Лекция 11. Тормозные свойства автомобиля

План лекции

11.1. Измерители тормозных свойств

11.2. Уравнение движения при торможении

11.3. Экстренное торможение

11.4. Время торможения

11.5. Тормозной путь

11.6. Коэффициент эффективности торможения

11.7. Остановочный путь и диаграмма торможения

11.8. Служебное торможение

Рекомендуемые материалы

11.9. Распределение тормозных сил по колесам автомобиля

11.10. Торможение автопоезда

11.10. Влияние различных факторов на тормозные свойства

Тормозные свойства имеют важное значение при эксплуата­ции автомобилей, так как от них во многом зависит безопасность движения. Чем лучше тормозные свойства, тем выше безопасность движения, средняя скорость и производительность автомобиля.

11.1. Измерители тормозных свойств

Измерителями тормозных свойств автомобиля являются замед­ление при торможении j_з м/с², время торможения t_тор, с, и тор­мозной путь S_mp, м. Наиболее важное значение из указанных из­мерителей имеют замедление и тормозной путь.

Нагрузка на автомобиль оказывает существенное влияние на его тормозные свойства. Поэтому в процессе эксплуатации для проверки эффективности тормозных механизмов в качестве изме­рителей используют максимально допустимый тормозной путь и минимально допустимое замедление автомобиля без нагрузки и с полной нагрузкой.

Нормативные значения измерителей тормозных свойств авто­мобиля без нагрузки при торможении на сухой асфальтовой гори­зонтальной дороге регламентированы правилами дорожного дви­жения.

11.2. Уравнение движения при торможении

Уравнение движения автомобиля выведем для случая тормо­жения на горизонтальной дороге (рис. 11.1). Спроецируем все силы, действующие на автомобиль, на плоскость дороги и получим сле­дующее уравнение движения при торможении:

Замедление при торможении определим из этого уравнения, представив его в следующем виде:

Рис. 11.1. Силы, действующие на автомобиль при торможении откуда

Значение замедления зависит от режима торможения автомо­биля. При эксплуатации применяется экстренное (аварийное) и служебное торможение.

11.3. Экстренное торможение

Экстренным называется режим торможения, при котором тор­мозные силы на колесах автомобиля достигают максимально воз­можного значения по сцеплению.

При этом колесо находится на грани юза (полного скольже­ния), но еще катится с некоторым проскальзыванием. Как пока­зали исследования, максимальное значение тормозной силы на колесе достигается при его 15...30%-ном проскальзывании.

Экстренное торможение применяется сравнительно редко и обычно составляет 3...5% общего числа торможений. При экст­ренном торможении замедление достигает наибольшего значения и на сухом асфальтобетоне составляет 7,5... 8 м/с². Экстренное тор­можение очень неприятно для сидящих пассажиров и опасно для стоящих. Оно вызывает повышенный износ шин и тормозных ме­ханизмов. При экстренном торможении для увеличения замедле­ния необходимо уменьшить влияние вращающихся масс, поэтому двигатель отключается от трансмиссии при помощи сцепления. Процесс торможения осуществляется только тормозной системой.

При экстренном торможении скорость автомобиля резко пада­ет, поэтому влияние силы сопротивления воздуха незначительно. Уравнение движения автомобиля при экстренном торможении принимает следующий вид:

Так как при экстренном торможении касательные реакции до­роги на передних и задних колесах имеют максимально возмож­ные значения по сцеплению, то

С учетом этого выражения для го­ризонтальной дороги и современных автомобильных дорог, имеющих не­большие уклоны, при экстренном торможении замедление

где φ_x — коэффициент сцепления ко­лес с дорогой.

Если во время торможения значе­ние коэффициента сцепления колес с дорогой не изменяется, то замедле­ние не зависит от скорости в течение всего периода торможения (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Зависимости замед­ления   j_з   времени торможе­ния t_тор,

    тормозного S_mop ос­тановочного S₀ путей автомо­биля от скорости      движения v

11.4. Время торможения

(Для определения времени торможения представим замедление следующем виде:

oткуда

Проинтегрировав последнее выражение, определим время тор­можения:

где v_H и v_K — значения скорости автомобиля соответственно в начале и конце торможения, выраженные в м/с, или

где v_Н и v_K выражены в км/ч.

