Коэффициент трения при торможении автомобиля

Тормозная система автомобиля (физика, формулы и теория)

Авторство: Александр aka dll (madtuning.ru; live4race.ru)

Данная статья поможет вам:
1) Понимать как работает тормозная система
2) С точностью определять что Вам не нравится в ваших тормозах
3) Грамотно изъясняться при обсуждениях тормозной системы
4) Решать какие доработки работают на вас для достижения целей
5) Подбирать правильные компоненты и понимать как они будут работать вместе
6) Соблюсти баланс осей

Из чего же состоит тормозная система:
1) Педальный узел, это рычаг который увеличивает усилие создаваемое ногой (Соотношение педали).
2) Главный тормозной цилиндр (ГТЦ)
3) Тормозные линии
4) Клапана, для соблюдения баланса. Тормозная система может иметь следующие клапана между ГТЦ и суппортами: Клапан остаточного давления, дозирующий, комбинированный, пропорциональный или ограничительный.
5) Тормозные суппорта
6) Тормозные колодки
7) Тормозные диски

**Итак начнем с азов (физики)**

Тормозная сила
Это крутящий момент, создаваемый эффективным радиусом тормозного диска, силой сжатия тормозных колодок и коэффициентом трения между колодкой и диском. Это сила с которой замедляется колесо вместе с шиной. Основные компоненты которые влияют на силу торможения — это насколько сильно сжимаются колодки, и как далеко от центра ступицы прикладывается эта сила. Отсюда чем больше размер тормозного диска, тем дальше сила сжатия прикладывается от центра колеса и тем самым мы увеличиваем тормозную силу (эффект рычага). Это также как когда вам надо открутить закисший болт, чем длиннее ключ (рычаг) тем проще.
Рекомендуемая сила расcсчитывается следующей формулой:

ТСр = ССП х (радиус качения шины)

коэффициент сцепления покрышки с дорогой достаточно сложно рассчитать, он может быть от 0,1 на льду до 1,4 на сухом гоночном треке со сликом. Если он вам неизвестен, то используйте его равным 1.

Помните, необходимо принять во внимание перенос веса, поскольку при торможении задняя часть разгружается, а передняя нагружается.

Перед:
ССПп = μ*ВСп / 2
ВСп = Вм*((1-Хцг/КБ)+(μ*Yцг/КБ))
Зад:
ССПз = μ*ВСз / 2
ВСз = Вм — ВСп

Где
ТСр — рекомендуемая тормозная сила (кг)
ССП — Сила сцепления покрышки (кг)
ССПп — Сила сцепления передней покрышки (кг)
ССПз — Сила сцепления задней покрышки (кг)
μ — коэффициент сцепления покрышки с дорогой (использовать 1)
ВСп — вертикальная сила действующая на обе передних покрышки (кг)
ВСз — вертикальная сила действующая на обе задних покрышки (кг)
Вм — Вес машины (кг)
Хцг — расстояние от передней оси до центра тяжести машины (см)
КБ — колесная база (см)
Yцг — расстояние от земли до центра тяжести машины (см)

После аккуратных расчетов мы сможем понять насколько нам крутые нужны тормоза и от чего зависит эта сила:
— Никак не зависит от скорости
— Может изменяться в зависимости от качества покрышки, качества покрытия, погодных условий
— Зависит от размера колеса ( как вы думаете, все те кто ставит огромные колеса, или огромные тормоза хоть как нибудь их рассчитывал и связывал вместе? =)
— Зависит от веса машины, клиренса и колесной базы, ведь правда, чем машина легче и ниже тем меньше перенос веса влияет на торможение.

