Уравнение сил действующих на автомобиль

Устройство автомобилей

Силовой баланс автомобиля

Силы, действующие на автомобиль при прямолинейном движении

Прямолинейным движением автомобиля будем считать его равномерное или ускоренное движение по горизонтальной или наклонной прямой дороге (без виражей и поворотов). В этом случае на автомобиль действуют следующие силы:

• сила тяжести автомобиля G , приложенная к центру тяжести, находящемся на расстоянии h_ц от поверхности дороги;
• сила сопротивления атмосферного воздуха P_ω , приложенная к центру парусности, расположенному на расстоянии h_ω от поверхности дороги;
• суммарная касательная реакция R_x2 или сила тяги Р_т , направленная по ходу движения автомобиля;
• нормальные реакции дороги на колеса R_z1 и R_z2 , направленные перпендикулярно поверхности дороги;
• сила сопротивления качению колес P_f , направленная в сторону, противоположную движению автомобиля (совпадает с касательной реакцией R_x1 );;
• силы инерции поступательного движения P_j (проявляются при ускоренном движении), приложенная к центру тяжести автомобиля и направленная в сторону, противоположную ускорению;
• сила сопротивления подъему P_α , приложенная к центру тяжести и направленная в сторону, противоположную движению (возникает при движении по дороге с уклоном);
• сила Р_пр на буксирном крюке в случае буксировки прицепа.

На рисунке 1 представлены все эти силы с учетом их направления по отношению к направлению движения автомобиля.

Для дальнейших теоретических выкладок примем следующие условия (допущения):

• Два одноименных колеса (правые и левые) будем рассматривать, как одно.
• Участок дороги на всем протяжении однородный с постоянным углом наклона α к горизонту и не имеет неровностей.
• Нормальные реакции дороги прикладываются к осям колес.
• Деформация шин и грунта (погружение колес в грунт) учитываются при определении силы сопротивления качению, но на схеме не показываются.

Сила тяги Р_т подробно рассмотрена в предыдущей статье. При принятых выше условиях не имеет значения, сколько колес автомобиля являются ведущими и сколько ведомыми.

Сила сопротивления качению

Силой сопротивления качению автомобиля P_j называется сумма сил сопротивления качению всех его колес. В реальных условиях сопротивление качению отдельных колес автомобиля не бывает одинаковым даже при движении автомобиля по дороге с твердым покрытием.
На деформируемых грунтах любое сопротивление качению задних колес, движущихся по уже уплотненному грунту, значительно меньше, чем для передних. Для решения теоретических задач сопротивление качению определяется для автомобиля в целом.
На сопротивление качению влияют:

• нормальная нагрузка на колеса;
• характер и состояние дорожного покрытия;
• удельное давление на грунт;
• скорость движения автомобиля;
• конструкция и состояние пневматических шин.

Нормальная нагрузка обусловлена полным весом автомобиля и влияет на сопротивление качению непосредственно, поскольку реакции дорожного покрытия или грунта можно считать пропорциональными нормальной нагрузке.
Потери, связанные с деформацией резины в шине (гистерезисные потери) зависят от радиальной деформации шины. Эти потери возрастают при увеличении нагрузки.
Кроме того, рост нормальной нагрузки приводит к увеличению удельного давления, а следовательно, и сопротивлению качения.

Дорожное покрытие оказывает существенное влияние на силу сопротивления качению колес P_f в случае, если оно не является твердым. Величина этой силы определяется работой прессования и выдавливанием в стороны грунта при погружении в него колес.

Удельное давление на грунт – это нормальная нагрузка на единицу площади опорного участка шины и может быть определено по формуле:

где c_q – коэффициент, определяемый жесткостью каркаса шины, c_q = 1 + p₀ ;
p₀ – давление воздуха в шинах.

Понижение удельного давления влияет на силу сопротивления качению колес P_f неоднозначно. При понижении давления возрастает деформация шин, вследствие чего растут гистерезисные потери.
В то же время понижение давления значительно уменьшает погружение шин в грунт (при отсутствии твердого покрытия) и тем самым снижает P_f .

Увеличение скорости движения приводит к увеличению потерь в шинах, в частности из-за того, что их упругие свойства не могут быть полностью использованы (часть шины не успевает полностью распрямиться). Кроме того, при повышении скорости деформации возрастает внутреннее трение в покрышке, что также ведет к увеличению P_f .

Большое значение имеют конструкция и состояние шин, их число и диаметр, а также рисунок протектора, форма и расположение грунтозацепов.

Увеличение числа колес приводит к возрастанию суммарных потерь. Чем больше диаметр колеса, чем оно меньше погружается в грунт, а значит, меньше сопротивление качению. Чем крупнее грунтозацепы и рельефнее протектор шины, тем сильнее колесо деформирует грунт, что также приводит к увеличению силы сопротивления качению колес P_f .
На дорогах с твердым покрытием увеличенные грунтозацепы и рельефный рисунок протектора также приводят к увеличению P_f , поскольку в этом случае растут гистерезисные потери в шине.

При изношенном протекторе уменьшается сопротивление качению, но при этом резко ухудшаются сцепные качества шины с дорогой.

Для эксплуатационных расчетов принимаются два допущения:

• сопротивление качению прямо пропорционально нормальной нагрузке на колеса автомобиля;
• для автомобилей с шинами низкого давления (0,15…0,45 МПа) на одном и том же грунте и при одинаковой нагрузке сопротивление качению одинаково независимо от их конструктивных особенностей.

