Раздел (модуль) 6. Тормозные свойства и устойчивость колёсных машин Лекция 6.1. Тормозная динамика колёсной машины

6.1.1. Процесс торможения колёсной машины. Критерии тормозных свойств колёсной машины

Потребность в торможении транспортного средства возникает в следующих случаях:

- при необходимости снизить скорость движения или остановить машину;

- когда нужно предотвратить повышение скорости при движении машины на спусках;

- чтобы удержать машину в неподвижном положении на стоянках.

Способность к принудительному снижению скорости и быстрой остановке – важнейшее динамическое свойство машины, влияющее на её эксплуатационные показатели и имеющее большое значение для безопасности движения. Снижению скорости препятствует накопленная машиной при движении кинетическая энергия, которую нужно погасить. С этой целью создают дополнительные искусственные сопротивления движению.

Основной источник дополнительных сопротивлений движению – система тормозов, посредством которой создаются моменты трения, препятствующие вращению колёс. В качестве тормозного средства используют также двигатель, который в этом случае не отъединён от трансмиссии и приводится во вращение от колёс.

Наряду с искусственно создаваемыми сопротивлениями на машину при торможении действуют ещё сопротивления дороги и воздуха, которые тоже влияют на замедление движения.

В соответствии с этим различают следующие способы торможения колёсной машины: с отъединённым двигателем; непосредственно двигателем.

Движение машины при торможении выражается уравнением, которое может быть получено из ранее рассмотренного дифференциального уравнения движения колёсной машины. При этом касательную силу тяги следует заменить тормозной силой , взяв её со знаком минус, так как она направлена против движения. Тогда

,

где - замедление (отрицательное ускорение) движения.

Для оценки тормозных свойств колёсной машины принимают следующие критерии (показатели):

- максимальная величина замедления , которая может быть достигнута при торможении в заданных условиях;

- минимальный путь торможения , проходимый машиной от начала торможения до того момента, когда её скорость снизится до заданного значения;

- минимальное время торможения , требуемое для прохождения пути .

6.1.2. Торможение с отъединённым двигателем

Такой способ торможения применяют наиболее часто. В этом случае муфта сцепления выключается, и двигатель не оказывает влияние на процесс торможения. Тормозная сила определяется выражением

,

где - сумма моментов трения на всех колёсных тормозах.

Дифференциальное уравнение движения машины при торможении запишется

,

где - замедление машины; - коэффициент учёта вращающихся масс без учёта момента инерции двигателя .

Замедление будет максимальным, а путь и время торможения соответственно минимальными, если тормозное усилие имеет максимальное значение .

При исправных тормозах величина максимального тормозного усилия ограничивается сцеплением тормозимых колёс с дорогой т.е.

,

где - суммарная нормальная реакция дороги на тормозимые колёса; - максимальная величина коэффициента сцепления колёс с дорогой, возможная в данных условиях.

Коэффициент сцепления достигает при торможении наибольшего значения, когда колёса начинают заметно проскальзывать, но не доведены до «юза», т.е. ещё не прекратили вращаться. Поэтому при торможении не следует доводить колёса до «юза» т.к. снижается максимальное тормозное усилие и повышается опасность заноса машины.

Субъективная оценка процесса торможения, замедленная реакция водителя и отсутствие контроля над значением тормозного усилия на колёсах в большинстве случаев не позволяют избежать отмеченных негативных явлений при торможении и наиболее эффективно использовать тормозные свойства автомобиля. Поэтому создают устройства на основе использования микропроцессорной техники и мини-ЭВМ, автоматически управляющие работой тормозов. Они обеспечивают оптимизацию тормозной силы применительно к конкретным условиям торможения, предотвращают занос и блокировку тормозимых колёс.

Подставим в дифференциальное уравнение движения машины при торможении вместо силы её максимальное значение . Сопротивлением воздуха при интенсивном торможении можно пренебречь вследствие быстрого снижения скорости движения. Сопротивление качению входит в состав тормозного усилия. Таким образом, из всех сил сопротивления движению, входящих в остаётся только сопротивление подъёма . С учётом этого получаем следующее выражение максимального замедления при торможении с отъединённым двигателем:

.

Знак плюс соответствует движению машины в гору, что помогает торможению: чем больше угол подъёма, тем интенсивнее замедляется движение машины. Движение под уклон с отрицательным углом препятствует торможению.

Если тормоза установлены на всех колёсах, как это обычно делают на современных автомобилях, то реакция , а максимальное замедление

.

На горизонтальной дороге

.

Чем лучше дорога, тем больше может быть замедление машины при торможении. На твёрдых сухих дорогах максимальное замедление на горизонтальных участках может достигать 7…8 м/с . Дождь, грязь, гололедица, снег и другие факторы, отрицательно влияющие на сцепление шин с дорогой, резко снижают интенсивность торможения.