При торможении автомобиля до полной остановки, когда v_K =  0, время торможения

Из этого выражения следует, что время торможения автомоби­ля связано линейной зависимостью со скоростью (см. рис. 11.2).

11.5. Тормозной путь

Тормозным называется путь, проходимый автомобилем за время полного торможения, в течение которого замедление имеет мак­симальное значение.

Используя соотношения  , выражение для

dS представим в виде  

Проинтегрировав это выражение, найдем тормозной путь:

где v_Н и v_K измеряются в м/с, или

где v_H и v_K измеряются в км/ч.

При торможении до полной остановки

Из этого выражения видно, что тормозной путь автомобиля характеризуется квадратичной зависимостью от скорости. При воз­растании начальной скорости тормозной путь быстро увеличива­ется (см. рис. 11.2).

11.6. Коэффициент эффективности торможения

В приведенных ранее формулах для определения времени тор­можения и тормозного пути автомобиля не учтен ряд конструк­тивных и эксплуатационных факторов, существенно влияющих на эффективность торможения. Поэтому в действительности значе­ния времени и пути торможения могут быть на 20...60 % больше рассчитанных по этим формулам.

Для согласования результатов теоретических расчетов с экс­плуатационными данными служит коэффициент эффективно­сти торможения к_э. Он учитывает непропорциональность тор­мозных сил на колесах нагрузкам, приходящимся на колеса, а также износ, регулировку, замасливание и загрязненность тор­мозных механизмов. Данный коэффициент показывает, во сколь­ко раз действительное замедление автомобиля меньше теорети­ческого, максимально возможного на данной дороге. Значение коэффициента эффективности торможения составляет 1,2 для легковых автомобилей и 1,4... 1,6 — для грузовых автомобилей и автобусов.

С учетом коэффициента эффективности торможения формулы для определения времени торможения и тормозного пути автомо­биля преобразуются к следующему виду:

Для случая торможения до полной остановки

где v_Н и v_K выражены в км/ч.

11.7. Остановочный путь и диаграмма торможения

Остановочным называется путь, проходимый автомобилем от момента, когда водитель заметил препятствие, до полной оста­новки автомобиля.

Остановочный путь больше, чем тормозной, так как он кроме тормозного пути дополнительно включает в себя путь, проходи­мый автомобилем за время реакции водителя, время срабатыва­ния тормозного привода и увеличения замедления. Остановочный путь

где S_a — дополнительный путь, м, или

где t'_p = 0,2... 1,5 с — время реакции водителя, зависящее от его возраста, квалификации, утомляемости и т.д.; t_np — время сраба­тывания тормозного привода от момента нажатия на тормозную Педаль до начала действия тормозных механизмов, зависящее от конструкции тормозного привода и его технического состояния (составляет 0,2 с для гидравлического, 0,6 с — для пневматичес­кого, 1,0 с — для автопоезда с пневмоприводом); t_y = 0,2...0,5 с — время увеличения замедления от нуля до максимального значе­ния; v_H — скорость автомобиля в начале торможения, км/ч.

Выражение для остановочного пути по­лучено при наличии допущения, что в течение времени увеличения замедления автомобиль движется равнозамедленно и замедление в этом случае составляет 0,5 j_max - Из формулы для остановочного пути следует, что он, как и тормозной путь, характеризуется квадратичной за­висимостью от скорости. При увеличении начальной скорости он существенно воз­растает (см. рис. 11.2).

Остановочный путь автомобиль прохо­дит за остановочное время

Диаграмма торможения (рис. 11.3) представляет собой график изменения замедления и скорости автомобиля во времени при торможении. Она характеризует интенсивность торможения авто­мобиля с учетом всех составляющих остановочного времени.

Рис. 11.3. Диаграмма тор­можения автомобиля

11.8. Служебное торможение

Служебным называется такой режим торможения, при кото­ром тормозные силы на колесах автомобиля не достигают макси­мально возможного значения по сцеплению.