Сила сжатия
Сила с которой суппорт прижимает колодки к диску измеряется в килограммах, это сила создается давлением в тормозной системе умноженным на площадь поршней (суппорт без скобы), или 2*на площадь поршней (суппорт со скобой), измеряется в кг\см^2. Чтобы увеличить силу сжатия, надо либо изменить давление в системе, либо увеличить площадь поршня. Изменение состава колодки (коэф трения) не влияет на силу сжатия.
Рассчитывается следующей формулой:

Где
СЗ — Сила сжатия (кг)
Дг — Давление создаваемое ГТЦ (кг\см^2)
Пп — эффективная площадь поршней (для суппорта со скобой это 2*на площадь поршней)

Итак теперь мы можем рассчитать какую же силу производят наши тормоза:

Где
СТп — производимая сила торможения (кг)
СЗ — Сила сжатия (кг)
µL — Коэффициент трения колодки и диска
Re — Эффективный радиус тормозного диска (от центра ступицы до центр колодки)

Коэффициент трения
Это индикатор силы трения между тормозным диском и колодкой. Чем выше коэффициент, тем выше сила трения. Для стоковых колодок это коэффициент варьируется от 0,3 до 0,4. Для гоночных от 0,5 до 0,6. «Жесткие» колодки имеют слабый коэффициент трения, при этом изнашиваются меньше. «Мягкие колодки наоборот, имею высокий коэффициент трения и быстрее изнашиваются. Большинство колодок имеет зависимость коэфф трения от температуры, поэтому гоночные колодки необходимо греть, в то время как гражданские при такой температуре уже потеряют свои свойства.

Теплоемкость
Я надеюсь что ни для кого не секрет что тормоза останавливают машину за счет преобразования кинетической энергии в тепло. А значит чем тяжелее машина, чем быстрее вы валите, тем больше тепла она должна рассеивать чтобы не перегреть жидкость, диски и не сжечь колодки. Способность дисков к рассеиванию тепла зависит от их веса и от того как они хорошо охлаждаются.
Формула кинетической энергии движущегося авто:

Где
К — кинетическая энергия (дж)
Вм — Вес машины (кг)
См — скорость машины (м\c)

Тут ничего нового, мы прекрасно понимаем, выбор тормозов зависит от того сколько весит ваш авто и/или как быстро вы ездите. И вы должны помнить еще с автомобильных курсов (для тех кто не покупал права=), что увеличивая скорость в 2 раза вы увеличиваете тормозной путь в 4 раза. Это и есть действие кинетической энергии.

Формула роста температуры при торможении:

Тп = ((Кд-Кп) / (417*Вд)) + Тв

Где
Тп — температура после торможения (С)
Кд — Кинетическая энергия до торможения (дж)
Кп — Кинетическая энергия после торможения (дж)
Вд — Вес тормозных дисков (общий) (кг)
Тв — Температура тормозных дисков до торможения (С)

Возьмем авто для примера, торможение:
Вес авто — 1220кг
Вес дисков — 33,5кг (перед 12кг, зад 4,75кг)
Скорость на прямой — 177км/ч (49,17м/с)
Скорость перед началом торможения — 70км/ч (19,44м/с)
Температура тормозных дисков до торможения — 25С

Кд = (1220*49,17^2) / 2 = 1474826 дж
Кп = (1220*19,44^2) / 2 = 230669 дж

Тп = ((1474826-230669) / (417*33,5)) + 25 = 114 С

И так после такого торможения температура дисков составит около 114 градусов. Давайте сравним с вашими результатами? =) Для простоты можете сказать только вес машины, вес всех тормозных дисков)

И так, с физикой пока притормозим, переидем к более теоретической части.

Есть три вещи которые тормоза должны сделать чтобы остановить авто:
1) Достаточно сильно прижимать колодки к диску
2) Производить достаточную тормозную силу для блокировки колес на любом покрытии
3) Иметь достаточную массу и охлаждение дисков для рассеивания тепла создаваемого кинетической энергией.

Все они в совокупности должны давать отличную информативность.

Педальный узел
Как мы уже обсуждали, чтобы затормозить водитель должен одновременно переместить жидкость и создать давление. ГТЦ перемещает жидкость чтобы создать достаточную прижимную силу колодок к диску.