Как указывалось ранее, максимальное замедление машины при торможении следует применять лишь в аварийных ситуациях. Аварийное торможение встречается редко и составляет лишь 5…10% общего числа торможений. Обычное, так называемое служебное торможение происходит со значительно меньшей интенсивностью. Результаты наблюдений показали, что опытные водители замедляют движение перед плановыми остановками с интенсивностью 1,5…2 м/с .

Длина тормозного пути может быть определена из условия, что работа, совершаемая машиной за время торможения, должна быть равна кинетической энергии, потерянной ею за это время. Так как тормозной путь будет минимальным при наиболее интенсивном торможении, т.е. когда тормозная сила имеет максимальное значение , то указанное условие можно записать следующим уравнением:

,

где и - скорости автомобиля соответственно в начале и конце торможения.

Принимая в этом уравнении и учитывая, что , получаем минимальный путь торможения

.

Если торможение происходит с замедлением , то тормозной путь , т.е.

.

Если торможение осуществляется на горизонтальной дороге с замедлением до полной остановки машины , то минимальный тормозной путь

,

где - скорость движения в начальный момент торможения машины.

Из полученных формул видно, что на величину минимального тормозного пути оказывает влияние:

- начальная скорость движения машины, чем , тем ;

- коэффициент сцепления колёс с дорогой, чем , тем и наоборот;

- максимальная величина замедления, чем , тем .

Следует отметить, что при выводе этих формул не учитывалось:

- время реакции водителя ;

- время срабатывания тормозной системы ( для гидравлического привода тормозов, для пневматического привода);

- эксплуатационные факторы, снижающие эффективность торможения. Известно, что тормозные усилия на передних и задних колёсах не одновременно достигают максимальных значений по условиям сцепления с дорогой. Одновременно это может происходить только в том случае, если суммарная тормозная сила распределяется между передними и задними колёсами пропорционально силам сцепления этих колёс с дорогой. В то же время существующие конструкции тормозных механизмов распределяют тормозные усилия между передними и задними колёсами в определённой пропорции независимо от изменяющихся внешних условий. Поэтому оптимальные соотношения между тормозными усилиями передних и задних колёс могут быть достигнуты только в каких-то отдельных случаях. В остальных случаях максимально возможные по сцеплению тормозные усилия будут только на колёсах одной из осей (либо передней, либо задней) при недоиспользовании сил сцепления колёс другой оси. Оптимальных соотношений между тормозными усилиями передних и задних колёс можно достичь в случае автоматизации работы тормозов, т.е. воздействия на них с помощью микропроцессоров и ЭВМ.

- снижение эффективности действия тормозов из-за их загрязнённости, изношенности и неправильной регулировки. Техническое состояние тормозной системы может быть учтено коэффициентом снижения эффективности торможения, показывающим, во сколько раз действительное максимальное замедление автомобиля меньше теоретически возможного на данной дороге. При расчётах можно принимать для легковых и для грузовых автомобилей и тракторов.

В связи с указанными обстоятельствами полный (остановочный) путь , необходимый для остановки машины, больше минимального расчётного тормозного пути . Для определения полного остановочного пути машины на горизонтальной дороге можно использовать формулу:

.

Существенное значение имеет также такой измеритель тормозных свойств, как минимальное время торможения . При его определении следует учитывать, что машина при торможении движется равномерно замедленно, поскольку сопротивление движению в это время приблизительно постоянно. В соответствии с этим средняя скорость при торможении , а минимальное время эффективного торможения (без учёта подготовительных этапов)

.

Из всего изложенного следует, что существенное значение для повышения эффективности торможения имеют следующие конструктивные и эксплуатационные факторы:

- уменьшение времени реакции водителя и времени срабатывания тормозной системы;

- одновременное торможение всех колёс и оптимальное распределение между ними тормозных усилий;

- предотвращение блокировки колёс;

- содержание тормозной системы в исправном техническом состоянии и правильное её регулирование;

- автоматизация процесса торможения с использованием микропроцессорных средств и мини-ЭВМ.

6.1.3. Торможение двигателем

При торможении двигателем муфта сцепления включена. Карбюраторный двигатель работает на режиме холостого хода с включённым зажиганием, а дизель – с минимальной подачей топлива, достаточной для того, чтобы он не заглох.

Двигатель, включённый в тормозную систему машины, создаёт на ведущих колёсах два противоположно направленных момента: тормозной момент , вызываемый сопротивлениями, действующими в двигателе, и ведущий момент , создаваемый касательными силами инерции, возникающими в результате снижения скорости движения тормозимых масс двигателя. Первый из них способствует торможению машины, а второй – препятствует. Использование двигателя для торможения может дать эффект только при условии, что

.