Служебное торможение является наиболее распространенным режимом торможения. При эксплуатации автомобилей оно состав­ляет 85... 87 % общего числа торможений. Максимальное значение замедления при служебном торможении не превышает 4 м/с². Тор­можение с таким замедлением вызывает неприятные ощущения и дискомфорт у пассажиров и применяется в исключительных случа­ях. Обычно в условиях эксплуатации используется плавное служеб­ное торможение, при котором замедление составляет 1,5... 2,5 м/с².

При эксплуатации автомобилей применяются различные спо­собы служебного торможения. Оно может осуществляться двига­телем, с отсоединенным двигателем, с неотсоединенным двига­телем (комбинированное торможение), тормозом-замедлителем (вспомогательным тормозом) и с периодическим прекращением действия тормозной системы.

Торможение двигателем. При торможении этим способом не используются тормозные механизмы колес автомобиля. В этом слу­чае тормозом служит двигатель, который не отсоединяется от трансмиссии, но работает на режиме холостого хода (с умень­шенной подачей горючей смеси) или на компрессорном режиме (без подачи в цилиндры горючей смеси). Ведущие колеса прину­дительно вращают коленчатый вал двигателя. В результате в двигателе за счет трения возникает сила сопротивления, которая за­медляет движение автомобиля.

Торможение двигателем применяют в горных условиях, при движении на длинных затяжных спусках и в тех случаях, когда требуется небольшое замедление. Оно обеспечивает плавное тор­можение, сохранность колесных тормозных механизмов и устой­чивость автомобиля против заноса (благодаря равномерному рас­пределению тормозных сил по колесам). Однако торможение дви­гателем на режиме холостого хода очень вредно для окружающей среды, загрязняемой отработавшими газами, с которыми на этом режиме выбрасывается большое количество оксидов углерода.

Торможение с отсоединенным двигателем. Торможение осуще­ствляется только тормозными механизмами колес автомобиля без использования двигателя. Двигатель отсоединяют от трансмиссии путем выключения сцепления или установкой нейтральной пере­дачи в коробке передач. Торможение с отсоединенным двигате­лем — основной способ служебного торможения. Оно чаще всего используется при эксплуатации автомобилей, так как обеспечи­вает необходимое замедление. Однако торможение с отсоединен­ным двигателем уменьшает устойчивость автомобиля на дорогах с малым коэффициентом сцепления (скользких, обледенелых и др.).

Торможение с неотсоединенным двигателем. Это комбиниро­ванный способ торможения, который осуществляется тормозны­ми механизмами колес совместно с двигателем автомобиля. Пе­ред приведением в действие тормозных механизмов уменьшают подачу горючей смеси в цилиндры двигателя. Угловая скорость коленчатого вала двигателя снижается, чему препятствуют веду­щие колеса, принудительно вращающие коленчатый вал через трансмиссию. В результате происходит торможение двигателем, после чего приводятся в действие тормозные механизмы колес. Торможение с неотсоединенным двигателем увеличивает срок службы тормозных механизмов, которые при длительных торможениях с отсоединенным двигателем сильно нагреваются и выхо­дят из строя. Кроме того, оно повышает устойчивость автомобиля против заноса вследствие более равномерного распределения тор­мозных сил по колесам автомобиля.

Торможение с периодическим прекращением действия тормоз­ной системы. Этот способ торможения обеспечивает наибольший эффект.

При таком способе торможения колеса автомобиля необходи­мо удерживать на грани юза, не допуская их скольжения. Колесо, катящееся и не скользящее, обеспечивает большую тормозную силу, а при движении колеса юзом его сцепление с дорогой резко уменьшается.

При скольжении колеса в месте контакта шины с дорогой ре­зина протектора нагревается и размягчается. При многократном последовательном нажатии на тормозную педаль и затем частич­ном отпускании ее с дорогой соприкасаются новые (не нагретые) части протектора шины, вследствие чего сохраняется максималь­ное сцепление колеса с дорогой. В начале скольжения колес авто­мобиля усилие, приложенное к тормозной педали, уменьшают. В этом случае колеса перекатываются, и в соприкосновение с до­рогой входят новые части протектора шин, которые не участвова­ли в торможении и в меньшей степени нагреты и размягчены.

Торможение с периодическим прекращением действия тормоз­ной системы рекомендуется выполнять только водителям высо­кой квалификации, так как для удержания колес автомобиля на грани юза без их скольжения необходимы большой опыт и внима­ние.