Педалью вы активируете тормоза, также педаль служит своеобразным рычагом, который увеличивает силу нажатия. Эффект называется «соотношение педали»

Обычно мы давим на педаль тормоза с силой от 22 до 45 кг чтобы активно замедлиться.
Как пример на гоночных авто без усилителя это усилие около 35кг, для машин с усилителем это около 22кг. 45кг это уже перебор, педаль будет очень жесткой.

Соотношение педали можно рассчитать разделив расстояние от точки крепления педали до места приложения силы на расстояние от точки крепления педали до тяги идущей к ГТЦ.

Как мы видим, чем больше это отношение тем больше силы передается на ГТЦ. Но нужно помнить один момент, увеличивая соотношение мы увеличиваем и ход педали.

Для машин с усилителем это соотношение обычно около 4-4,5. Для машин без усилителя от 6 до 7.

Поэтому снятие усилителя со стоковой педалью это не верный вариант =)

Рассчитать силу приложенную к поршню можно зная силу приложенную к самой педали, соотношение педали (рычаг) и при наличии усилителя тормозов, коэфициент усиления им.

Где
Сп — Сила приложенная к поршню ГТЦ (кг)
Дп — Давление на педали (кг)
Кп — Коэффициент(соотноешние) педали
Ку — Коэффициент усилителя тормозов (если его нет использовать 1)

Гидравлика
Как я уже писал, чтобы прижать колодки к диску необходимо перемещение жидкости и создание давления в контуре. Этим всем заведую законы гидравлики (Паскаля).
В идеале надо стремиться к достаточной силе прижатия колодок при минимальном ходе педали.

Сила приложенная к ГТЦ создает давление в контуре. Давление это сила приложенная к поршню ГТЦ деленная на площадь его цилиндра. А значит чем меньше площадь цилиндра, тем больше давление.

Давление в системе = Сп / Пп

Где
Сп — Сила приложенная к поршню ГТЦ (кг)
Пп — Площадь поршня ГТЦ (см^2)

Пример ГТЦ (цилиндр 0,875″) при силе 500кг:

Давление в системе = 500 / 3,87 = 129 кг/см^2
И с ГТЦ (цилиндр 1″)
Давление в системе = 500 / 4,91 = 101 кг/см^2

Из этого следует что чем выше давление тем сильнее колодки прижимаются к диску, а значит больше тормозная сила. Но это еще не значит что если мы хотим мощные тормоза мы должны ставить маленький ГТЦ. Тут вступает другая составляющая — движение. Поскольку жидкость несжимаемая, то любое движение ГТЦ приводит в движение поршни в суппортах. Это движение в гидравлике называют вытеснение. Рассчитывается оно как произведение перемещения поршня на его площадь. Измеряется в см^3

Вытеснение = Пп * Дп

Где
Пп — Площадь поршня (см^2)
Дп — движение поршня ГТЦ (см)

Опять рассчитаем его для стокового ГТЦ моей авто (0.875), и ходом в 3 см
Вытеснение = 3,87 * 3 = 11,61 см^3
И для ГТЦ (цилиндр 1″) и ходом 3 см
Вытеснение = 4,91 * 3 = 14,73 см^3

Тут мы видим обратную ситуацию, чем меньше площадь цилиндра, тем меньше вытесняемый объем при том же ходе педали (а значит больше ход педали).

Теперь переходим к разбору полетов о системе в целом, нам известно что тормозная система замкнута а значит давление передается по всей системе в равных значениях. А также в ней кроме ГТЦ есть суппорты с поршнями (для расчетов используется общая площадь всех поршней)

Это значит создаваемое ГТЦ давление приводит в движение все поршни в системе. Поскольку площадь поршней в суппорте больше площади ГТЦ, то по законам гидравлики сила выдаваемая суппортом увеличивается в разы.

Чем большее значение усилия в этом соотношении, тем меньше силы надо прикладывать к педали (и больше ход педали) для достижения того же результата.