Величина тормозного момента может быть определена по формуле

,

где - тормозной момент на коленчатом валу двигателя.

Инерционный момент , возникающий на ведущих колёсах машины

,

где - приведённый к коленчатому валу момент инерции движущихся масс двигателя и ведущих частей муфты сцепления; - угловое замедление коленчатого вала двигателя.

Представим угловое замедление коленчатого вала двигателя в виде

.

Тогда инерционный момент

.

Подставляя в неравенство значения указанных моментов, получаем условие применимости метода торможения двигателем:

,

откуда

.

Если замедление превышает указанные пределы, то торможение двигателем нецелесообразно и может принести только вред (энергия двигателя гасится в тормозе). Максимальное значение замедления, при превышении которого двигатель должен быть обязательно отключен, зависит главным образом от тормозного момента двигателя и от приведённого момента инерции его движущихся масс. Чем меньше тормозной момент и больше момент инерции , тем ниже значение замедления, допустимое при торможении двигателем.

Для повышения эффективности этого способа торможения в двигателях устанавливают клапаны для дросселирования выпуска газов или другие приспособления, повышающие тормозной момент двигателя .

Торможение двигателем целесообразно применять:

- когда целью торможения является сохранение скорости движения или некоторое её снижение;

- на кратковременных служебных замедлениях;

- на длинных крутых спусках в качестве дополнительного тормозного средства для уменьшения нагрева тормозов.

Тормозной момент, создаваемый двигателем, равномерно распределяется дифференциалом между правыми и левыми колёсами. Это снижает общую возможную неравномерность распределения тормозных усилий между колёсами и уменьшает вероятность блокировки одного из колёс. Последнее обстоятельство способствует повышению устойчивости машины против заноса, в особенности на мокрых и скользких дорогах.

При наличии гидромеханической трансмиссии торможение двигателем применять нельзя, поскольку гидротрансформатор способен передавать крутящий момент только в одном направлении, т.е. от двигателя к ведущим колёсам. В этом случае в качестве тормоза может быть использован гидротрансформатор, если он оснащён теми или иными приспособлениями, создающими дополнительные сопротивления потоку жидкости внутри круга циркуляции жидкости.

6.1.4. Особенности торможения автомобильного и тракторного поезда

Торможение авто и тракторного поезда можно рассматривать как суммарное торможение отдельных шарнирно-соединённых между собой повозок, каждая из которых получает соответственные замедления. При этом кроме обеспечения рассмотренных выше тормозных свойств, необходимо согласовать действие тормозов тягача и прицепов, чтобы предотвратить набегание прицепов на тягач и одного прицепа на другой.

Добиться абсолютной синхронности работы тормозов тягача и прицепов при любых условиях движения поезда возможно лишь в случае применения микропроцессорной техники и автоматизации процесса торможения. Поэтому целесообразно, чтобы прицепы начинали тормозиться раньше и оттормаживались бы позже, чем тягач, причём у задних прицепов эта разница должна быть больше, чем у передних.

Кроме более раннего торможения, важно так распределить тормозные силы между тягачом и прицепами, чтобы поезд при торможении находился в слегка растянутом состоянии, благодаря чему он становиться менее чувствительным к боковым возмущениям. Наличие в сцепке усилий сжатия способствует отклонению тягача и прицепа от их нормальных траекторий при наличии соответствующих внешних воздействий. Поэтому при анализе тормозных свойств поезда принимается в качестве дополнительного фактора усилие в сцепке.

Назовём парциальными замедлениями тягача и прицепа замедления, которые могли бы быть получены при торможении каждого из них в отдельности. Обозначим их соответственно через и . Очевидно, что выполнение требования об отсутствии в сцепке сжимающих усилий возможно, если

.

При выполнении указанного условия могут встретиться два случая:

1. . Это позволяет удовлетворить указанное требование, т.е. тормозные свойства поезда будут использованы полностью.

2. . Чтобы не допустить в этом случае возникновение в сцепке сжимающих усилий, нужно ограничить тормозную силу тягача и таким образом уменьшить его замедление. Принимая усилие в сцепке равным нулю, получаем, что в этом случае допустимое замедление тягача . Соответственно и допустимое максимальное замедление поезда ограничено величиной .

Минимальный тормозной путь поезда при движении до полной остановки на горизонтальной дороге имеет, согласно ранее полученному уравнению, следующее значение:

.

Из этого выражения видно, что необходимость снижения максимального замедления поезда в целях устранения сжимающих усилий в сцепке приводит к увеличению минимального тормозного пути поезда.