М а· J x,

где:

kj – коэффициент, учитывающий влияние вращающихся деталей (масс) автомобиля. Величина kj пропорциональна квадрату передаточного отношения трансмиссии,

Ма – масса автомобиля,

Jx – продольное ускорение.

При одном и том же ускорении сила инерции увеличивается на пониженных передачах. При разгоне сила инерции величина положительная (препятствует разгону), при торможении – отрицательная (препятствует снижению скорости).

В общем случае движения автомобиля сила тяги Fт (рис.8.10) уравновешивается силами сопротивления движения:

F т = F ск + F св ± F сп ± F j.

Для того чтобы автомобиль мог устойчиво двигаться, тормозить и поворачивать, необходимо надежное сцепление шин с дорогой. Сила сцепления Fсц зависит от сцепного веса автомобиля (части его полного веса, приходящейся на ведущие колеса) и скорости движения автомобиля, а также от состояния дороги и шин (рис.8.11):

F сц = φ сц· G сц,

где:

Gсц – сцепной вес автомобиля;

φсц – коэффициент сцепления (численно равен отношению силы, вызывающей равномерное скольжение колеса, к нормальной реакции дороги).

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.

Если к колесам приложена сила тяги, превышающая силу сцепления (рис.8.12), то при попытке тронуться с места ведущие колеса автомобиля пробуксовывают. Если тормозная сила колеса больше силы сцепления, колесо блокируется (рис.8.13). И в том и в другом случаях имеет место юз – проскальзывание колеса относительно опоры. Иными словами, юз наступает тогда, когда скорость точки касания колеса с дорожным покрытием не равна нулю относительно дороги. Если эта точка неподвижна относительно дороги, колесо не будет проскальзывать до тех пор, пока действующие на него в точке касания силы не превысят силы трения покоя.

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 (Fсц применительно к автомобилям). Очевидно, что условием движения автомобиля без юза являются соотношения (рис.8.14):

F т < F сц – для движения под действием силы тяги;

F торм < F сц – для движения под действием тормозной силы.

При полной загрузке автомобиля положение улучшается (это известно из практики), зато при уменьшении значения коэффициента сцепления φсц, 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.

Управление транспортным средством в ограниченном пространстве, на перекрестках и пешеходных переходах, в транспортном потоке и в условиях ограниченной видимости, на крутых подъемах и спусках, при буксировке

Наличие ограниченного пространства, в котором водитель транспортного средства должен выполнить маневр, накладывает на водителя обязанности по соблюдению особой осторожности.

Маневр в ограниченном пространстве предполагает при достаточном месте совершить выверенное движение ТС, не выходя из пределов данного пространства, т.е. не совершать дополнительных действий.

Если же такого пространства недостаточно для выполнения маневра за один прием, то возникает та опасность в движении, которую водитель не учел, не увидел, не предположил и т.д.