Главная1. Режим движения отдельных видов транспортных средств определяется их динамическими качествами. В составе городских транспортных потоков преобладает автомобильный транспорт. Поэтому необходимо, чтобы проектируемая улица или дорога прежде всего удовлетворяла требованиям динамики автомобиля. В процессе движения автомобиль совершает ряд сложных перемещений — поступательное на прямых участках, вращение вокруг вертикальной оси при движении на кривых, а также продольные и поперечные колебания. В основу проектирования дорог положено решение вопросов взаимодействия дороги и автомобиля, обеспечение механической устойчивости его движения. Одним из главных факторов, определяющих режим движения автомобиля, являются его динамические качества.
Вместе с тем в транспортных потоках, особенно смешанных, где отдельные транспортные средства испытывают взаимные помехи, фактический режим движения во многом зависит от таких факторов, как дорожные условия и особенности их психологического восприятия водителями, что влияет на выбор последними режима движения.
Сложность учета и пока еще недостаточная изученность всех факторов, влияющих на режим движения, не позволяют в полной мере учесть их при проектировании. Поэтому расчет основных геометрических парам дорог устанавливают на основе положений теоретической механики из условия движения одиночного автомобиля с расчетной скоростью без колебаний, по ровной недеформируемой поверхности, с полной реализацией тяговых возможностей автомобиля.
Наличие в составе транспортного потока троллейбусов и трамваев предъявляет дополнительные требования к проектированию элементов городских дорог и улиц, а также их оборудованию. Привязка к контактной сети и рельсовому пути делает эти виды транспорта маломаневренными, особенно трамвай. В результате взаимные помехи с другими видами транспорта, особенно при узкой проезжей части, резко возрастают, что сказывается на режиме движения потока в целом.
Использование электроэнергии для движения троллейбусов и трамваев требует устройства тяговых подстанций, оборудование линий контактной сети, а для трамваев — рельсовых путей. Кроме того, трассы троллейбусных линий по условиям надежности токосъема можно прокладывать только по улицам, имеющим усовершенствованные капитальные покрытия.
2. Сила тяги автомобиля. При сгорании смеси топлива в двигателе совершается полезная работа по перемещению поршней и вращению коленчатого вала, вследствие чего двигатель развивает определенную мощность. Мощность, снятая с коленчатого вала и используемая для движения автомобиля, называется эффективной мощностью Ne. Она не остается постоянной, а возрастает с увеличением числа оборотов коленчатого вала до некоторой максимальной величины — Ne max, определенной для каждого двигателя. При дальнейшем увеличении числа оборотов ухудшается процесс сгорания топлива, увеличиваются потери на трение и мощность начинает уменьшаться.
При работе двигателя на его валу развивается определенный крутящий момент Ме, характеризующий работоспособность двигателя. Между эффективной мощностью Nе, Вт, частотой вращения вала двигателя пе, об/мин, и крутящим моментом Nе, Н*м, имеется следующее соотношение:
С изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя изменяются крутящий момент Ме и удельный расход топлива, г/Вт, показывающий количество топлива в граммах, израсходованное на каждую единицу мощности в час (gе).
При испытании работающего двигателя на стенде получают экспериментальную зависимость Nе, Ме и ge от частоты вращения коленчатого вала ne при полном открытии дроссельной заслонки в карбюраторном двигателе или с полной подачей топлива в дизелях. Эта зависимость, представленная в виде графика, называется внешней скоростной характеристикой двигателя.
Через трансмиссию автомобиля (сцепление, коробку передач, карданный вал и главную передачу) крутящий момент двигателя Ме передается на ведущие колеса. Крутящий момент на ведущих колесах равен
где ik — передаточное число коробки передач; i0 — передаточное число главной передачи; η — механический коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля, составляющий для легковых автомобилей 0,88—0,92, для грузовых автомобилей и автобусов — 0,8—0,9.
Крутящий момент на ведущих колесах вызывает появление пары сил (рис. 35): окружной силы Рк, приложенной в месте контакта колеса С покрытием, и тягового усилия Ра, приложенного в центре колеса, которое через ведущий мост и рессоры передается на раму автомобиля, вызывая его движение. Эти силы равны
где rк=r0λ — радиус колеса с учетом деформации шины, характеризуемой коэффициентом деформации λ, принимаемым равным 0,945—0,950 — для шин высокого давления и 0,930—0,935 —для шин низкого давления.