Рассчитать усиливающий фактор можно по формуле

Где
Сз — Сила сжатия суппортом (кг)
Сп — Сила приложенная к поршню ГТЦ (кг)
Пс — Эффективная площадь поршней (для суппорта со скобой это 2*на площадь поршней)
Пг — Площадь поршня ГТЦ (см^2)

Например, (цилиндр 0,875″):
Сз = (500 * 10,17 * 4) / 3,87 = 5255,8 кг
И с ГТЦ (цилиндр 1″)
Сз = (500 * 10,17 * 4) / 4,91 = 4142,6 кг

Из этого следует, что при неизменной силе на ГТЦ мы можем увеличить силу сжатия за счет либо увеличения площади поршней суппорта либо уменьшив площадь поршня ГТЦ.

Но не все так просто. Не забывайте о другом факторе — движении. К сожалению играя с площадями цилиндров мы изменяем ход педали. Так, например уменьшая ГТЦ, мы уменьшаем кол-во вытесняемой жидкости — приходится педалью работать больше чтобы компенсировать этот момент (давление не начнет расти пока колодка не прижмется к диску). Это же справедливо и при увеличении площади поршней суппорта (при одном ГТЦ).

Рассчитаем ход поршня:

Где
Хп — Ход поршня суппорта (см)
Дп — Движение поршня ГТЦ (см)
Пг — Площадь поршня ГТЦ (см^2)
Пс — Эффективная площадь поршней (для суппорта со скобой это 2*на площадь поршней) (см^2)

Например, (цилиндр 0,875″), ход ГТЦ 3см:

Хп = (3 * 3,87) / 40,68 = 0,29 см
И цилиндр (1″)
Хп = (3 * 4,91) / 40,68 = 0,36 см

Из этого мы видим, что если вы не хотите менять ход педали, то изменяя площадь суппорта (ставя огромные тормоза) вы должны не забыть и о ГТЦ. И наоборот.

ГТЦ
Это сердце всей тормозной системы. Активируется нажатием на педаль, вначале поршень передвигает жидкость по системе до тех пор пока колодки не вступят в контакт с диском, затем поскольку система становится замкнутой, начинает расти давление создавая тормозную силу. Отсюда чем сильнее вы давите на педаль тем выше тормозная сила.

Основные параметры ГТЦ это диаметр поршня и его ход. Обычно встречаются ГТЦ с диаметрами от 0,625″ до 1,5″ и с ходом от 2,5 см до 3,81 см. Соответствие обоих этих параметров к рекомендованным параметрам для вашего авто — залог хорошей производительности. Стоит запомнить при одном усилии на педали, маленький ГТЦ даст большее давление, но при этом сможет меньше вытеснить жидкости. Также чем больше ход ГТЦ, тем больше он жидкости может вытеснить, но при этом бОльший ход педали потребуется. Лучшего результата можно достичь рассчитав компромисс между ходом педали и давлением для вашего авто.

Регуляторы давления
— Клапан остаточного давления (RPV)

Необходим для поддержания заданного давления в системе (для дисковых тормозов 0.14 кг\см^2, для барабанных 0,70 кг\см^2)
Есть пара причин для использования таких клапанов
1) Только для барабанных тормозов чтобы возвратная пружина не отводила слишком далеко колодки от барабана, создавая лишний ход педали при последующих торможениях.
2) Только для дисковых тормозных систем в которых ГТЦ находится ниже уровня суппортов (некоторые гоночные авто и хот-роды). Без такого клапана жидкость от суппортов будет отекать обратно в ГТЦ делая педаль ватной и опять же увеличивая ее ход.

Если вы меняете барабанные тормоза на дисковые — обязательно удалите из системы такие клапаны

— Дозировочный клапан (Hold-off)

Поскольку на задних барабанных тормозах присутствует возвратная пружина, то как выше описывалось барабанам требуется больший ход чтобы колодка достигла барабана, нежели в саморегулирующихся дисковых тормозах, где колодка всегда впритык к диску. Дозирующий клапан (ставится в передний контур) предотвращает создание давления в переднем тормозном контуре, пока оно не достигнет заданного значения в заднем (обычно до 5-10 кг\см^2) чтобы дать барабанным колодкам приблизиться к барабану.

