§ 6. Тормозная динамичность автомобиля

1. Значение тормозной динамичности для безопасности дорожного движения

Управляя автомобилем, водитель постоянно изменяет его ско­рость, приводя ее в соответствие с окружающей обстановкой. Он должен быть всегда готовым к экстренной остановке автомобиля в Случае появления внезапного препятствия. Замедление автомобиля, вызываемое трением в трансмиссии и сопротивлениями дороги и воздуха, невелико, в опасной же ситуации необходимо остановить автомобиль на коротком расстоянии. Это возможно лишь при нали­чии на автомобиле специальной системы, создающей большое допол­нительное сопротивление движению и быстро снижающей скорость. Сопротивление, создаваемое тормозными механизмами, дает возмож­ность также удерживать на месте стоящий автомобиль, а при дви­жении на спуске предохранять его от нежелательного разгона.

Современные автомобили снабжаются четырьмя тормозными си­стемами: рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной.

Рабочая тормозная система является основной. Она предназначе­на для регулирования скорости автомобиля в любых условиях дви­жения. Запасная система используется в случае отказа рабочей си­стемы, а стояночная удерживает неподвижный автомобиль на месте. Вспомогательная тормозная система нужна для поддержания ско­рости автомобиля постоянной в течение длительного времени. На легковых автомобилях и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности в качестве запасной тормозной системы часто ис­пользуют стояночную, а во вспомогательной системе — двигатель. На Ррузовых автомобилях большой грузоподъемности и автобусах большой вместимости применяют четыре раздельные тормозные си­стемы.

Наибольшее значение для безопасности автомобиля имеет рабо­чая тормозная система. Ее применяют для плавного снижения ско­рости с замедлением (до 2,5—3 м/с²) — служебное торможение и для резкого ее уменьшения с максимально возможным в данных дорож­ных условиях замедлением (до 8—9 м/с²) — экстренное или аварий­ное торможение.

Из всех операций по управлению автомобилем экстренное торможение считается одной из наиболее трудных. Многие действия водитель повторяет по нескольку десятков и сотен раз за смену и, выработав определенные навы­ки, достигает в них необходимого автоматизма. Аварийное торможение тре­буется относительно редко, и натренированность водителя в его применении минимальна. При экстренном торможении на автомобиль и водителя действу­ют большие силы, а время, имеющееся в распоряжении водителя, исчисляется несколькими секундам и ₄ В отличие от остальных операций по управлению, выполняемых водителем в спокойном состоянии и медленном темпе, экстрен­ное торможение связано с внезапным возникновением препятствия. Ощуще­ние опасности создает нервное напряжение, вызывая гнетущее чувство бес­покойства, страха и резко усиливая психофизиологическую нагрузку води­теля. Возникает состояние стресса, при котором водитель может либо вообще не выполнить необходимых действий, либо выполнить их в замедленном темпе, либо, наконец, совершить действия, прямо противоположные требуе­мым.

Для обеспечения безопасности автомобиля тормозная система должна удовлетворять следующим требованиям.

1. Время срабатывания системы должно быть минимальным, а замедление автомобиля — максимальным во всех условиях эксплу­атации.

2. Все колеса автомобиля должны затормаживаться одновремен­но и с одинаковой интенсивностью.

3. Тормозные силы на колесах должны нарастать плавно, в си­стеме не должно быть заеданий и заклиниваний.

4. Эффективность действия системы должна быть постоянной в те­чение всего срока службы автомобиля, а вероятность отказов ми­нимальной.

5. Работа тормозной системы не должна вызывать потери устой­чивости автомобиля.

6. Усилия, необходимые для приведения системы в действие л перемещения рабочих органов управления (педали, рычаги), не должны превышать физических возможностей водителя.

Полностью удовлетворить все эти требования весьма затрудни­тельно, хотя работа над совершенствованием конструкций тормозных механизмов и тормозного привода ведется во многих странах мира.

2. ИЗМЕРИТЕЛИ И ПОКАЗАТЕЛИ ТОРМОЗНОЙ ДИНАМИЧНОСТИ

Рис. 9 Показатели тормозной дина­мичности автомобиля:

а — зависимость сил сцепления ог време­ни; б — схема сил. действующих на авто­мобиль

Измерителями тормозной динамичности автомобиля являются замедление, время и путь торможения в определенном интервале скоростей, а также суммарная тормозная сила. Для их определения рассмотрим подробнее процесс экстренного торможения (рис. 9).