Принимая во внимание соотношение между эффективной мощностью Nе, частотой вращения вала ne и крутящим моментом двигателя Ме, приводим выражение тягового усилия к виду
Скорость автомобиля (м/с) при частоте вращения ведущего колеса nк = ne/iкi0 равна
Преобразуя формулу тягового усилия, получим
где Ne — эффективная мощность двигателя, Вт, при которой автомобиль развивает скорость v, км/ч.
Из сказанного выше видно, что сила тяги и скорость автомобиля изменяются в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и передаточного числа коробки передач. При движении автомобиля на определенной передаче сила тяги и скорость автомобиля увеличиваются с возрастанием числа оборотов коленчатого вала. Использование разных передач также приводит к изменению силы тяги и скорости движения автомобиля. Так, переход на низшие передачи при постоянной частоте вращения коленчатого вала обеспечивает увеличение силы тяги, но одновременно приводит к уменьшению скорости движения. Наибольшая скорость может быть достигнута автомобилем при использовании прямой передачи (iк=1) при благоприятных условиях движения и незначительных дорожных сопротивлениях, так как сила тяги в этом случае будет небольшая.
3. Сопротивления движению автомобиля. При движении автомобиля его сила тяги расходуется на преодоление следующих сил сопротивления движению: сопротивление качению Рf; сопротивление движению на подъем Рi; сопротивление воздушной среды Рв; сопротивление инерционных СИЛ Рj.
Сопротивление качению Pf возникает за счет затрат энергии на деформацию шин и дороги, которые не являются идеально упругими телами. Упругие и пластические деформации дороги зависят от типа покрытия и величины удельного давления на него колеса. На дорогах с асфальто- и цементобетонными покрытиями, отличающихся ровностью поверхности проезжей части, Pf вызывается в основном затратами энергии на деформирование шин. На других покрытиях, таких, как щебеночные, гравийные, брусчатая и булыжная мостовые, Рf увеличивается в результате качения колес по менее ровной поверхности и связанных с этим ударами колес при наездах на неровности дорожного покрытия.
При качении колес автомобиля по твердому покрытию Рf прямо пропорционально массе автомобиля G. Коэффициент сопротивления качению f зависит от типа и состояния дорожного покрытия, свойств колеса и скорости движения. Его величину устанавливают опытным путем. Средние значения f для дорог с различными типами покрытий при нормальном давлении воздуха в пневматической шине следующие:
Приведенные значения коэффициентов сопротивления качению практически не изменяются при скоростях движения до 50 км/ч.
С возрастанием скорости, после превышения ею некоторого критического значения, в шинах возникают радиальные колебания и величина коэффициента сопротивления качению заметно увеличивается. Существенное значение имеет здесь жесткость шины, зависящая от величины давления в камере и конструкции покрышки. При движении автомобиля по ровным, твердым покрытиям сопротивление качению тем больше, чем ниже давление в шинах, т. е. меньше ее жесткость и больше деформируемость.
Значения f при скоростях от 50 до 150 км/ч fv находят по эмпирической формуле
где v — скорость автомобиля, км/ч; f — коэффициент сопротивления качению при скоростях до 50 км/ч, значения которых приведены выше.
Сопротивление движению на подъем с уклоном i возникает при перемещении автомобиля по наклонной поверхности дороги на некоторую высоту. Эта сила является составляющей веса автомобиля и направлена параллельно плоскости дороги (рис. 36)
Так как углы подъема на автомобильных дорогах незначительны, можно допустить, что sin α=tg α, а длина наклонного участка дороги равна его горизонтальному проложению L. Тогда tg α = H/L = i, где Н — высота подъема дороги на участке длиной L; i — продольный уклон на этом участке, выраженный в десятичных дробях.
Таким образом, сопротивление движению на подъем равно
Сопротивление воздушной среды возникает при движении автомобиля в результате реактивного давления воздуха на его лобовую поверхность, граничного трения воздуха о боковые поверхности кузова, а также завихрений воздушных струй за автомобилем, под его кузовом и около колес.
Величина сопротивления воздушной среды зависит от размеров лобовой поверхности автомобиля, конфигурации и обтекаемости его кузова, плотности и температуры воздуха. Сила сопротивления воздушной среды Рв пропорциональна квадрату скорости движения автомобиля и выражается следующей зависимостью:
где с — коэффициент обтекаемости, зависящий от формы автомобиля и гладкости его поверхности; ρ — плотность воздуха, кг*с2/м4; F — лобовая площадь автомобиля, м2; V — скорость движения автомобиля, м/с.
