Глава III

Основы расчетов движения автомобилей по дорогам

§ III.1. Движение автомобиля по дороге.

СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ АВТОМОБИЛЯ

Все элементы современной автомобильной дороги должны обеспе­чивать возможность безопасного движения автомобилей с расчетной скоростью. Чем выше интенсивность движения по дороге, тем ббльшие взаимные помехи испытывают автомобили, и скорость их движения снижается. Поэтому (требования к отдельным элементам трассы дороги устанавливают из условия движения по дороге одиночного автомобиля.

Движущийся автомобиль испытывает сложную систему перемеще­ний — поступательное движение на прямых, вращение вокруг верти­кальной оси при движении по закруглениям, колебания в продольном и поперечном направлениях, вызываемые наездами колес на неровности покрытия и т. д. Не все эти особенности движения пока еще могут бьпь в полной мере учтены при проектировании дорог и поэтому при обосновании требований к элементам дороги в плане и профиле условно допускают, что автомобиль движется без колебаний по ровной, твердой недеформируемой поверхности.

Фактический режим движения автомобиля по дороге определяется тремя факторами — эксплуатационными свойствами автомобилей, до­рожными условиями, обеспечивающими возможность развить ту или иную скорость, и индивидуальными особенностями водителей, изби­рающих в зависимости от восприятия ими дорожных условий наи­более удобную дня себя скорость, при этом как правило, неполностью используются допускаемые конструкцией динамические возможности автомобилей. Для обеспечения проектом дороги возможности безопас­ного, экономичного, удобного и приятного проезда необходим комплек­сный учет взаимного влияния указанных факторов.

Сила тяги, развиваемая двигателем на ведущих колесах автомобиля, расходуется на преодоление сил сопротивления движению.

В наиболее общем случае ускоренного движения на подъем на ав­томобиль действуют следующие силы сопротивлений (рис. III.1): сопротивление качению (трение качения) Р„, сопротивление движению

2* 1=

35

у» на подъем Рг, сопротивление воз-

духа инерционные силы само- ■ет ^го автомобиля и вращающихся

ё/ ^{масс его} механизмов Рр возникаю-

& ^{щие П}Р^И изменении скорости двн- , жения. Силы сопротивления ка­чению и сопротивления воздуш- Рис. III.1. Силы сопротивления дви- _Ной среды всегда действуют на жению, действующие на автомобиль _{движущийся} автомобиль. Сопро­тивления движению на подъем н силы инерции в зависимости от продольного профиля дороги и режи­ма -движения автомобиля могут или отсутствовать или даже иметь отрицательный знак, способствуя движению (например, при спуске под гору или при торможении).

Сопротивление качению вызывается затратой энергии на деформа­цию шин и дороги. На ровных цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях основным фактором, определяющим сопротивление каче­нию, является обжатие шин. На менее ровных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжных мостовых) добавляются наезды колес на неров­ности покрытия. На грунтовых дорогах с мягкой поверхностью со­противление создается затратой усилий на деформирование шины и грунта при образовании колеи.

При движении по дорогам с твердыми покрытиями сопротивление качению прямо пропорционально давлению на дорогу!

. Р, = Щ}„ (Ш-1)

где — нагрузка на дорогу от отдельных колес; — соответствующие коэффициенты сопротивления качеиню

Прн движении по деформирующимся грунтовым поверхностям в образованием кояен существует более сложная зависимость между ко­эффициентом сопротивления качению и нагрузкой на колесо³,

Р, = 10^ (1И.2)

где Н — глубина колеи после прохода данного колеса; О — диаметр коле­са; | — коэффициент, меняющийся от 0.75 по 1 в зависимости от состояния грунта.

Обычно коэффициент сопротивления качению относят к общему весу автомобиля, т. е. считают:

(П1.3)

Оаю

где 2Ру — суммарное сопротивление качеиню всех колес автомобиля; 0_ЯВТ — вес автомобиля

Сопротивление качению зависит от скорости движения и от эла­стичности шины. Затраты энергии при наездах колеса на неровности дорожной одежды возрастают пропорционально квадрату скорости. После превышения скоростью некоторого критического значения воз­никают колебания шин в зоне выхода из контакта с дорогой и сопро­тивление качению резко увеличивается.

, Однако при скоростях движения ниже 50 км/ч сопротивление ка­чению возрастает очень медленно и его можно считать практически постоянным. Коэффициент сопротивления качению для разных покры­тий имеет следующие значения: .

у

Покрытия Значения Г

Цементобетониое и асфальтобетонное 0,01—0,02

Из щебня или гравия, обработанных органическими вя­жущими материалами, с ровной поверхностью . . . 0,02—0,025 Из щебия или гравия, не обработанных вяжущими,

с небольшими выбоинами 0,03—0,04

Булыжная мостовая . . 0,04—0,05

Грунтовая дорога ровная; сухая и плотная .... 0,03—0,06 Пашня, переувлажненный заболоченный грунт, • сыпу­чие пескн 0,15—0,30 и более

При скоростях, близких к расчетным, для проектирования дорог высших категорий можно принимать, что коэффициент сопротивления качению подчиняется зависимости:

/. = /»[!+0,01 (0-50)1, (111.4)

где V — скорость, км/ч; /₀ — коэффициент сопротивления качению при ско­ростях яо 50 км/ч; /(, — то же, при скорости V (50 < « < 150 км/ч)

Аэродинамическое сопротивление воздушной среды движению ав­томобиля вызывается:

лобовым сопротивлением, которое обусловлено разностью давле­ния воздуха спереди и сзади движущегося автомобиля;

трением воздуха о боковую поверхность автомобиля и сопротивле­нием, создаваемым выступающими частями автомобиля — крыльями, зеркалами, номерными знаками и др.;

затратой мощности на завихрение воздушных струй за автомоби­лем, около колес и под кузовом;

сопротивлением воздуха, проходящего через радиатор и подкапот­ное пространство.

