Безопасность транспортных средств

Величины K1 и K2, обусловливающие значение этих реакций и относительное расположение соответствующих линий на графике, зависят от типа автомобиля. У легковых автомобилей центр тяжести расположен примерно посередине базы. Поэтому при торможении нагрузка на переднюю ось больше, чем на заднюю, и тормозную систему

конструируют так, чтобы обеспечить K1 K2. У грузовых автомобилей и автобусов основная часть нагрузки (до 70 %) приходится на заднюю ось и тормозная сила, действующая на ее колеса, должна расти быст-

рее, чемтормозная силанаколесах переднейоси, то есть K1 K2. Увеличение тормозного момента, приложенного к колесу, вызы-

вает рост касательной реакции, который продолжается до тех пор, пока она не достигнет максимального значения, обусловленного сцеплением шины с дорогой.

Изменение касательных реакций Rx1 и Rx2 во времени показано на рис. 5.2.

P

tо

Рис. 5.2. График изменения тормозных сил:

tp – время реакции водителя; tс – время срабатывания тормозного привода; tн1 – время нарастания касательных реакций на колесах задней оси; tн – время нарастания касательныхреакцийнаколесахпереднейоси; tуст – времяустановившегосязамедления; tтор – время торможения; tо – остановочное время

61

Как мы уже выяснили, нормальные реакции дороги Rz1 и Rz2, действующие на переднюю и на заднюю ось автомобиля, зависят от интенсивности торможения, то есть от замедления jз.

Сила инерции в начальный период торможения

Pи Rx1 Rx2 K1 K2 t.

Тогда силы сцепления в этот период:

Pсц1 Gb K1L K2 thц x ;

Pсц2 Ga K1L K2 thц x .

Таким образом, в первый период торможения сила сцепления на колесах передней оси увеличивается с течением времени, а на колесах задней оси – уменьшается. Если считать коэффициент сцепле-

ния x постоянным, то силы Рсц1 и Рсц2 после начала торможения

изменяются пропорционально времени, как показано рисунке штриховыми линиями.

За время нарастания замедления tн1 касательная реакция на колесах задней оси достигает предельного значения по условиям сцепления, и они блокируются (точка А).

Сила инерции автомобиля после блокировки задних колес

Pи Рсц2 K1t.

Подставим это значение Ри в формулу для определения Rсц2:

Рсц2 Ga (Pсц2 K1t)hц x .

L

Решив это уравнение относительно Рсц2, получим

Pсц2 Ga K1hцt x . L hц х

62

Касательная реакция Rx2 (участок АВ) уже не зависит от тормозного момента. Водитель может прикладывать к тормозной педали сколько угодно большое усилие, все равно Rx2 будет равна силе сцепления Рсц2 и будет уменьшаться.

Уменьшение касательной реакции на задних колесах вызывает уменьшение силы инерции Ри, что отражается на динамическом перераспределении нагрузок и величинах нормальных реакций дороги.

Подставим полученное значение силы сцепления задних колес с дорогой в формулу для определения Рсц1:

GbL G xhц(a b) K1tLhц x .

L(L xhц)

Окончательно

Pсц1 G b hц х K1hцt x .

После блокировки колес задней оси автомобиля сила сцепления передних колес с дорогой Рсц1 продолжает расти.

Спустя время tн блокируются колеса передней оси автомобиля, так как сила Rx1 (точка В΄) достигает предельного значения по условиям сцепления.

63

После этого касательные реакции на колесах обеих осей автомобиля становятся равными силам сцепления (участки ВС и В΄С΄), то есть достигают максимальных значений, и суммарная сила сцепления всех колес в третьем заключительном периоде торможения будет

Rx1 Rx2 Rz1 Rz2 x G x .

Если считать коэффициент сцепления x постоянным, то в треть-

ем периоде (время установившегося замедления или полного торможения) касательные реакции тоже постоянны.

Закон изменения касательных реакций на колесах передней оси в процессе торможения характеризуется линией ОВ΄С΄, а на колесах задней оси – линией ОАВС.

В рассуждениях предполагалось, что тормозные силы беспрепятственно могут достигать предельных значений по условиям сцепления. Практически же у грузовых автомобилей, оборудованных тормозной системой с гидроприводом, предельная величина тормозных сил ограничена физическими возможностями водителя. Усилие, развиваемое им при экстренном нажатии на тормозную педаль, составляет в среднем 500–600 Н и не превышает 1000–1200 Н. У автомобилей с пневмоприводом рост тормозных сил ограничивается мощностью компрессора и давлением воздуха в магистрали. В обоих случаях тормозных сил часто недостаточно для блокировки колес даже при полном использовании конструктивных возможностей автомобиля и колеса продолжают вращаться до остановки автомобиля. Рост касательных реакций прекращается в точках D и D΄, после чего они остаются примерно постоянными и равными Rx1max и Rx2max.

При большом желании можно было бы сконструировать тормозные механизмы, позволяющие довести колеса автомобилей большой массы до блокировки, но тогда необходимы тормоза с большими поверхностями трения, которые нуждаются в интенсивном охлаждении. Однако большие тормозные механизмы сложно разместить внутри колес, а увеличение их массы ведет к увеличению неподрессоренных масс автомобиля, что приводит к ухудшению плавности хода. Поэтому максимальные значения касательных реакций на колесах грузовых автомобилей большой грузоподъемности и ав-

64

тобусов большой вместимости при движении по сухим дорогам обычно меньше сил сцепления Показатели тормозной динамики у таких автомобилей ниже, чем у автомобилей меньшей массы.