Торможение тормозом-замедлителем. Торможение осуществля­ют с помощью вспомогательного тормозного механизма, обычно действующего на вал трансмиссии автомобиля (рис. 11.4, б). Этот способ обеспечивает плавное торможение с замедлением 1... 2 м/с² в течение длительного времени.

Торможение тормозом-замедлителем целесообразно в горных условиях, где при частых торможениях колесные тормозные ме­ханизмы быстро нагреваются и выходят из строя. Так, напри­мер, торможение автомобиля в горных условиях производится в 8—10 раз чаще, чем в обычных условиях на загородном шоссе.

При торможении тормозом-замедлителем повышается безопас­ность движения и уменьшается износ тормозных механизмов, шин и двигателя. Тормозами-замедлителями обычно оборудуют грузо­вые автомобили и автобусы, предназначенные для особых усло­вий эксплуатации (горных и т.п.).

Рис. 11.4. Схемы моторного (а) и электродинамического (б) тормозов-замедлителей:

1 — заслонка; 2 — ротор; 3 — электромагнит

11.9. Распределение тормозных сил по колесам автомобиля

При торможении на горизонтальной дороге (см. рис. 11.1) дей­ствие силы инерции Р_и, приложенной в центре тяжести, которое характеризуется плечом, равным h_ц, приводит к перераспределе­нию нагрузки на колеса. При этом нагрузка на передние колеса увеличивается, а на задние уменьшается. Следовательно, нормаль­ные реакции R_Z1 и R_Z2, воспринимаемые колесами при торможе­нии, значительно отличаются от нагрузок G₁ и G₂, приходящихся на колеса в статическом состоянии.

Изменение нагрузок на колеса при торможении оценивается коэффициентами изменения реакций, которые для передних и задних колес соответственно равны

Для определения значений т_Р1 и т_Р2 найдем сначала нормаль­ные реакции R_Z1 и R_Z2 при торможении. С этой целью составим уравнение моментов относительно центра тяжести, пренебрегая силой сопротивления воздуха, так как при торможении скорость быстро падает и влияние силы незначительно:

При экстренном торможении на горизонтальной дороге

Тогда уравнение моментов примет вид

Спроецируем все силы на вертикальную плоскость и получим

Решим совместно два последних уравнения и найдем нормаль­ные реакции дороги, действующие на передние и задние колеса при торможении:

Используя полученные выражения для R_Zi и R_Z2 и учитывая, что

 находим коэффициенты изменения реакций при торможении для передних и задних колес соответственно:

Как показали исследования, при торможении предельные зна­чения коэффициентов изменения реакций составляют 1,5... 2,0 для передних колес и 0,5...0,7 — для задних.

Наибольшая интенсивность торможения автомобиля достига­ется при полном использовании сцепления всеми его колесами, что возможно только на дороге с оптимальным коэффициентом сцепления φ_опт = 0,40...0,45.

На дорогах с другими значениями коэффициента сцепления полное использование сцепления невозможно без блокировки колес одного из мостов. Так, при торможении на дорогах с коэф­фициентом сцепления, большим оптимального (φ_х > φ_опт), первы­ми будут блокироваться (доводиться до юза) задние колеса, что может вызвать занос и нарушение устойчивости автомобиля. При торможении на дорогах с коэффициентом сцепления, меньшим оптимального (φ, < φ_опт), в первую очередь будут блокироваться передние колеса, что может привести к нарушению управляемо­сти автомобиля.

Тормозные системы автомобилей часто выполнены так, что между тормозными силами передних и задних колес существует неизменное соотношение. Оно оценивается коэффициентом рас­пределения тормозных сил по колесам

где P_T0Pl = R_Z1φ_x — суммарная тормозная сила передних колес;

Р_тор = Gφ_х — тормозная сила автомобиля.

