Тормозная динамичность автомобиля

Тормозная сила.При торможении элементарные силы трения, распределенные по поверхности фрикционных накладок, создают результирующий момент трения, т.е. тормозной момент М_тор, направленный в сторону, противоположную вращению колеса. Между колесом и дорогой возникает тормозная сила Р_тор.

Максимальная тормозная сила Р_{тор max} равна силе сцепления шины с дорогой. Современные автомобили имеют тормозные механизмы на всех колесах. У двухосного автомобиля (рис. 2.16) максимальная тормозная сила, Н,

Р_{тор max} = Р_тор1+ Р_тор2 = φ_x (R_z1 + R_z2) = φ_x G.

Рис. 2.16. Силы, действующие на автомобиль при торможении на подъеме: Рв – сила сопротивления воздуха; Ри – приведенная сила инерции; Рп – сила сопротивления подъему; Рк1, Рк2 – силы, учитывающие потери энергии в шинах ведущих колес; Рт.д. – сила трения в двигателе, приведенная к ведущим колесам; G – вес автомобиля; Ртор1, Ртор2 – тормозные силы колес переднего и заднего мостов; Ртр – потери на трение в трансмиссии; αд – угол, характеризующий крутизну подъема дороги; L – база автомобиля

Проецируя все силы, действующие на автомобиль при торможении, на плоскость дороги, получим в общем виде уравнение движения автомобиля при торможении на подъеме:

Р_тор1 + Р_тор2+ Р_к1 + Р_к2 + Р_п + Р_в + Р_т.д. + Р_г – Р_и = = Р_тор+ Р_д + Р_в + Р_{т.д .}+ Р_г – Р_п = 0,

где Р_тор= Р_тор1 + Р_тор2; Р_д = Р_к1 + Р_к2 + Р_п – сила сопротивления дороги; Р_т.д. – сила трения в двигателе, приведенная к ведущим колесам.

Рассмотрим случай торможения автомобиля только тормозной системой, когда сила Р_т.д.= 0.

Учитывая, что скорость автомобиля во время торможения уменьшается, можно считать, что сила Р_в ≈ 0. В связи с тем что сила Р_гмала по сравнению с силой Р_торею также можно пренебречь, особенно при экстренном торможении. Принятые допущения позволяют написать уравнение движения автомобиля при торможении в следующем виде:

Р_тор+ Р_д – Р_п = 0.

Из этого выражения после преобразования получим уравнение движения автомобиля при торможении на негоризонтальном участке дороги:

φ_х + ψ – δ_н a_з/g = 0,

где φ_х – коэффициент продольного сцепления шин с дорогой, ψ – коэффициент сопротивления дороги; δ_н – коэффициент учета вращающихся масс на негоризонтальном участке дороги (при накате); a_з – ускорение торможения (замедления).

В качестве измерителей тормозной динамичности автомобиля используют замедление а_зпри торможении и тормозной путь S_тор, м. Время t_тор, с, используют в качестве вспомогательного измерителя при определении остановочного пути S_о.

Замедление при торможении автомобиля.Замедление при торможении определяют по формуле

а_з = (Р_тор + Р_д + Р_в + Р_г)/( δ_врm).

Если тормозные силы на всех колесах достигли значения сил сцепления, то, пренебрегая силами Р_ви Р_г

a_з = [(φ_х + ψ) / ψ _вр] g .

Коэффициент φ_х обычно значительно больше коэффициента ψ, поэтому в случае полного торможения автомобиля величиной ψв выражении можно пренебречь. Тогда

a_з = φ_х g /δ_вр ≈ φ_х g .

Если во время торможения коэффициент φ_х не изменяется, то замедление а_зне зависит от скорости автомобиля.

Время торможения.Остановочное время (общее время торможения) – это время от момента обнаружения водителем опасности до полной остановки автомобиля. Общее время торможения включает в себя несколько отрезков:

1) время реакции водителя t_р – время, в течение которого водитель принимает решение о торможении и переносит ногу с педали подачи топлива на педаль рабочей тормозной системы (в зависимости от его индивидуальных особенностей и квалификации составляет 0,4...1,5 с);

2) время срабатывания тормозного привода t_пр – время от начала нажатия на тормозную педаль до начала замедления, т.е. время на перемещение всех подвижных деталей тормозного привода (в зависимости от типа тормозного привода и его технического состояния составляет 0,2...0,4 с для гидропривода, 0,6...0,8 с для пневмопривода и 1...2 с для автопоезда с пневмоприводом тормозов);

3) время t_у, в течение которого замедление увеличивается от нуля (начало действия тормозного механизма) до максимального значения (зависит от интенсивности торможения, нагрузки на автомобиль, типа и состояния дорожного покрытия и тормозного механизма);

4) время торможения с максимальной интенсивностью t_тор. Определяют по формуле t_тор = υ/a_{з max} – 0,5t_у .

