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; δ_вр = 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.

Распределение тормозной силы между колесами. Полное торможение колеса, когда оно перестает вращаться и перемещается только благодаря скольжению (юзом), принято называть блокировкой 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 = G₁ и Z₂ = G₂ (рис.7). При торможении автомобиля реакция Z₁ на передние колеса увеличивается, а реакция на задние колеса Z₂ – 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, a и b координаты 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 G₁ и Z₂ = m_р2G₂, тормозные усилия: Р_Т1 =φ Z₁; Р_Т2 = φ Z₂. Коэффициент β₀ распределения тормозной силы Р_Т между передними Р_Т1 и задними Р_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 одновременно находятся в условиях, соответствующих пределу их блокировки, то есть коэффициент β₀ для 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 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 = δ_вр 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 δ_вр 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.