Произведение сρ обычно представляют в виде коэффициента сопротивления воздушной среды k (табл. 13).
Лобовая площадь автомобиля F с достаточной степенью точности может быть определена по формуле
где В — ширина автомобиля, м; H — высота, м.
Значения лобовой площади для некоторых видов автомобилей приведены в табл. 13.
Выражая скорость в км/ч, получим
Сопротивление воздушной среды возрастает при движении автопоездов, состоящих из автомобиля-тягача и прицепов. Каждый прицеп увеличивает сопротивление воздушной среды на 15—25%.
Сопротивление инерционных сил возникает при неравномерном движении автомобиля с увеличивающейся скоростью. Оно слагается из инерции поступательно движущейся массы автомобиля и сил инерции вращающихся частей автомобиля.
Величина инерционной силы поступательного движения автомобиля массой m=G/g равна
где dv/dt — ускорение автомобиля.
Полагая 1/g dv/dt = j — относительное ускорение, получим величину инерционной силы поступательного движения
Влияние вращающихся масс автомобиля, главным образом маховика и колес, учитывается поправочным коэффициентом δ, который представляет собой отношение полной силы, необходимой для разгона всех поступательно движущихся и вращающихся частей автомобиля, к силе, необходимой только для разгона поступательно движущихся масс:
Коэффициент влияния вращающихся масс принимает различные значения в зависимости от того, на какой передаче движется автомобиль. Чем больше передаточное число коробки передач, тем выше коэффициент δ. Его величина может быть определена по приближенной эмпирической формуле
где n — коэффициент, равный 0,03—0,05 для легковых автомобилей и 0,05—0,07 для грузовых; ik — передаточное число коробки передач.
С учетом коэффициента δ сопротивление инерционных сил равно
Когда движение автомобиля связано с частым изменением скорости, остановками, что характерно для городских условий, протекание рабочих процессов двигателя несколько видоизменяется. Это сказывается на величине тяговой силы в результате своеобразной «тепловой инерции» двигателя, который не успевает мгновенно приспосабливаться к происходящим изменениям нагрузки, и процесс сгорания происходит при менее выгодных условиях, чем при установившемся режиме работы.
Влияние неустановившегося режима двигателя на динамику автомобиля в этом случае оценивают по аналогии с влиянием вращающихся частей двигателя введением поправочного коэффициента δ' к инерции поступательно движущихся масс. Дополнительное инерционное сопротивление от влияния неустановившегося режима работы двигателя равно
где δ' — коэффициент, равный 0,075—0,085 для легковых автомобилей и 0,070—0,075 для грузовых (проф. Б.С. Фалькевич).
В общем случае сопротивление инерционных сил имеет следующий вид:
4. Динамические характеристики автомобиля. При движении автомобиля тяговое усилие затрачивается на преодоление сил сопротивления движению. Условие равенства внутренних и внешних сил называется уравнением тягового баланса или уравнением движения автомобиля и имеет следующий вид:
Знак плюс перед силой Pi соответствует движению на подъем, а знак минус — на спуск. Знак плюс перед силой Pj соответствует ускоренному движению, а знак минус — замедленному. Приведенное выражение представляет собой распределение тяговой силы по отдельным видам сопротивлений движению автомобиля. Уравнение тягового баланса показывает, что в каждый данный момент движения сила тяги равна сумме всех сил сопротивления.
Подставив значения сопротивлений, определенных ранее, получим уравнение тягового баланса в развернутом виде:
Перенеся величину сопротивления воздушной среды в левую часть и разделив все члены полученного выражения на массу автомобиля, получим удельный тяговый баланс, отнесенный к единице массы автомобиля:
Разница между полной силой тяги на ведущих колесах и сопротивлением воздушной среды, отнесенная к единице массы автомобиля, является характеристикой тяговых или динамических качеств автомобиля и названа акад. Г.А. Чудаковым динамическим фактором D:
Это выражение является основным измерителем, характеризующим тяговые качества автомобиля, резерв тягового усилия на единицу его массы, который может быть израсходован на преодоление дорожных сопротивлений (f и i) и на ускорение автомобиля.