В течение времени t_р + t_правтомобиль движется равномерно со скоростью υ, в период t_y – замедленно, а в течение времени t_тор – замедленно до полной остановки.

Графическое представление о времени торможения, изменении скорости, замедлении и остановке автомобиля дает диаграмма (рис. 2.17, а).

Рис. 2.17. Параметры торможения автомобиля: а – тормозная диаграмма; б – продольные и поперечные силы сцепления при торможении (вид на колесо сверху); tр – время реакции водителя; tпр– время срабатывания тормозного привода; tу – время нарастания замедления; tтор – время торможения; tо – остановочное время; аз – замедление при торможении; Δυ – приращение скорости

Чтобы определить остановочное время t_о, необходимое для остановки автомобиля с момента возникновения опасности, нужно суммировать все названные выше отрезки времени:

t_о = t_р + t_пр+ t_у+ t_тор = t_р + t_пр+ 0,5t_у+ υ/a_{з max} = t_сум+ υ/a_{з max},

где t_сум = t_р + t_пр+ 0,5t_у.

Если тормозные силы на всех колесах автомобиля одновременно достигают значения сил сцепления, то, принимая коэффициент δ_вр = 1, получим

t_о = t_сум+ υ/(φ_х g).

Тормозной путь – это расстояние, которое автомобиль проходит за время торможения t_тор с максимальной эффективностью. Этот параметр определяют, используя кривую t_тор = f(υ) и считая, что в каждом интервале скоростей автомобиль движется равнозамедленно. Примерный вид графика зависимости пути S_торот скорости с учетом сил Р_к, Р_в, Р_т и без учета этих сил показан на рис. 2.18, а.

Рис 2.18. Измерители тормозной динамичности автомобиля: а – тормозной путь Sтор, время торможения tтор и замедление аз при торможении рабочей тормозной системой; б – замедление при различных способах торможения; штриховые линии – с учетом сил Рк, Рв, и Рг; сплошные линии – без учета сил Рк, Рв, и Рг; 1, 3, 5 – торможение рабочей тормозной системой; 2, 4, 6 – торможение двигателем и рабочей тормозной системой

Расстояние, необходимое для остановки автомобиля с момента возникновения опасности (длину так называемого остановочного пути), можно определить, если принять, что замедление изменяется так, как показано на рис. 2.17, а.

Остановочный путь условно можно разделить на несколько отрезков, соответствующих отрезкам времени t_р, t_пр, t_у, t_тор:

S_о = S_р + S_пр+ S_у+ S_тор .

Путь, пройденный автомобилем за время t_р + t_пр движения с постоянной скоростью υ, определяют так:

S_р + S_пр =υ (t_р + t_пр) .

Принимая, что при уменьшении скорости от υдо υ'автомобиль движется с постоянным замедлением а_ср = 0,5 а_{з mах}, получим путь, пройденный автомобилем за это время:

ΔS_у = [υ²– (υ')²] / а_{з mах} .

Тормозной путь при уменьшении скорости от υ'до нуля во время экстренного торможения

S_тор = (υ')² / (2а_{з mах}) .

Если тормозные силы на всех колесах автомобиля одновременно достигли значений сил сцепления, то при Р_т.д. = Р_в = Р_г = 0 тормозной путь автомобиля

S_тор = υ² / (2φ_х g).

Тормозной путь прямо пропорционален квадрату скорости автомобиля в момент начала торможения, поэтому при увеличении начальной скорости тормозной путь возрастает особенно быстро (см. рис. 2.18, а).

Таким образом, остановочный путь можно определить так:

S_о = S_р + S_пр+ S_у+ S_тор = υ (t_р + t_пр) + [υ²– (υ')²] / а_{з mах} + (υ')² / (2 а_{з mах}) =

= υ t_сум + υ² / (2а_{з mах}) = υ t_сум + υ² / (2φ_х g).

Остановочный путь, как и остановочное время, зависит от большого числа факторов, основными из которых являются:

скорость движения автомобиля на момент начала торможения;

квалификация и физическое состояние водителя;

тип и техническое состояние рабочей тормозной системы автомобиля;

состояние дорожного покрытия;

загруженность автомобиля;

состояние шин автомобиля;

способ торможения и т.д.