Если вы меняете барабанные тормоза на дисковые — обязательно удалите из системы такие клапаны

— Распределительный клапан (PBV)

Как мы уже писали выше, при торможении вес машины смещается вперед. Поскольку тормозная сила должна распределиться пропорционально весовой нагрузке (там где больше веса — больше тормозной силы), нужно соблюсти тормозной баланс перед-зад. Например при жестком торможении до 85% веса приходится на перед автомобиля. На правильно отрегулируемой системе передние тормоза и задние блокируются практически одновременно. Устанавливается обычно между ГТЦ и задним контуром чтобы снизить давление на задний контур в первые моменты торможения. Стоит учесть, что давление в заднем контуре не всегда будет ниже чем в переднем, за счет этого клапана вы меняете скорость роста давления. На передних тормозах при нажатии на тормоз оно лишь быстрее создастся чем в заднем.
Стоковые клапана нерегулируемые, но есть и гоночные варианты, с помощью которых можно отрегулировать тормозной баланс на измененной тормозной системе.

Источник

ЧАСТЬ 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЖЕНИЯ

Необходимость в торможении при управлении автомобилем возникает очень часто. Торможение – это средство не только быстрой остановки автомобиля, но и регулирования скорости движения. Статистика показывает, что большинство автотранспортных дорожных происшествий в той или иной степени связано с торможением.

В соответствии с правилами дорожного движения во всех случаях, когда возникает опасность, водитель обязан снижать скорость или останавливать автомобиль, т. е. прибегать к торможению.

На практике условно различают два вида торможения. Так называемое служебное торможение производят, чтобы остановить автомобиль в заранее намеченном месте либо снизить его скорость. Оно осуществляется без торопливости и спешки, поэтому не вызывает заноса или потери управления в экстренных случаях при появлении на близком расстояния препятствия, водитель, как правило применяет интенсивное торможение, чтобы остановить автомобиль на кратчайшем пути. В таких ситуациях водитель обычно действует без учета качества дороги. Он нажимает на педаль тормоза с наибольшей возможной силой и быстротой. Режим интенсивного торможения неблагоприятно влияет на детали тормозной системы и на устойчивость автомобиля. При этом на последний действуют значительные продольные и поперечные силы, стремящиеся нарушить его устойчивость, детали тормозов испытывают повышенное напряжение и перегреваются, что ухудшает их действие. При напряженном режиме работы тормозов и их перегреве часто возникают неисправности. Практика показывает, что малоопасные неисправности, в обычных условиях никак не проявляющиеся, при резких торможениях могут вызвать отказ тормозов.

Для определения тормозных качеств автомобиля используют следующие показатели: тормозной путь St, м — путь, проходимый автомобилем от момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки; замедление при торможении j, м/с2 время срабатывания тормозов tт, с. Кроме этих, наиболее распространенных показателей, при расчетах также может использоваться величина тормозной силы на колесах.

С 1 января 1984 г. введен в действие ГОСТ 25478— 82, где установлены требования безопасности к техническому состоянию автомобилей, автобусов и автопоездов.

Предельно допустимые нормативы эффективности действия тормозной системы автомобилей, установленные этим стандартом, приведены в таблице П 14, а классификация автомобилей – в таблице П 15.

Выявление технического состояния тормозов имеет важное значение для установления причин происшествия и правовой оценки действий водителей и должностных лиц, ведающих эксплуатацией транспорта, поэтому осмотр тормозных систем следует осуществлять как можно более тщательно. Оценка состояния тормозов на основе протокола осмотра автомобиля на месте происшествия не всегда обоснована, так как, по существу, является визуальной и поэтому неполной.

Наиболее удобна и точна проверка тормозов при испытании их на специальных стендах в диагностических пунктах и на станциях технического обслуживания. Поскольку такие стенды есть не везде, можно пользоваться и более простыми методами, рекомендуемыми Правилами дорожного движения. При определении тормозных качеств автомобиля по величине тормозного пути следует установить скорости движения перед торможением и в начале его.