Так как сила тяги и сопротивление воздушной среды зависят от скорости движения, то и величина динамического фактора соответственно меняется с изменением скорости. Кривая, характеризующая зависимость динамического фактора от скорости движения на каждой передаче, называется динамической характеристикой автомобиля (рис. 37). Она является основой для тяговых расчетов и позволяет определять основные параметры движения — максимальную скорость при заданных дорожных сопротивлениях, предельные сопротивления дороги, преодолеваемые автомобилем на данной передаче, ускорение при разгоне.
Скорость, соответствующая максимальному значению динамического фактора на графике для данной передачи, называется критической скоростью. При движении автомобиля с этой скоростью в случае увеличения сопротивлений движение становится неустойчивым и необходимо переключение на следующую пониженную передачу.
Величина динамического фактора равна величине дорожных сопротивлений (f+i) при движении с равномерной установившейся скоростью. В этом случае ускорение равно нулю. Исходя из условий установившегося режима движения автомобиля с помощью динамических характеристик, решают частные задачи проектирования продольного профиля.
Сцепление пневматических шин с дорожным покрытием. Крутящий момент ведущего колеса автомобиля вызывает в месте контакта с поверхностью дороги окружную силу Рк, под воздействием которой на поверхности дороги возникает равная и противоположная ей реакция дороги Т, являющаяся силой трения между дорогой и колесом. Движение автомобиля будет возможно только при условии достаточного сцепления ведущих колес автомобиля с дорожным покрытием, когда вращение колеса будет происходить без проскальзывания по покрытию.
Отношение наибольшей силы тяги Ра=Рк к вертикальной нагрузке на ведущее колесо Gсц, с превышением которой начинается пробуксовывание колеса, называется коэффициентом сцепления
Максимальная величина силы тяги по условию сцепления колес с покрытием пропорциональна нагрузке на ведущие колеса автомобиля Gсц
Величина коэффициента сцепления зависит от нагрузки на ведущие колеса, шероховатости и влажности покрытия, типа, жесткости и степени изношенности шин, а также скорости движения и погодных условий. Это необходимо учитывать при решении вопросов устойчивого и безопасного движения автомобилей.
Силы, действующие в месте контакта колеса с покрытием, могут быть направлены как в плоскости вращения колеса, так и под углом к этой плоскости. В расчетах элементов дорог полагают, что геометрическая сумма сил, действующих в площади контакта колеса с дорогой, не должна превышать величины силы сцепления. При этом различают два рода коэффициентов: продольного сцепления и поперечного. Коэффициент продольного сцепления φ1 соответствует началу проскальзывания колеса при его вращении в плоскости движения без воздействия боковой СИЛЫ (φ1 = φ). Коэффициент поперечного сцепления φ2 является поперечной составляющей коэффициента сцепления φ, когда колесо одновременно и вращается, и скользит в сторону.
Сила сцепления зависит главным образом от степени износа дорожного покрытия и состояния его поверхности. Как показали исследования коэффициента сцепления, на его величину большее влияние оказывает состояние дорожного покрытия, а не его тип. На грязных, влажных и скользких покрытиях величина коэффициента сцепления снижается вследствие образования из пыли и воды cмазки, разделяющей шероховатые поверхности колеса и дорожного покрытия.
Для лучшего сцепления колес с покрытием на протекторе покрышки шины делают выступы различной формы по определенным рисункам. Это способствует также выжиманию воды из-под колес при мокром покрытии и предотвращает возникновение явления аквапланирования шины, когда при движении с высокой скоростью пленка воды не успевает выжиматься из-под набегающего колеса и собирается, образуя водяной клин между колесом и покрытием. В результате возникает гидродинамическая подъемная сила и контакт шины с покрытием уменьшается, что может привести к потере управляемости передними колесами и сделать торможение автомобиля невозможным.
С возрастанием скорости величина коэффициента сцепления уменьшается. Это связано с тем, что при высоких скоростях шина не успевает полностью деформироваться из-за кратковременности ее контакта с покрытием, в течение которого неровности покрытия вдавливаются в шину на меньшую глубину.
Изменение погодных условий также влияет на величину коэффициента сцепления, который снижается в зимний период и повышается летом. При проектировании в различных климатических условиях необходимо учитывать наиболее типичное состояние дорожного покрытия, применительно к которому следует вести тяговые расчеты.
Коэффициент сцепления φ является важной характеристикой, от которой зависит тормозной путь автомобиля, а также устойчивость его против заноса на кривых в плане.