Показатели интенсивности торможения.Для проверки эффективности действия тормозной системы в качестве показателей используют наибольший допустимый тормозной путь и наименьшее допустимое замедление в соответствии с ГОСТ Р 41.13.96 (для новых автомобилей) и ГОСТ Р 51709–2001 (для автомобилей, находящихся в эксплуатации). Интенсивность торможения легковых автомобилей и автобусов по условиям безопасности движения проверяют без пассажиров.

Наибольший допустимый тормозной путь S_тор, м, при движении с начальной скоростью 40 км/ч на горизонтальном участке дороги с ровным, сухим, чистым цементо- или асфальтобетонным покрытием имеет следующие значения:

легковые автомобили и их модификации для перевозки грузов……….14,5

автобусы с полной массой:

до 5 т включительно…………….…………………………18,7

более 5 т…………………………………...………………19,9

грузовые автомобили с полной массой

до 3,5 т включительно…………….………….….………..19

3,5... 12 т включительно………………………………..…18,4

более 12 т………………………………………………..…17,7

автопоезда с автомобилями-тягачами с полной массой:

до 3,5 т включительно…………………….………………22,7

3,5... 12 т включительно……………………………….….22,1

более 12 т……………………………………….…………21,9

Распределение тормозной силы между мостами автомобиля.При торможении автомобиля сила инерции Р_и, (см. рис. 2.16), действуя на плече h_c, вызывает перераспределение нормальных нагрузок между передними и задними мостами; нагрузка на передние колеса увеличивается, а на задние – уменьшается. Поэтому нормальные реакции R_z1 и R_z2, действующие соответственно на передние и задние мосты автомобиля во время торможения, значительно отличаются от нагрузок G₁ и G₂, которые воспринимают мосты в статическом состоянии. Эти изменения оценивают коэффициентами изменения нормальных реакций m_р1, и m_р2, которые для случая торможения автомобиля на горизонтальной дороге определяют по формулам

m_р1 = 1 + φ_х h_c / l₁; m_р2 = 1 – φ_х h_c / l₂.

Следовательно, нормальные реакции дороги

R_z1 = m_р1 G₁; R_z2 = m_р2 G₂.

Во время торможения автомобиля наибольшие значения коэффициентов изменения реакций находятся в следующих пределах:

m_р1 = 1,5...2; m_р2 = 0,5...0,7.

Максимальную интенсивность торможения можно обеспечить при условии полного использования сцепления всеми колесами автомобиля. Однако тормозная сила между мостами может распределяться неравномерно. Такую неравномерность характеризует коэффициент распределения тормозной силы между передними и задними мостами:

β_о = Р_тор1 / Р_тор = 1 – Р_тор2 / Р_тор.

Этот коэффициент зависит от различных факторов, из которых основными являются: распределение веса автомобиля между его осями; интенсивность торможения; коэффициенты изменения реакций; виды колесных тормозных механизмов и их техническое состояние и т.д.

При оптимальном распределении тормозной силы передние и задние колеса автомобиля могут быть доведены до блокировки одновременно. Для этого случая

β_о = (l₁ + φ_о h_c) / L.

Большинство тормозных систем обеспечивает неизменное соотношение между тормозными силами колес переднего и заднего мостов (Р_тор1 и Р_тор2), поэтому суммарная сила Р_тор может достигнуть максимального значения только на дороге с оптимальным коэффициентом φ_о. На других дорогах полное использование сцепного веса без блокировки хотя бы одного из мостов (переднего или заднего) невозможно. Однако в последнее время появились тормозные системы с регулированием распределения тормозных сил.

Распределение общей тормозной силы между мостами не соответствует нормальным реакциям, изменяющимся во время торможения, поэтому фактическое замедление автомобиля оказывается меньше, а время торможения и тормозной путь больше теоретических значений этих показателей.

Для приближения результатов расчета к экспериментальным данным в формулы вводят коэффициент эффективности торможения К_э, который учитывает степень использования теоретически возможной эффективности тормозной системы. В среднем для легковых автомобилей К_э = 1,1...1,2; для грузовых автомобилей и автобусов К_э = 1,4...1,6. В этом случае расчетные формулы имеют следующий вид:

a_з = φ_х g / К_э;

t_о = t_сум+ К_э υ/(φ_х g);

S_тор = К_эυ² / (2φ_х g);

S_о = υ t_сум + К_эυ² / (2φ_х g).