Рассмотрим их более подробно. Так как тормозной путь пропорционален квадрату скорости движёния перед торможением, ее необходимо точно выдержать.

Обычно скорость определяют по спидометру, который может иметь погрешность, зависящую от точности его изготовления и условий движения. Следовательно, если при испытании тормозной системы скорость автомобиля определяется по непроверенному и непротарированному спидометру, то тормозные качества автомобиля будут оценены неверно.

Вторая ошибка связана с визуальным определением момента начала торможения. В соответствии с ГОСТ 25478—82 тормозной путь всегда устанавливается при скорости 40 км/ч, т. е. 11,1 м/с. Если водитель начинает торможениё, поравнявшись с заранее обозначенной линией отметки, либо нажимает на педаль тормоза по сигналу лица, производящего испытание, то это действие он выполняет неточно — с опережением, а чаще с опозданием. даже если он очень быстро, в пределах 0,2 с, среагирует на сигнал начать торможение, то при скорости 11,1 м/с автомобиль пройдет 0,2х11,1=2,2 м. При этом тормозной путь увеличится.

Для получения надежных данных при испытаниях автомобилей должно быть осуществлено не менее двух заездов.

При торможении на колеса автомобиля действуют тормозные моменты Mт и тормозные силы Рт (продольные реакции дороги), направленные навстречу движению. Искусственно создаваемое сопротивление движению — это сумма тормозных сил на заторможенных колесах. Торможение может регулироваться водителем в широких пределах. Сопротивление, создаваемое торможением, может быть во много раз больше суммы всех сил сопротивлений. Это дает возможность водителю регулировать интенсивность торможения автомобиля добиваться быстрой его остановки.

Кинетическая энергия автомобиля при торможении его вращающихся колес поглощается главным образом работой сил трения тормозов и частичной работой сил естественных сопротивлений движению. Однако это справедливо только тогда, когда накладки тормозящихся вращающихся колес трутся о поверхность тормозных барабанов. Если же при торможении колеса будут заблокированы, перестанут вращаться, то картина изменится. Не вращающиеся колеса будут скользить дороге (возникнет так называемый юз), и работа трения происходит только между шиной и поверхностью дороги. Трение в тормозном механизме как поглотитель энергии при блокировке колес уже не действует.

Одним из важнейших критериев, определяющих интенсивность торможения, является качество сцепления колеса с опорной поверхностью дороги и количественная характеристика этого критерия, который входят многие расчетные уравнения, применяемые при анализе происшествия.

Крутящий момент, приложенный к ведущему колесу, вызывает появление продольных (касательных) реакций со стороны опор ной поверхности (дороги). По своей природе они представляют собой силы трения и силы зацепления. Сила тяги, необходимая для движения, должна уравновесить сумму всех сил сопротивления движению автомобиля. Предельное значение силы тяги, которое можно реализовать в соответствии со сцепными свойствами дороги, называют силой тяги по сцеплению Рφ.

Основными факторами, влияющими на величину силы тяги по сцеплению, являются: нормальная нагрузка на ведущие колеса — составляющая равнодействующей всех сил, приложенных к колесу со стороны автомобиля, перпендикулярная к опорной плоскости; качество поверхности дороги, определяемое в основном материалом дорожного покрытия и его состоянием; удельное давление на дорогу; тип и состояние шин; конструкция трансмиссии автомобиля.

При возрастании нагрузки на колесо пропорционально увеличиваются силы трения и зацепления. Поэтому можно считать, что сила тяги по сцеплению прямо пропорциональна так называемой сцепной нагрузке, т. е. суммарной нормальной нагрузке на ведущие колеса. Следовательно, силу тяги по сцеплению, как для отдельного колеса, так и для автомобиля в целом можно выразить как

, Н (3.1)

Более точно сила сцепления ведущих задних колес определяется по формуле (3.2), учитывающей влияние сопротивления качению и некоторые конструктивные особенности автомобиля:

, Н (3.2)

a- расстояние по горизонтали от центра масс до передней оси автомобиля, м;

hg- высота расположения центра масс автомобиля, м;