Расчетные значения коэффициентов сцепления в зависимости от состояния покрытия следующие:
Условия сцепления колес с дорожным покрытием существенно влияют на динамические возможности автомобиля. Значительные тяговые усилия, обеспечиваемые мощностью двигателя, могут быть реализованы только при достаточном сцеплении колес с покрытием. Поэтому при тяговых расчетах помимо динамических характеристик по мощности двигателя пользуются динамическими характеристиками по условию сцепления. Подставив в уравнение тягового баланса максимально возможную величину силы тяги, по условиям сцепления шины с дорожным покрытием Раmax=φGсц получим следующее выражение:
где Gсц — вес автомобиля, приходящийся на ведущие колеса.
Перенося величину сопротивления воздушной среды в левую часть и разделив все члены этого выражения на вес автомобиля, получим
Избыток сцепления над сопротивлением воздушной среды, отнесенный к весу автомобиля, называется динамическим фактором по сцеплению колес с дорожным покрытием
На рис. 38 показан пример динамической характеристики по условиям сцепления. Сцепление пневматических шин с покрытием является одним из главных условий обеспечения безопасности движения.
Торможение автомобиля. В условиях города движение транспортных средств происходит, как правило, с переменными скоростями, торможением и остановками, особенно на перекрестках. Торможение применяют также при необходимости быстрой остановки в аварийной ситуации. В процессе торможения, при выключенном сцеплении, когда крутящий момент двигателя не передается на ведущие колеса и их вращение замедляется действием тормозов, между колесом и дорогой возникает сила трения — тормозная сила Рт, которую определяют из выражения
где γт — коэффициент удельной тормозной силы, зависящий от числа тормозных колес, снижения и регулировки тормозов, интенсивности торможения водителем.
Предельное возможное значение γт равно величине коэффициента продольного сцепления шин с покрытием φ при торможении с полной блокировкой колес автомобиля и тормозная сила Рт равна
Это значение тормозной силы принимают в расчетах геометрических элементов улиц и дорог в плане и продольном профиле.
Условие торможения автомобиля может быть выражено из уравнения движения автомобиля, где тяговое усилие Ра заменено тормозной силой Рт:
Правая часть этого выражения представляет собой полную величину тормозной силы с учетом всех сопротивлений движению.
Изменение кинетической энергии при уменьшении скорости с v1 до v2 происходит на длине пути s и определяется выражением
Пренебрегая сопротивлением воздушной среды, которое быстро падает с уменьшением скорости при торможении, и не учитывая влияния вращающихся частей автомобиля, получим путь (м), проходимый автомобилем при снижении скорости ОТ v1 ДО v2 при V (м/с):
Отрицательное относительное ускорение при торможении j = 1/g dv/dt, характеризующее интенсивность замедления автомобиля, равно
Не учитывая сопротивление воздушной среды и влияние вращающихся частей автомобиля, получим значение абсолютной величины отрицательного ускорения а
При экстренном торможении с полной блокировкой всех колес γт=φ, тогда
В случае торможения до полной остановки автомобиля длина тормозного пути может быть найдена по формуле равномерно-замедленного движения
где v — скорость в начале торможения, м/с; а — абсолютная величина отрицательного ускорения, откуда длина тормозного пути равна
Чтобы учесть реальные условия торможения, когда не задается полностью реализовать возможную величину коэффициента сцепления, в формулу тормозного пути вводят, по предложению Д.П. Великанова, коэффициент эффективности торможения kэ, принимаемый 1,2 — для легковых автомобилей и 1,4 — для грузовых автомобилей и автобусов.
Важной характеристикой безопасности движения, используемой в расчетах элементов улиц и дорог, является величина расчетного тормозного пути, который проходит автомобиль от момента, когда водитель заметил препятствие, и до момента остановки. В этом случае весь процесс торможения включает следующие этапы. Водитель видит перед собой препятствие и принимает решение тормозить, нажимает на педаль тормоза, после чего происходит нарастание тормозного усилия в тормозных при водах. Весь этот период условно называют «временем реакции водителя» t и при расчетах принимают равным 1 с. За это время автомобиль проходит путь l1 = vt (рис. 39). Далее происходит интенсивное торможение при максимальном значении тормозной силы до полной остановки автомобиля. В формулу расчетного тормозного пути обычно включают некоторое расстояние — зазор безопасности между препятствием и остановившимся автомобилем lз.
Объединяя все расстояния, получим:
Величину коэффициента сцепления φ в расчетах назначают в зависимости от рассматриваемых условий движения.