Распределение тормозных сил по колесам автомобиля считает­ся оптимальным, если передние и задние колеса могут быть одно­временно заблокированы (доведены до юза). В этом случае коэф­фициент распределения тормозных сил

Для того чтобы торможение автомобиля в любых дорожных условиях происходило с максимальным замедлением, необходи­мо, чтобы тормозные силы на его колесах всегда были пропорцио­нальны нагрузкам или нормальным реакциям, приходящимся на колеса:

Такая пропорциональность между тормозными силами и на­грузками на колеса может быть достигнута различными конструк­тивными мерами, например с помощью регуляторов тормозных

сил, которые изменяют значение тормозной силы на колесах мо­ста в зависимости от нагрузки, приходящейся на мост.

11.10. Торможение автопоезда

Рассмотрим торможение прицепного автопоезда (рис. 11.5) на горизонтальной дороге, пренебрегая силой сопротивления возду­ха (Р_в = 0), так как ее влияние при небольшой скорости незначи­тельно.

При торможении замедление будет равно:

для автомобиля-тягячя

для прицепа

где G_а и G_пр — вес с полной нагрузкой соответственно автомоби­ля-тягача и прицепа; m_а и т_пр — полная масса автомобиля-тягача и прицепа; Р_с — максимальная сила тяги на крюке.

С учетом суммарной тормозной силы, которая равна:

для автомобиля-тягача

для прицепа

можно записать

где — удельная тормозная сила автомобиля-тягача

и прицепа.

Рис. 11.5. Силы, действующие на автопоезд при торможении

Для случая использования сцепного устройства автомобиля с прицепом, не имеющего зазоров, можно считать, что при тормо­жении значения замедления автомобиля-тягача и прицепа равны

(j_з = j_пр)

Приравняв правые части выражений для замедлений автомо­биля-тягача и прицепа, получим

где— приведенный вес автопоезда с полной нагрузкой.

Из выражения для силы тяги на крюке следует, что при тормо­жении автопоезда характер взаимодействия автомобиля-тягача и прицепа зависит от соотношения между их удельными тормозны­ми силами.

При равенстве удельных тормозных сил автомобиля-тягача и прицепа сила тяги на крюке Р_с = 0 и их торможение происходит одновременно. Однако достичь этого в обычных тормозных систе­мах с пневматическим приводом не удается.

Если удельная тормозная сила автомобиля-тягача меньше, чем у прицепа, то сила Р_с > 0 и прицеп тормозится с опережением, растягивает автопоезд и исключает его складывание, однако ухуд­шается эффективность торможения автопоезда. При этом прицеп может сползать вбок и тянуть за собой автопоезд.

Если удельная тормозная сила автомобиля-тягача больше, чем у прицепа, то сила Р_с < 0 и прицеп тормозится с запаздыванием, накатывается на автомобиль-тягач, что может вызвать складыва­ние автопоезда и нарушение его устойчивости. Это и наблюдается у современных автопоездов с пневматическим тормозным приво­дом.

11.10. Влияние различных факторов на тормозные свойства автомобиля

На тормозные свойства автомобиля оказывают влияние раз­личные конструктивные и эксплуатационные факторы. К ним от­носятся конструкция тормозных механизмов и их техническое состояние, состояние дорожного покрытия и протекторов шин, распределение тормозных сил по колесам автомобиля, примене­ние регуляторов тормозных сил и антиблокировочных систем, способы служебного торможения и др. Рассмотрим влияние ука­занных факторов на тормозные свойства.

Тормозные механизмы и их техническое состояние. Тормозные свойства автомобиля во многом зависят от типа тормозных меха­низмов и их технического состояния. В передних и задних колесах грузовых автомобилей и автобусов применяют барабанные тор­мозные механизмы (рис. 11.6, а). В передних колесах легковых авто­мобилей используют дисковые тормозные механизмы (рис. 11.6, б), а в задних колесах — барабанные.

При торможении более эффективными являются барабанные тормозные механизмы, а более стабильными — дисковые. Диско­вые тормозные механизмы по сравнению с барабанными имеют меньшую массу, более компактны и лучше охлаждаются. Однако у них быстрее изнашиваются фрикционные накладки колодок, и они хуже защищены от загрязнения.