Физическая картина явлений сцепления достаточно сложна и изменяется в зависимости от характера движения колеса. Так как шина эластична, то под влиянием нагрузки ее участки будут вдавливаться во впадины рельефа поверхности дороги, зацепляясь за них. Радиус катящегося колеса неодинаков: в площади контакта шины он меньше, чем в свободных от контакта местах. Поэтому при одинаковой угловой скорости колеса линейные скорости точек шины, расположенных на внешней окружности, будут неодинаковыми. В местах контакта шины с дорогой они меньше. Участки шины, подходящие к площади контакта, будут сжиматься, а в противоположной зоне растягиваться. В площади контакта шины с дорогой будет происходить сдвиг резины и ее проскальзывание по дорожному покрытию. Это местное проскальзывание участков шины, наблюдающееся только в площади контакта, увеличивается с ростом тормозного усилия в достигает наибольшей величины тогда, когда тормозящее колесо находится на границе перехода к заблокированному состоянию.

Таким образом, при качении колеса одновременно наблюдаются явления трения и зацепления. Так как трение происходит на относительно небольшом по протяженности участке контакта шины с дорогой, его можно рассматривать как трение покоя.

Виды трения в зоне контакта шины с дорогой зависят от состояния покрытия и угловой скорости колеса. На увлажненных покрытиях, в тех местах, где водяная пленка отделяет поверхность шины от дороги, при’ вращении колеса может наблюдаться смешанное или полужидкостное трение.

Рисунок 3.1 Силы сцепления, действующие в площади контакта шины с дорогой:

где Mk- крутящий момент, подводимый к колесу, создающий пару сил Pk;

Gz1φ1- сила сцепления в плоскости качения колес (продольная сцепная сила); Gzφ2- поперечная сила сцепления;

Gzφпр- равнодействующая сила Gz1φ1и Gzφ2;

Когда заблокированное колесо скользит по дороге без вращения, шина работает уже по-иному. Теперь протектор скользит по направлению движения автомобиля. Скользящий по дороге автомобиль с заблокированными колесами уподобляется саням, снабженным резиновыми полозьями. Трение не вращающегося скользящего колеса может рассматриваться как трение скольжения. Коэффициент трения скольжения на данном покрытии по величине становится меньшим, чем коэффициент трения покоя. Это явление – одна из причин того, что на одном и том же дорожном покрытии тормозной путь автомобиля, двигающегося юзом, несколько увеличивается по сравнению с тем, который преодолевается при заторможенных, но вращающихся колесах.

Вращающаяся шина поглощает большую кинетическую энергию, расходующуюся на сложную деформацию резины, корда и циркуляцию воздуха в камере. У заблокированного колеса расход энергии иной: с началом блокировки корд сильно нагружается, несколько растягивается и в дальнейшем больше не деформируется; воздух в камере заблокированного колеса не циркулирует; вместо работы внутреннего трения в шине, в основном, совершается работа по истиранию резины.

В зависимости от условий работы колеса при торможении и вида усилий, действующих в площади контакта колеса с покрытием нот направления перемещения колеса относительно плоскости его качения, различают:

1) предельную величину коэффициента сцепления φпр, наблюдающуюся при сравнительно незначительных отклонениях силы тяги от большой оси отпечатка шины (т. е. при малом угле а) (рисунок 3.1):

, (3.3)

2) коэффициент продольного сцепления φ1 при движении колеса с продольным скольжением и пробуксовыванием:

, (3.4)

3) коэффициент поперечного сцепления φ2 при движении колеса под углом к плоскости его качения, т. е. тогда, когда колесо одновременно и вращается я скользит в боковом (поперечном) направлении:

, (3.5)

Перечисленные виды коэффициентов сцепления связаны между собой зависимостью:

, (3.6)

При анализе дорожно-транспортных происшествий чаще всего приходится оперировать коэффициентом продольного сцепления φ1, поскольку в большинстве случаев водители доводят колеса автомобиля до блокировки. Но так как численные значения коэффициентов φпр и φ1 различаются незначительно, при расчетах используют коэффициент сцепления φ1.

