Проектирование автомобильных дорог Часть 1

в километрах в час (в км/ч)

(рис. 3.5), который обычно по­ лучают путем испытания двигателей при полном открытии дрос­

сельной заслонки карбюратора в карбюраторных двигателях или полной подаче топливного насоса в дизелях. Поэтому график внешней скоростной характеристики позволяет оценить макси­ мальную мощность, которую может развивать двигатель при той или иной частоте вращения коленчатого вала.

Для оценки мощности двигателя при работе с неполной нагруз­ кой снимают частичные внешние скоростные характеристики при различной степени открытия дроссельной заслонки.

Используя график внешних скоростных характеристик и выра­ жения (3.11), (3.12), можно определить расчетом тяговое усилие Рр при различных скоростях автомобиля Нисходя из условия, что при движении автомобиля все тяговое усилие расходуется на прео­

41

В зависимости от соотношения внешних сопротивлений проис­ ходит движение с постоянной скоростью, разгон или торможение автомобиля.

Перенося сопротивление воздушной среды, зависящее от ско­ рости движения, в левую часть уравнения и подставив значения сопротивлений, определенных в п. 3.1, получим

42

Динамический фактор характеризует запас тягового усилия на единицу веса автомобиля, движущегося со скоростью v, который может быть израсходован на преодоление дорожных сопротивлений f± i и на ускорение автомобиля у.

Как сила тяги, так и сопротивление воздуха зависят от скорости движения. Поэтому значение динамического фактора не остается постоянным при изменении скорости. График зависимости динами­ ческого фактора от скорости движения при полной нагрузке на ав­ томобиль, названный цроф. Е. А. Чудаковым динамической харак­ теристикой (рис. 3.6), используется в- Советском Союзе при тяговых расчетах на автомобильных дорогах как основной показатель тяго­ вых качеств автомобилей.

/ ^Графики динамических характеристик обычно строят примени­ тельно к случаю полной загрузки автомобилей:

При изменении нагрузки на автомобиль стоящее в числителе выражение не меняется, поскольку оно зависит только от скорости движения. Поэтому при постоянной скорости соблюдается соотно­ шение

^ПЛН^ПЛН— ^1^1 — Р р Р ш-

Отсюда Dx= D ajm GnJ,H , т. е. при неполной загрузке автомобиля

G1

его динамический фактор обратно пропорционален сумме полезной нагрузки на автомобиль и его собственного веса G\.

При необходимости учета степени загрузки автомобилей при расчетах скоростей движения по предложению проф. Н. А. Яков­ лева к графику динамических характеристик пристраивают вспо­ могательную номограмму нагрузок (рис. 3.7).

3.3. Сцепление шин с поверхностью дороги

Тяговое усилие на колесах автомобиля, обеспечиваемое мощ­ ностью двигателя, может быть развито лишь в том случае, если между ведущими колесами и дорогой имеется достаточное сцеп­ ление. Отношение максимального тягового усилия на колесе Рц к вертикальной нагрузке на покрытие GK, при превышении которого начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание заторможенного, называют коэффициентом сцепления и обознача­ ют буквой ф.

В зависимости от направления сдвигающей силы, действующей на колесо, различают два вида коэффициента сцепления:

коэффициент продольного сцепления фПр, соответствующий на­

43

чалу проскальзывания заторможенного или пробуксовывания дви­ жущегося колеса при качении или торможении без действия на ко­ лесо боковой силы. Его используют при вычислении пути, проходи­ мого автомобилем при экстренном торможении и при оценке возможности трогания автомобиля с места.

Как показывают эксперименты, коэффициент сцепления прак­ тически не меняется при движении заторможенного колеса под уг­ лом к плоскости качения;

коэффициент поперечного сцепления <рПоп — поперечная состав­ ляющая: коэффициента сцепления при смещении ведущего колеса, катящегося под воздействием боковой силы под углом к плоскости качения, когда колесо, вращаясь, скользит вбок. Коэффициент фпоп характеризует устойчивость автомобиля при проезде кривых малых радиусов.

Многочисленные экспериментальные исследования коэффициен­ тов сцепления, проведенные в СССР и за рубежом, показали, что на их значение большее влияние оказывает состояние дорожного покрытия, чем его тип.

При любых покрытиях выступающие над их поверхностью твер­ дые минеральные частицы, которые делают покрытие шероховатым, при наезде колеса вдавливаются в резину протектора. При прос­ кальзывании колеса они упруго деформируют резину, сопротивление*которой является основной причиной сопротивления колеса сме­ щению по покрытию. По мере износа шероховатость покрытия уменьшается, а следовательно, уменьшается и сцепление его с ко­ лесом.