Техническое состояние тормозных механизмов серьезно влия­ет на эксплуатационные свойства автомобиля. От технического состояния во многом зависит безопасность движения. Так, напри­мер, самой распространенной причиной дорожно-транспортных происшествий, возникающих из-за технической неисправности автомобиля, является неудовлетворительное состояние тормозных механизмов (замасливание, загрязнение, износ, нарушение регу­лировки и др.). Как показывает статистика дорожно-транспорт­ных происшествий, около 15 % общего числа аварий с гибелью людей происходит вследствие неисправности тормозных механиз­мов.

Дорожное покрытие и протекторы шин. Состояние дорожного покрытия и протекторов шин определяет возможность реализо­вать создаваемую тормозными механизмами тормозную силу ав­томобиля, значение которой зависит от силы сцепления колес с дорогой.

Новое дорожное покрытие имеет шероховатую поверхность, и ее микроскопические выступы увеличивают сцепление шин с до­рогой. При износе дорожного покрытия микронеровности его поверхности сглаживаются и коэффициент сцепления колес с до­рогой уменьшается.

Рис. 11.6. Схемы барабанного (а) и дискового (б) тормозных механизмов: 1, 4 — тормозные колодки; 2 — тормозной барабан; 3 — тормозной диск

Рис. 11.7. Зимний рисунок протектора шины (а) и шипы противосколь­жения (б): 1 — сердечник; 2 — корпус

Зимой на заснеженных и обледенелых дорогах коэффициент сцепления существенно снижается, и для его уве­личения необходимо использовать шины с зимним рисунком про­тектора и ошипованные шины (рис. 11.7).

Регуляторы тормозных сил. Наибольшая интенсивность тормо­жения автомобиля достигается при полном использовании сцеп­ления всеми колесами автомобиля, что возможно только при оп­тимальном распределении тормозных сил по колесам. Поэтому для торможения автомобиля в любых дорожных условиях с мак­симальным замедлением необходимо, чтобы тормозные силы на колесах автомобиля всегда были пропорциональны нагрузкам на колеса. Это достигается при помощи регулятора тормозных сил, который изменяет значение тормозной силы в зависимости от нагрузки на задний ведущий мост. При этом исключается занос (юз) колес моста, повышаются устойчивость автомобиля и без­опасность движения.

Антиблокировочные системы. Такие системы устраняют блоки­ровку колес автомобиля при торможении, регулируют тормозной момент и обеспечивают одновременное торможение всех колес автомобиля. При этом достигается оптимальная эффективность торможения (минимальный тормозной путь) и повышаются ус­тойчивость автомобиля и безопасность его движения.

Эффективность торможения с антиблокировочной системой (АБС) зависит от схемы установки ее элементов. Наиболее эф­фективной является АБС с отдельным регулированием колес ав­томобиля (рис. 11.8, а). В этом случае на каждое колесо установлен отдельный датчик 2 угловой скорости, а в тормозном приводе к колесу — отдельный модулятор 3 давления и блок управления 1. Однако такая схема установки АБС наиболее сложная и дорого­стоящая.

В более простой схеме установки элементов АБС (рис. 11.8, 6) используются один датчик 2 угловой скорости, установленный на валу карданной передачи, один модулятор 3 давления и один блок управления 1.

Рис. 11.8. Схемы АБС с отдельным (а) и общим (б) регулированием колес:

"14. Рецензия" - тут тоже много полезного для Вас.

1 — блок управления; 2 — датчик; 3 — модулятор давления

Такая схема установки элементов АБС имеет более низкую чувствительность и обеспечивает меньшую эффективность торможения автомобиля.

Применение АБС обеспечивает наибольший эффект на скольз­кой дороге, когда тормозной путь автомобиля уменьшается на 10... 15 %. На сухой асфальтобетонной дороге такого сокращения тормозного пути автомобиля может и не быть.

Способ торможения. Из различных способов служебного режи­ма торможения автомобиля — торможение двигателем, с отсое­диненным двигателем (тормозной системой), совместно с двига­телем, тормозом-замедлителем и с периодическим прекращени­ем действия тормозной системы — наиболее эффективным явля­ется последний способ.

При торможении с периодическим прекращением действия тормозной системы обеспечиваются наиболее значительные тор­мозные силы на колесах автомобиля и сохраняется максимальное сцепление колес с дорогой. Однако из-за сложности такого спо­соба торможения его рекомендуется применять только водителям высокой квалификации.