При боковых скольжениях колес применяют коэффициент поперечного сцепления:

, (3.7)

Коэффициент сцепления — одна из основных величин, характеризующих эксплуатационные качества дорожных покрытий, а также взаимодействие колеса с дорогой. По его величине судят о безопасной скорости движения автомобиля.

Анализ многочисленных данных показывает, что величина коэффициента сцепления зависит от большого числа различных факторов, и в первую очередь от типа покрытия и его состояния, конструкции и материала шин, давления в них воздуха, нагрузок на колесо, скоростей движения, температурных условий, величин скольжения и буксования колес.

Коэффициент сцепления снижается с увеличением скорости, так как при этом продолжительность контакта участков шины с дорожным покрытием уменьшается, возрастает количество толчков от неровностей дороги и контакт колее автомобиля с поверхностью дороги ухудшается.

В таблице 3.1 представлены экспериментальные данные, характеризующие снижение коэффициента сцепления при увеличении скорости движения (данные Э. Г. Подлиха).

Таблица 3.1

Фактическая площадь контакта шины с дорогой в значительной степени зависит от шероховатости покрытия. При малой высоте неровностей на сухих покрытиях разница в величине коэффициента сцепления на покрытиях разных типов незначительна. Но с увеличением их высоты коэффициент сцепления повышается, что объясняется зацеплением выступов протекторов за неровности и более глубоким внедрением их в поверхность.

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента сцепления от высоты неровностей (шероховатости) покрытия при скорости 60 км/ч:

Наиболее устойчивыми оказались покрытия из щебня с размером зерен не более 15 мм, на которых сопротивление скольжению сохранялось в течение 5-7 лет. Зависимость величины коэффициента сцепления от высоты неровностей покрытия при движении со скоростью 60 км/ч показана на рисунке 3.2.

Наиболее высокими сцепными качествами как в сухом, так в мокром состоянии обладают цементобетонные покрытия. Коэффициент сцепления у мало изношенных сухих цементобетонных покрытий φ=0,8-0,9, а у мокрых φ=0,4-0,6. Изменение сцепных качеств цементобетонных покрытий в процессе эксплуатации происходит сравнительно медленно — в течение 10— 12 лет.

Сцепные качества асфальтобетонных покрытий зависят от их вида, состояния и срока службы. Значения коэффициента сцепления этих покрытий в сухом состоянии колеблются от φ=0,5 до φ=0,8, а в мокром —от φ=0,3 до φ=0,6. При этом последний коэффициент (φ=0,6) наблюдается тогда, когда покрытие хорошо очищено от грязи, частиц резины и т. п., что бывает после сильного дождя. В начале дождя, пока грязь не смыта с покрытия, коэффициент сцепления наименьший. Асфальтобетонные покрытия служат 5—8 лет, после чего коэффициент сцепления их снижается до наименьшего допустимого значения.

В таблицах 3.2 и 3.3 приведены значения коэффициентов сцепления для различных дорожных покрытий (данные ВНИИСЭ).

Таблица 3.2

Коэффициенты сцепления для шин, имеющих рисунок протектора повышенной проходимости (рисунок не изношен)

Таблица 3.3

0,15-0,25

Индивидуальные задания

Задача 1. Определить тормозной путь автомобиля от момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки, замедления при торможении и время срабатывания тормозов. Дорожное покрытие выбрать по своему усмотрению.

Рассчитать свой вариант. Использовать приложения П 1-П 15, П21. Контрольные вопросы

1. Силы, действующие на автомобиль при торможении.

2. Показатели, определяющие тормозные качества автомобиля.

3. Каким документом определены предельно допустимые нормативы эффективности действия тормозной системы автомобилей?

4. Назвать основные факторы, влияющие на величину силы тяги по сцеплению.

5. От чего зависит величина коэффициента сцепления колеса с дорогой?

6. Технические требования к тормозным системам.

7. Что такое коэффициент сцепления и как он влияет на безопасность движения?

Источник