р	Рвг_				в'	\' С
			N > / \ / у ъ Jj.	а/	в Rxlmax
		0	fF		Rxlmax
	ip		. tm _			t
		tc	«т JU|	u.	ttscr
			trco
					о .

Водитель, заметив препятствие, оценивает дорожную обстанов­ку, принимает решение о торможении, переносит ногу с педали по­дачи топлива на тормозную педаль. Время /_р, необходимое для этих действий (рис. 9, а), — время реакиии водителя — обычно нахо­дится в пределах 0,3—2,5 с. Оно зависит от квалификации води­теля, его возраста, степени утомления и других факторов. При не­ожиданном возникновении опасности это время обычно больше. Вре­мя 1_С (время запаздывания тормозной системы) необходимо для уст­ранения зазоров в соединениях тормозного привода и перемещения всех его деталей Это время, зависящее от конструкции и техническо­го состояния тормозного привода, колеблется в среднем от 0,2— 0,3 с (гидравлический привод) до 0,6—0,8 с (пневматический при­вод).- У автопоездов с пневматическим приводом тормозных меха­низмов оно может достигать 2—3 с. В течение времени (/_р +

автомобиль продолжает двигаться равномерно с начальной скоро­стью t>₀. В конце этого периода возникают тормозные силы, вызы­вающие замедление движения. Определим эти силы, приняв для про­стоты расчетов, что сопротивлением дороги и воздуха можно пре­небречь, а коэффициент учета вращающихся масс равен единице.

При этих допущениях согласно условиям равновесия можно на­писать (рио. 9, б)

КОНСТРУКТИВНАЯ 2

безопасность автомобиля 2

Pen = Ga<p_x/(L — <р*/1д). 69

б) 74

°^оор" V Лц+0.5еде 79

CW = °'^5В*8 = Г (68) 83

X —fir X ^{0Лк +} 1—rjr) 83

К — (L об — £ф)/Хф. 133

kon = faNn + k,N_T + 6₃//_с)/(Л/_л + N_r + А/₀ + /V„), 157

h = Д/е, 185

Р = MvH (2Sn), 184

где a, b и h_n — расстояния соответственно от центра тяжести авто­мобиля до переднего и заднего мостов и до поверхности дороги; Rxi и R_xi — касательные реакции дороги, действующие на колеса переднего и заднего мостов автомобиля; ;₃ — замедление автомобиля (отрицательное ускорение).

Предельное значение касательной реакции, обусловленное сцеп­лением шины с дорогой, называется силой сцепления Р_сц. Силы сцеп­ления для переднего Р_сц) и заднего Р_сц2 мостов автомобиля опреде­ляют по следующим формулам:

Рст = Я«_тах = ЯйФ» (20)

Р с ц2 ⁼⁼ ^*2max ⁼ ^ггФж- (21)

Из формул (17)—(21) получаем соотношение между касательны­ми реакциями R_xl и R_x2l при котором полностью используется сцеп­ление всех шин автомобиля с дорогой,

Я*

Rx 2 og—Ац/и а—Лцф_х

Таким образом, конструкция тормозной системы должна созда­вать разное соотношение тормозных сил R_X1 и R_x2 при торможении с различной интенсивностью. Указанное требование трудно выпол­нимо, и большинство автомобилей имеют тормозные системы, обес­печивающие постоянное соотношение тормозных сил. У таких ав­томобилей колеса переднего и заднего мостов блокируются неодно­временно. Этот недостаток устраняют путем применения противо- блокировочных устройств и регуляторов, описанных ниже.

Если заторможенные колеса еще продолжают вращаться (не за­блокированы), то реакции R^ и R_xi можно считать приблизительно пропорциональными тормозным моментам:

= M_70V1/r, (22)

R_x2 = Мторз /г, (23)

где М,гор! и А4_тор2 — тормозные моменты на колесах иереднего и заднего мостов.

величины тормдоныл моментов заимел I \J1 num-ipj aUflfi ivrii тормозной системы, ее технического состояния и от управляющего воздействия водителя {силы и темпа нажатия на орган управления).