Способы торможения автомобиля. Совместное торможение тормозной системой и двигателем.Такой способ торможения применяют с целью избежать перегрева тормозных механизмов и ускоренного изнашивания шин. Тормозной момент на колесах создается одновременно тормозными механизмами и двигателем. Так как в этом случае нажатию на тормозную педаль предшествует отпускание педали подачи топлива, то угловая скорость коленчатого вала двигателя должна была бы уменьшиться до угловой скорости холостого хода. Однако на самом деле ведущие колеса через трансмиссию принудительно вращают коленчатый вал. В результате появляется дополнительная сила Р_тд сопротивления движению, пропорциональная силе трения в двигателе и вызывающая замедление автомобиля.

Инерция маховика противодействует тормозящему действию двигателя. Иногда противодействие маховика оказывается больше тормозящего действия двигателя, вследствие чего интенсивность торможения несколько снижается.

Совместное торможение рабочей тормозной системой и двигателем более эффективно, чем торможение только тормозной системой, если замедление при совместном торможении a_зс больше, чем замедление при торможении с отсоединенным двигателем a_з, т.е. a_зс > a_з.

На дорогах с малым коэффициентом сцепления совместное торможение повышает поперечную устойчивость автомобиля по условиям заноса. При торможении в аварийных ситуациях сцепление полезно выключить.

Торможение с периодическим прекращением действия тормозной системы.Заторможенное нескользящее колесо воспринимает большую тормозную силу, чем при движении с частичным проскальзыванием. В случае свободного качения угловая скорость колеса ω_к, радиус r_ки поступательная скорость υ_к движения центра колеса связаны зависимостью υ_к = ω_к r_к. У колеса, движущегося с частичным проскальзыванием (υ* ≠ ω_к r_к), это равенство не соблюдается. Разность скоростей υ_ки υ*определяет скорость скольжения υ_ск, т. е. υ_ск = υ –ω_к r_к.

Рис. 2.19. График к анализу процесса торможения колеса с периодическим прекращением действия тормозной силы: а – зависимость коэффициентов сцепления φх,φу от степени проскальзывания; б – рабочий процесс антиблокировочной системы; в – изменение угловой скорости колеса при колебании давления в тормозной системе; AFEDC – рабочая зона антиблокировочного режима; υк – скорость автомобиля при торможении; ωr – колебания скорости тормозящего колеса

Степень проскальзывания колес определяется как λ = υ_ск / υ_к. Ведомое колесо нагружено только силами сопротивления движению, поэтому касательная реакция невелика. Приложение к колесу тормозного момента вызывает увеличение касательной реакции, а также увеличение деформации и упругого проскальзывания шины. Коэффициент сцепления шины с дорожной поверхностью повышается пропорционально проскальзыванию и достигает максимума при проскальзывании около 20...25 % (рис. 2.19, а – точка В).

Рабочий процесс поддержания максимального сцепления шины с дорожным покрытием иллюстрирует график (рис. 2.19, б). При увеличении тормозного момента (участок ОА) угловая скорость колеса уменьшается. Для того чтобы не дать колесу остановиться (заблокироваться), тормозной момент уменьшают (участок CD). Инерционность механизма регулирования давления в тормозном приводе приводит к тому, что процесс уменьшения давления происходит с некоторым запаздыванием (участок AQ). На участке ЕF давление на некоторое время стабилизируется. Рост угловой скорости колеса требует нового увеличения тормозного момента (участок GА) до значения, соответствующего 20...25 % величины проскальзывания.

В начале скольжения увеличивается замедление колеса и нарушается линейная пропорциональность зависимости: ω = f(M_тор). Участки DЕ и FG характеризуются инерционностью исполнительных механизмов. Тормозная система, в которой реализуется пульсирующий режим управления давлением в рабочих цилиндрах (камерах), называется антиблокировочной. Глубина модуляции давления в тормозном приводе достигает 30...37 % (рис. 2.19, в).

Колеса автомобиля благодаря циклическому нагружению тормозным моментом катятся с частичным проскальзыванием, приблизительно равным оптимальному, и коэффициент сцепления ос­тается высоким в течение периода торможения. Введение антиблокировочных устройств уменьшает износ шин и позволяет повысить поперечную устойчивость автомобиля. Несмотря на сложность и высокую стоимость, антиблокировочные тормозные системы уже узаконены стандартами многих зарубежных стран, их устанавливают на легковые автомобили среднего и высшего классов, а также на автобусы и грузовые автомобили для междугородных перевозок.