5.4. Замедление, время и путь торможения автомобиля

Измерителями тормозной динамики являются замедление, время и путь торможения, а оценочными показателями являются замедление за время установившегося замедления (полного торможения) и путь автомобиля от начала воздействия водителя на орган управле-

ния до полной остановки, то есть за время tс + tн + tуст, где tс – время срабатывания тормозной системы;

tн – время нарастания замедления;

tуст – интервал времени, в котором замедление постоянно.

Для получения сравнимых результатов эти показатели определяют при экстренном торможении автомобиля на горизонтальном участке дороги с сухим и твердым покрытием. Основным, часто и единственным, показателем тормозной динамики более чем в половине международных нормативных документов считается тормозной путь. Приблизительно в 40 % таких документов фигурирует установившееся замедление. Значения показателей, конкретизированные для отдельных типов автомобилей, используют в качестве нормативов эффективности тормозных систем.

Определим показатели тормозной динамики автомобиля на различных этапах торможения.

В течение времени tн1 касательная реакция на колесах задней оси изменяется пропорционально времени

Rx2 K2tн1,

а в конце этого периода наступает блокировка задних колес, то есть касательная реакция становится равной силе сцепления

Рсц2 Gа K1tн1hц x .

L хhц

65

Приравняв эти выражения, определим продолжительность периода tн1 от начала торможения до блокировки колес задней оси:

K2tн1 Gа K1tн1hц x , L хhц

откуда

Сила инерции и замедление в этом периоде изменяются прямо пропорционально времени, так как

Pи mjз' K1 K2 tн1,

откуда

где αт K1 K2 . m

Из предыдущей формулы выразим dV:

dV тtн1dt.

Проинтегрировав это выражение, получаем значение скорости V1 в конце первого периода:

V1 V0 т2tн21 ,

где V0 – начальная скорость автомобиля.

Проинтегрировав полученное выражение, получаем значение пути S1, который проходит автомобиль за время первого периода tн1:

S1 V0tн1 т6tн31 .

66

В большинстве случаев последним числом в уравнении пути пренебрегают, тогда

S1 V0tн1.

Продолжительность периода tн находим из условия равенства касательной реакции Rх1 на колесах передней оси силе сцепления Рсц1 в конце этого периода:

Rx1 K1tн, Pсц1 G b hц x K1hцtн x .

L hц x

Решая совместно эти уравнения, получаем

G b hц x K1hцtн x K1tн L hц x

или

G(b hц х) х K1hцtн х K1tнL K1tнhц х,

отсюда

tн G b hц x х. K1L

После блокировки колес задней оси сила инерции автомобиля

тогда замедление в период времени tн будет

67

получим

jз" т тtн.

Проинтегрировав последнее выражение, получим скорость автомобиля V2, а проинтегрировав его второй раз, получим путь автомобиля S2 до момента блокировки колес передней оси.

В заключительном периоде торможения, когда колеса обеих осей заблокированы, сила инерции Pи G x , а замедление – jз'" g x , так как

jз'" Pmи Gmx g x .

Значит, замедление в этот период торможения постоянно (время установившегося замедления tуст ), а автомобиль движется равноза-

медленно, и его скорость равномерно падает, то есть

V3 V2 jз'"tуст.

В конце третьего периода скорость автомобиля V3 = 0, и продолжительность этого периода определится как

68

Таким образом, время от начала воздействия водителя на педаль тормоза до остановки автомобиля (время торможения)

tтор tc tн tуст.

Время от того момента, когда водитель увидел препятствие, до остановки автомобиля (остановочное время) включает еще и время реакции водителя:

tо tp tc tн tуст.

Путь автомобиля за время tуст определим следующим образом.

Подставив в последнее выражение значение dt , получим

dS VdjV .

Интегрируя это выражение, получаем

Тогда тормозной путь автомобиля определится как

Sт Sc Sн Sуст,

где Sc, Sн, Sуст – путь, проходимый автомобилем за время tc, tн, tуст соответственно.

Остановочный путь автомобиля

Sо Sp Sc Sн Sуст,

где Sp – путь, пройденныйавтомобилем за времяреакции водителя tp.

69

Все полученные формулы дают возможность определить скорость, путь, время и замедление автомобиля в любой момент торможения и учитывают основные факторы, влияющие на этот процесс, в том числе конструктивные особенности автомобиля: массу, расположение центра тяжести, базу, скорости нарастания тормозных сил и т. д.

5.5. Путь торможения при заданных значениях tс, tн и tуст

Если известны значения времени срабатывания тормозного привода tс, времени нарастания замедления tн и времени установившегося замедления tуст, то тормозной путь можно рассчитать следующим образом.

Допустим, что в течение времени tн автомобиль движется равнозамедленно с замедлением, равным 0,5jуст. Найдем его скорость Vн

в конце времени нарастания замедления tн:

Vн V0 0,5jустtн.

Путь автомобиля за время tн найдем, проинтегрировав выражение для получения Vн:

Sн V0tн 0,25jустtн2 V0tн.

Получаем путь автомобиля за время установившегося замедления tуст:

Следовательно, тормозной путь автомобиля

70