При экстренном торможении тормозные моменты для тормозной системы с гидроприводом можно считать линейными функциями вре­мени; для тормозных систем с пневмоприводом эти зависимости бли­же к экспоненциальным, но их часто можно без большой погрешности аппроксимировать линейными уравнениями. Таким образом, до начала блокировки колес касательные реакции можно считать про­порциональными времени:

где Кг и К_г — скорости нарастания тормозных сил; для тормозных систем с гидроприводом они равны 15—30 кН/с, с пневмоприводом 25—100 кН/с.

Изменение реакций R_xl и R_x2 по времени показано на рис. 9, а сплошными линиями. Величины Ki и /С_а, обусловливающие значение этих реакций и относительное расположение соответствующих им линий на графике, зависят от типа автомобиля. У легковых автомо­билей центр тяжести расположен примерно посередине базы. При их торможении нагрузка на передний мост больше, чем на задний; для более полного использования сцепления передних шин с доро­гой тормозную систему конструируют так, чтобы обеспечить Ki > > /С₂. У грузовых автомобилей и автобусов основная часть нагруз­ки (до 70%) приходится на задний мост, и тормозная сила, дейст­вующая на него, должна расти быстрее, чем тормозная сила, дейст­вующая на передний мост (К_г <С /С₂).

Увеличение тормозного момента, приложенного к колесу, вызы­вает рост касательной реакции, который продолжается до тех пор, пока она не достигнет максимального значения, обусловленного сцеплением шины с дорогой. Предельные значения касательных ре­акций Р_Сц| и Р₀ца определяются формулами (20) и (21).

Нормальные реакции дороги R& и R_z%, действующие на перед­ний и задний мосты автомобиля, в свою очередь зависят от интен­сивности торможения, изменяясь с изменением замедления "/*•

(26)

В начале торможения реакции R_xl и /?_Л2 определяются урав­нениями (24) и (25), следовательно,

Ри = Я XI + R х2 = (Ki + К*) t

и

ф*;

сц1

(27)

(28)

сц2

__ Ga-jKj + KJhut

4>х-

Таким- образом, в первый период торможения предельное зна­чение касательной реакции (силы сцепления) на колесах переднего моста увеличивается^ с течением времени, а на колесах заднего уменьшается. Если считать коэффициент сцепления постоянным, то силы Я_сд1 и Р_сц2 после начала торможения изменяются пропорцио­нально времени, как показано на рис. 9, а штриховыми линиями.

За время t_nl касательная реакция на колесах одного из мостов (чаще всего заднего) достигает предельного значения по условиям сцепления, и колеса этого моста блокируются (точка А). После этого касательная реакция на передних колесах по-прежнему растет (точка А') в соответствии с формулой (20), а реакция R_xi (участок А В) уже не зависит от тормозного момента. Водитель может прикла­дывать к педали сколь угодно большое усилие, все равно эта реак­ция будет уменьшаться с течением времени, оставаясь равной силе сцепления. Однако уменьшение касательной реакции на задних ко­лесах вызывает уменьшение силы инерции Р_а, что в свою очередь, отражается на динамическом перераспределении нагрузок и величи­нах нормальных реакций дороги.

Сила инерции автомобиля после блокировки колес заднего мо­ста

КОНСТРУКТИВНАЯ 2

безопасность автомобиля 2

Pen = Ga<p_x/(L — <р*/1д). 69

б) 74

°^оор" V Лц+0.5еде 79

CW = °'^5В*8 = Г (68) 83

X —fir X ^{0Лк +} 1—rjr) 83

К — (L об — £ф)/Хф. 133

kon = faNn + k,N_T + 6₃//_с)/(Л/_л + N_r + А/₀ + /V„), 157

h = Д/е, 185

Р = MvH (2Sn), 184

где S₀ — перемещение автомобиля за время /_с; <S_H — перемещение автомобиля за время /_н. Остановочный путь автомобиля

So = S_p + S_c + S_B +

(53)

где S_p — перемещение автомобиля за время реакции водителя /_р.

Если у автомобиля блокируются только колеса заднего моста и мощность тормозных механизмов недостаточна для доведения пе­редних колес до юза, то справедливы выражения (35)—(39) и (41)— (44). Однако время t_H следует определять не по формуле (40), а по выражению

*н = flxim.*/tfi. (⁵⁴)

Замедление на третьем этапе в этом случае

бДфх + А*! щах ^,1П .ggv

^/3 ~ (1+ЛцФх)М '

Величина замедления, определенная по последней формуле, меньше вычисленной по выражению (46).