Впадины на поверхности покрытия между выступами шерохо­ ватости при увлажнении . или загрязнении заполняются грязью, пылью, продуктами износа шин и т. д., что уменьшает возможную глубину вдавливания выступов в резину. Пленка влаги, смачивая зону контакт^' между шиной и йокрытием, действует как смазка, разделяющая резину и покрытие. Все это снижает коэффициент сцепления. При высоких скоростях движения шина не успевает полностью деформироваться, так как продолжительность контакта

спокрытием для этого недостаточна, а следовательно, неровности покрытия вдавливаются в шину на меньшую глубину. В результате

сростом скорости коэффициент сцепления снижается. На сухих покрытиях снижение коэффициента сцепления со скоростью менее ощутило, чем на увлажненных.

При сильном износе или при малой высоте и расчлененности элементов протектора на мокром покрытии может возникать яв­ ление аквапланирования, когда между шиной и покрытием в на­ чальной части зоны контакта накапливается вода, не успевающая Выжаться в стороны. Под шиной образуется водяной клин, созда­ ющий гидродинамическую подъемную силу, снижающую давление колеса на дорогу (рис. 3.8). При слое воды на покрытии толщиной в несколько миллиметров нарушение контакта передних колес с

44

Рис. 3.8. Схема возникновения аква­ планирования колес:

а — принципиальная зависимость коэффи­ циента сцепления шины с мокрым покры­ тием; 6 — схема уменьшения зоны контак­ та шины с мокрым покрытием при увеличе­

ная зона контакта; III — зона контакта от­ сутствует, возникло аквапланирование

покрытием и потеря управляемости автомобилем становятся воз­ можными при скоростях, близких к 80—100 км/ч.

В среднем можно считать, что коэффициент продольного сцеп­ ления фпр полностью заблокированных шин, имеющих слабоизно­ шенный протектор, и гладкого влажного цементобетонного покры­ тия следующим образом зависит от скорости:

Коэффициенты продольного сцепления при скорости 60 км/ч в зависимости от состояния покрытия имеют следующие значения:

Условия сцепления пневматических шин с поверхностью дороги •связаны с погодными условиями. Значения коэффициента сцепле­ ния меняются в течение года в широких пределах, повышаясь ле­ том и значительно снижаясь в период зимних гололедиц, когда для увеличения сцепления дорогу обрабатывают противогололед­ ными материалами (гигроскопическими солями, растворяющими лед, песком, шлаком и др.) или иногда на колеса автомобилей мон­ тируют шины с шипами.

Чем ответственнее назначение дороги и чем труднее условия движения по отдельным ее участкам, тем более высокие требования предъявляются к коэффициенту сцепления.

ВСССР при обосновании геометрических элементов трассы ис­ ходят из значения коэффициента продольного сцепления при сухом чистом покрытии и скорости 60 км/ч фпр= 0,6.

Вувлажненном состоянии укладываемые на разных участках дорог покрытия должны удовлетворять при той же скорости тре­ бованиям, приведенным в табл. 3.2. Безопасное движение в перио­ ды ухудшения погодных условий по скользкой поверхности покры-

45

тий возможно только при пониженных скоростях, соответствую­ щих фактическим значениям коэффициента сцепления.

Условия сцепления ведущих колес с поверхностью дороги ока­ зывают влияние на динамические возможности автомобиля. При малых коэффициентах сцепления большие тяговые усилия, обеспе­ чиваемые мощностью двигателя, не могут быть использованы из-за недостатка сцепления между колесами и покрытием. Поэтому на­ ряду с динамическими характеристиками по мощности двигателя при тяговых расчетах используются также динамические характе­ ристики по условиям сцепления, получаемые из уравнения тягового баланса при замене в уравнении (3.15) силы тягл Рр по мощности двигателя ее максимальным значением, возможным по условиям сцепления шины с покрытием / >p=G(pnp, т. е.

где G' — нагрузка от ведущих колес на дорогу; К в — коэффициент сопро­ тивления воздуха; v — скорость движения автомобиля, км/ч.

Относя избыток сцепления над сопротивлением воздушной сре­ ды к единице веса автомобиля, получим выражение динамической характеристики по сцеплению

График динамических характеристик по условиям сцепления, пример которого дан на рис. 3.9, строят для ряда значений коэф­ фициента сцепления фпр. Совмещение его с графиком динамических

46

ния V\, восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой динамической характеристики. Ордината этой точки А дает зна­ чение динамического фактора Du равное сумм« М+/Н-/. Посколь­ ку предусматривается, что движение происходит с постоянной ско­ ростью, / = 0 и, следовательно, i\ = D\ —-f.

2. Определение постоянной скорости, с которой автомобиль мо­ жет преодолеть заданный уклон t2, при коэффициенте сцепления покрытия ф1.

Необходимый для выполнения этого условия динамический фак­ тор D2 = f-\~h- Отложив это значение на оси ординат и найдя соот­ ветствующую абсциссу точки В на кривой динамических характе­ ристик, по силе тяги определяют скорость движения v2.