В результате неравномерного обтекания и образования завихрений давление воздуха на поверхность движущегося автомобиля неравно­мерно. Имеются зоны повышенного давления, обозначенные на ри­сунке знаком +, и разрежения (рис. III.2).

Суммарная сила сопротивления воздуха движению автомобиля

выражается формулой аэродинамики:

_{р (Ш5)}

ш ₃₆а ₁₃ )

где с — коэффициент сопротивления среды (безразмерная величина, зави- ^СяЩая от формы тела, движущегося в воздухе, а также от гладкости его поверх-

3

7

Таблица 111.1 4Автомобиль	Кв. кгс-с2/м	со, м*
Грузовой	0,50—0,07	3—7"
Автобус с кузовом вагонного типа	0,025—0,050	4,5-7.0
Легковой	0,015—0,030	1,4—2,0
Обтекаемый спортивный, гоночный	0,010—0,015	1,0-1 5

ности); р — плотность воздуха, равная на уровне моря 0,125 кгс!с/м'; со —- площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную направлению его движения («лобовая площадь»), м^аа; V—скорость движения автомобиля отно­сительно воздушной среды, км/ч;

при попутном ветре V = (ь_ант — о„),

(1116)

при встречном ветре V — (о_авт -о_в).

Произведение ср при тяговых расчетах автомобилей заменяют ко­эффициентом сопротивления воздуха /(„, определяемым эксперимен­тально (табл. III. 1).

Площадь лобовой проекции вычисляют по формулам: для современных легковых автомобилей оз = 0,8ВН\ для автобусов и грузовых автомобилей с кузовом фурюн м =» — 0,9ВН (где В и Н — габаритные ширина и высота автомобилей). Обычно тяговые расчеты ведут применительно к движению при

спокойной безветренной погоде, Приближенно принимают, что сила сопротивления воздуха приложена в центре тяжести автомобиля.

Сопротивление воздуха резко возрастает при увеличении скоро­сти движения. Поэтому при кон­струировании автомобилей уде­ляется большое внимание сниже­нию воздушного сопротивления путем повышения их обтекаемости. За последние 30 лет коэффициент сопротивления воздуха для совет­ских легковых автомобилен сни­зился почти в 2 раза — е 0,046 для автомобиля ГАЗ-А до 0,020— 0,025 для легковых автомобилей типа «Чайка».

а)

6)

Рис. 111.2. Характер распределения давления воздуха на движущийся ав­томобиль: о — эпюра давления по вертикальной плос­кости симметрии; 6 — эпюра давления по горизонтальному сечению на уровне бу­фера

Сопротивление движению на подъем с уклоном » создается в результате необходимости допол­нительных затрат энергии на пе­ремещение автомобиля по наклон­ной поверхности дороги на неко­торую высоту, , 3

8

Для перемещения автомобиля по идущему на подъем участку до­роги длиной Ь на высоту И нужна работа Г = ОН.

Пренебрегая разницей между фактической длиной наклонного уча­стка дороги и его горизонтальной проекцией, несущественной для до­пускаемых на автомобильных дорогах продольных уклонов, можно выразить сопротивление движению на подъем на единицу пути урав­нением:

Р₄ = ± = (Ш.7)

Таким образом, коэффициент сопротивления движению на подъем, предс1аБляющий собой отношение Р, к весу автомобиля, равен ве­личине продольного уклона, выраженной в десятичных дробях.

Сопротивление инерционных сил автомобиля, возникающее при изменении его скорости, влагается из сил инерции поступательного движения и инерционных моментов вращающихся частей автомобиля.

При массе автомобиля т — - и скорости автомобиля V (в м/с)

5

величина инерционной силы поступательного движения

Р₎==т-^- = ~ .-^- = 0/, (111.8)

' ш в си ⁴ '

г1о I йо

гяс.-^ — ускорение автомобиля; / = - • ^ относительное ускорение.

Наряду с инерцией поступательного движения при изменении ско­рости движения возникает инерция вращающихся частей автомобиля (колес, маховиков, механизмов трансмиссии). Точную величину инер- цноиных сил при конструировании автомобиля устанавливают расче­том но известным размерам и массе вращающихся частей. Однако на практике, для того чтобы учесть влияние вращающихся частей, к инер­ции поступательного движения обычно вводят поправочный коэффи­циент учета вращающихся масс 6_вр, который представляет собой от­ношение полной силы, необходимой для разгона всех поступательно движущихся и вращающихся частей автомобиля, к «иле, необходимой только для разюна поступательно движущихся масс!