Рис. 10. Тормозные диаграммы автомобиля:

a — расчетная; б — экспериментальная

Полученные формулы дают возможность определять скорость, замедление и путь автомобиля в любой момент торможения. На рис. 10, а в качестве примера показано изменение замедления гру­зового автомобиля по времени (тормозная диаграмма), определен­ное для следующих данных: М — 8000 кг; a = 2,5 м; Ь ~ 1,5 м; h_ц = 0,7 м; <р_х = 0,7; К_х = 30 кН/с; К_г = 50 кН/с; /_с = 0,2 с.

Если максимальные значения R_xx и R_xi ограничены только сцеплением шин с дорогой, то продолжительность первых двух пе­риодов торможения невелика по сравнению со временем полного торможения. Так, в данном примере время /_н1 от начала снижения скорости до блокировки колес заднего моста равно приблизительно 0,5 с. Колеса переднего моста блокируются после этого еше через 0,3 с, продолжительность третьего периода равна 2,3 с, а общее вре­мя торможения составляет 3,1—3,2 с. Скорость автомобиля при t = t_nX уменьшается с 20 до 18,3 м/с, а при t — t_u — до 16,1 м/с. Перемещение автомобиля за время t_H равно 17,8 м, а за время *_уст 16 м. Общий тормозной путь составляет около 40 м.

Если максимальные значения реакций ограничены конструкцией тормозной системы и составляют, например, R_xlmax = 15 кН й Кх-гтах — 25 кН, то максимальное замедление автомобиля падает с 7 до 5 м/с², время торможения возрастает до 4,6 с, а тормозной путь до 52 м.

Сравним расчетные данные с экспериментальными. На рис. 10, б показана тормозная диаграмма аналогичного автомобиля, получен­ная во время дорожных испытаний. Как видно на графике, в дейст­вительности замедление в течение времени /_н может изменяться не по линейному, а по другому, более сложному закону, и начало бло­кировки колес заднего моста трудно установить. В течение времени /_уст замедление не остается постоянным, а после остановки автомо­биля кривая проходит ниже оси абсцисс. Последнее вызвано коле­баниями кузова на подвеске, в котором установлена регистрирующая аппаратура.

При обработке экспериментального графика кривые линии ап­проксимируют линиями АА и ВВ, точку пересечения которых счи­тают началом установишегося торможения. Величина замедления в третьем периоде определяется ординатой точки С, расположенной посередине аппроксимирующей линии ВВ.

Формулы (34) и (55) учитывают основные факторы, влияющие на процесс торможения, в том числе конструктивные особенности авто­мобиля: массу, положение центра тяжести, базу, скорости нара­стания тормозных сил и т. п. Если известны /_с, /_н и /_уст, то тормоз­ной путь можно рассчитать следующим образом.

Предположим, что в течение времени /_н автомобиль движется равнозамедленно с замедлением, равным 0,5/_усх, и найдем скорость t>₂, соответствующую началу замедления:

⁼ v₀ 0,5/уст/ц-

Перемещение автомобиля за время t_H S_H = v₀t_B 0,25/у_СТ/| л? v₀t_u.

Перемещение автомобиля за время /_yQT

S_y0T = v\l(2/_уст) « уВ/(2/'ус_Т) — 0,5у₀/_и.

Следовательно, полный тормозной путь 5_Х = 5_С + 5„ + 5_уст - г>о (/с + 0,5/_ц) + ^/(2/_Уст)

Остановочный путь автомобиля

So = (/_Р + /с + 0,5/н) + иВ/(2/_уст).

При полном использовании сцепления с дорогой всеми коле­сами автомобиля замедление определяют по формуле (46), тогда остановочный путь

S₀ = (/_р + /_с + 0,5/ц) v₀ + vV(2_g4>_x).

Как указывалось выше, у многих автомобилей достичь одновре­менной блокировки всех колес не удается как по причинам конструк­тивного характера, так и вследствие ухудшения эффективности тор­мозной системы и шин в процессе эксплуатации. Поэтому для при­ближения результатов расчета к фактическим данным в формулы вво­дят поправочный коэффициент К₉ — коэффициент эффективности торможения. Примерные значения его для сухого асфальто- или цементнобетонного покрытия (ф_х = 0,7) даны в табл. 5.