Построение графиков ускорений.

Время разгона легковых автомобилей до скорости 100км/ч (28 м/с)

Примечание: Рядом с типом автомобиля указан рабочий объем (л) и мощность (в скобках) двигателя (л.с.).

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_Т между 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 φ падает, что может привести к потере устойчивости автомобиля. Поэтому торможение считается наиболее эффективным, когда оно происходит на пределе блокировки колес. Силы сопротивления воздуха Р_w и качению Р_f оказывают 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_j и Р_Т имеет место равенство:

.

Отсюда величина максимального замедления при торможении определится 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 = 9,81 м/с²; β = 1,05 (сцепление выключено) и φ = 0,8 (сухое асфальтовое шоссе), то величина замедления равна: dv/dt = 7,5 м/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 торможения за 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.

Эффект блокировки колес при торможении.

Полное торможение колеса, когда оно перестает вращаться и перемещается только благодаря скольжению (юзом), принято называть блокировкой. 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 автомобиля влияет на полноту использования им сцепных свойств. Полное использование сцепления с дорогой возможно при условии соблюдения соответствия между тормозными силами и нормальными реакциями дороги. В процессе торможения это соотношение меняется в зависимости от состояния дороги, конструкции автомобиля, интенсивности торможения и других факторов.

Полное использование сцепного веса автомобиля в этих условиях 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.

В соответствии с международными требованиями регулирование тормозных сил осуществляется таким образом, чтобы передние колеса легковых автомобилей первыми достигали блокировки при значении коэффициента сцепления 0,15...0,17, а грузовых -–0,15…0,3.

Регуляторы тормозных сил повышают тормозные свойства автомобиля, но в целях предотвращения заноса устанавливают еще и антиблокировочные устройства (АБС). Эти устройства создают оптимальный пульсирующий тормозной момент на колесах на пределе скольжения. Их применение исключает блокировку колес, повышая безопасность и эффективность тормозного процесса в условиях дорожных покрытий с низким коэффициентом сцепления.

Тормозной путь.

Наиболее часто применяют оценочный показатель эффективности торможения – тормозной путь S_Т.

Минимальный тормозной путь S_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 = β G/g – приведенная масса автомобиля.

Откуда:

.

Считая, что торможениеосуществляется 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 покрытием φ = 0,2. Для сухих асфальтовых или бетонных дорог φ = 0,85.

Коэффициент β учитывает 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 условий торможения будет отличаться (в сторону его увеличения) от расчетной величины. Например, длина тормозного пути при торможении на скорости 50 км/ч составляет для легкового автомобиля класса ГАЗ-3110 примерно 15 м.

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 кг или литрах на 100 км пройденного 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 эффективный КПД 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:

Q_s = , л/100 км,

или Q_s = , кг/100 км,

где Q_s – расход топлива автомобилем в л или кг на 100 км пробега;

v – скорость движения автомобиля, км/ч;

ρ – плотность топлива, кг/л.

В приведенной формуле время t₁₀₀ прохождения автомобилем 100 км пути 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 установившемся 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:

Q_s = g_е·(N_тр + N_ψ + N_w) / (10·ρ·v).

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 ρ введена 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:

N_e = (ψ·G·v + k_w·F_w·v³) / η_тр .

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 (коробке передач η_кп и главной передачи η₀).

Использование уравнения для теоретического определения путевого расхода топлива Q_s затруднено 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,

где g_N - удельный эффективный расход топлива при максимальной мощности двигателя N_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 (таблица 2).

Расход топлива в литрах на 100 км пройденного пути подсчитывают не менее, чем для пяти скоростных режимов при движении автомобиля на прямой передаче по хорошей горизонтальной дороге (с суммарным коэффициентом сопротивления качению ψ₁ = f₁ ) и дороге несколько худшего качества (ψ₂ = f₂).