Поскольку изложенный метод расчета исходит из значения тя­ гового усилия на ведущих колесах, полученный результат необ­ ходимо проверить на достаточность сцепления шин с покрытием. Точка на графике расположена выше кривой динамической харак­ теристики по условиям сцепления при коэффициенте продольного сцепления фь Поэтому развиваемое при скорости v2 тяговое уси­ лие может вызвать буксование и максимальная возможная скорость движения Vs определится условиями сцепления.

На участке дороги с большим уклоном i3 движение окажется возможным только на II передаче со скоростью при условии, что коэффициент сцепления будет более ф 2.

47

на участке с большим уклоном i2, достаточно значение динамического фактора Z)4. Наблюдения за режимами движения автомобилей на подъемах показали, что

Для-точных расчетов скорости движения на участках дорог с продольными уклонами необходимо исходить из графиков динами­ ческих характеристик, соответствующих разной степени открытия дроссельной заслонки.

^3. Определение ускорения, развиваемого автомобилем при раз­ гоне.

48

Рис. 3.12. Графическое определение пути, на котором устанавливается равновес­ ная скорость:

а — график динамических характеристик; 6 —*график ускорений; в — построение для опре­ деления длины пути изменения скорости

При коэффициенте сопротивления качению /, уклоне i и неко­ торой начальной скорости v ускорение поступательного движения автомобиля (в м/с2):

4. Определение длины пути, на котором при увеличении или уменьшении продольного уклона происходит изменение скорости автомобиля от иг-, до соответствующей новому уклону.

Если, например, автомобиль въезжает на участок с большим продольным уклоном i2, то из-за избытка его живой силы

ЬВХ)т (v2: — И/ )

__ZL_l_ij___? затрачиваемой на преодоление дополнительного

подъема, скорость движения изменяется постепенно. При этом от­ рицательное ускорение при замедлении постепенно уменьшается. Когда оно уменьшится до нуля, дальнейшее движение происходит с постоянной скоростью. Протяженность участка, на котором вновь устанавливается равновесная скорость, можно определить прибли­ женным способом, принимая ускорение в малых интервалах изме­ нения скоростей постоянным. Вначале на основе графика динами­ ческих характеристик (рис. 3.12, а) строят вспомогательную кри­ вую ускорений, вычитая из значений динамического фактора для Vi2значения дорожных сопротивлений f-Hi (рис. 3.12, б).

Если обозначить в узком интервале скоростей i>i и v2 (км/ч) среднее значение ускорения через /ь то согласно закономерностям равномерно-замедленного движения расстояние, на котором проис­ ходит изменение скоростей,

и, —vn

(3.21)

2545врл

49

Расстояние, на котором происходит изменение скоростей, оп­ ределится как сумма расстояний L\, L2, рассчитанных для всех выделенных интервалов (рис. 3.12, в).

Иногда бывает необходимо определить, может ли за счет на­ копленной инерции автомобиль, входящий на подъем со скоростью

V it П р е о д о л е т ь КОРОТКИЙ учаСТОК ДОрОГИ ДЛИНОЙ L С УКЛОНОМ /щах,

превышающим предельный уклон i, найденный по условиям равно­ весного движения. В конце подъема скорость должна быть не ме­ нее иг. Точнее решение этой задачи для каждого конкретного ав­ томобиля может быть получено по уравнению (3.28). Приближен­ ное решение, пренебрегающее изменением сопротивления воздуха, что направлено в запас надежности расчета, находят из следующих соображений.

При постоянной силе тяги двигателя в начале участка живая

Потеря в живой силе затрачивается на преодоление дополнитель­ ного сопротивления движению на подъем ( t max—0- Эта работа на пути L составляет LG(imaх—i). Отсюда

Таким образом, длина преодолеваемого по инерции участка с уклоном, превышающим предельный, при равновесной скорости со­ ставляет

5ВР (v2i - v l )

(3.22)

254 (гтах — О

где бВр — коэффициент влияния вращающихся частей автомобиля; щ, v 2 — скорости автомобиля, км/ч.

3.5. Особенности движения автомобилей по криволинейному продольному профилю

На современных автомобильных дорогах участки, имеющие раз­ личные продольные уклоны, сопрягают вставкой вертикальных кри­ вых болыцих радиусов (см. п. 5.2). В условиях пересеченного релье­ фа местности протяженность вертикальных кривых иногда превы­ шает 50% общей длины дорог высших категорий.

При движении автомобиля по криволинейному продольному пррфилю преодолеваемый продольный угол непрерывно изменяется, в связи с чем меняется и скорость автомобиля. Это делает услов­ ными выводы, вытекающие из рассмотренных выше формул дви­ жения с «равновесными скоростями». Поэтому в уравнении движе­ ния автомобиля для случая криволинейного продольного профиля

50