Тогда сила сопротивления качению может быть выражена через нормальную нагрузку (или равную ей реакцию грунта R_z ) и коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом сопротивления качению f :

Коэффициент сопротивления качению f зависит от характера и состояния дорожного покрытия. Так, для асфальта, бетона или асфальтобетона он равен 0,1…0,3, для укатанной сухой грунтовой дороги – 0,02…0,03, для разбитой мокрой грунтовой дороги – 0,1…0,25, для обледенелой дороги – 0,01…0,03 и т. д.

Влияние скорости движения на коэффициент f сопротивления качению учитывает эмпирическая формула:

где f₀ – коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью менее 15 м/с;
v – скорость автомобиля.

Сила тяжести и сопротивление движению

Сила тяжести G обусловлена массой m автомобиля, указываемой в его технической характеристике и может быть определена по известной формуле: G = mg , где g – ускорение свободного падения.

Масса снаряженного автомобиля – масса автомобиля без груза, полностью заправленного топливом, смазочными материалами и охлаждающей жидкостью, с запасным колесом, инструментом и оборудованием.
Полная масса автомобиля включает в себя еще массу водителя и груза по номинальной грузоподъемности (для грузового автомобиля) или по номинальной пассажировместимости (для автобусов и легковых автомобилей).
В расчетах обычно принимается полная масса.

Положение центра масс определяется у двухосного автомобиля расстояниями l₁ и l₂ до геометрических осей вращения колес соответственно переднего и заднего мостов. У трехосного автомобиля l₂ – расстояние от центра масс до оси балансира задней тележки.
Расстояние L = l₁ + l₂ называют базой автомобиля.

При движении автомобиля по наклонному участку дороги с углом подъема α сила тяжести раскладывается на две составляющие:

• G cosα – нормальная нагрузка автомобиля на дорогу, перпендикулярная дороге;
• G sinα – сила сопротивления подъему (при спуске — скатывающая сила), обозначается P_α и направлена параллельно поверхности дороги: P_α = G sinα .

На крутых подъемах сопротивление подъему значительно превышает сопротивление качению. Так, при α = 20˚ P_α будет равна примерно 0,36 G , при α = 30˚ Р_α = 0,5 G , тогда как P_f редко превышает 0,05…0,08 G .

При небольших значениях угла α синус может быть заменен тангенсом. В дорожном строительстве тангенс угла наклона дороги к горизонту называют продольным уклоном i , выражаемым в процентах. В этом случае сила сопротивления подъему равна:

Сила сопротивления качению и сила сопротивления подъему зависят от дорожных условий, так как коэффициент сопротивления качению f и угол подъема дороги α в совокупности определяют качество дороги, поэтому можно ввести такое понятие, как сила сопротивления дороги:

При движении автомобиля по наклонной дороге сила сопротивления качению определится из соотношения:

Получим следующую формулу для вычисления силы сопротивления дороги:

P_ψ = G(f cosα + sinα) ≈ G(f + i) .

Выражение в скобках называется коэффициентом сопротивления дороги и обозначается ψ :

ψ = f cosα + sinα .

Тогда сила сопротивления дороги:

Сила инерции

Сила инерции (или сила сопротивления разгону) при поступательном движении автомобиля может быть определена из соотношения:

где j – ускорение автомобиля, m – масса автомобиля.

Так как в автомобиле имеются вращающиеся детали значительной массы, то они также влияют на сопротивление разгону автомобиля, создавая инерционные моменты.
Максимальный инерционный момент сопротивления изменению угловой скорости создают маховик двигателя и колеса, а также массивные детали агрегатов и узлов трансмиссии.
Чтобы учесть влияние вращающихся масс вводят коэффициент учета вращающихся масс δ_вр , который показывает, во сколько раз сила, необходимая для разгона с заданным ускорением поступательно движущихся и вращающихся масс автомобиля, больше силы, необходимой для разгона только его поступательно движущихся масс.

С учетом коэффициента δ_вр уравнение (1) будет иметь вид:

Значение коэффициента δ_вр определяется по формуле:

где j_м – момент инерции маховика; η_тр – КПД трансмиссии; i_тр – передаточное число трансмиссии; j_к – суммарный момент инерции всех колес автомобиля; m – масса автомобиля; r – радиус колеса.

Энергия, затрачиваемая на разгон деталей двигателя на прямой передаче, в два-три раза, а на низших передачах в восемь-десять раз больше энергии, расходуемой на разгон колес.

В случае, если точное значение моментов инерции маховика и колес неизвестно, то коэффициент учета вращающихся масс δ_вр определяют по эмпирической формуле:

где δ₁ ≈ δ₂ от 0,03 до 0,05; m_а – масса автомобиля с полной нагрузкой; m – фактическая масса автомобиля.

При движении автомобиля с отключенной от двигателя трансмиссией коэффициент учета вращающихся масс может быть приближенно определен по формуле:

Сила сопротивления воздуха

Как и всякое тело, перемещающееся в воздушной среде, автомобиль со стороны атмосферного воздуха испытывает сопротивление движению, которое обуславливается двумя факторами: трением, возникающим в пограничных с поверхностью автомобиля слоях воздуха, и вихреобразованием в окружающих его потоках.

Движущийся автомобиль увлекает за собой непосредственно прилегающий к нему слой воздуха, который взаимодействует на соседний с ним слой и т. д., увлекая его за собой. Скорость каждого последующего слоя воздуха меньше, чем предыдущего, что и вызывает силы трения между слоями. Чем выше скорость движения автомобиля, тем большие массы воздуха будут увлекаться в движение, и тем больше суммарная сила трения, возникающая между слоями и поверхностью автомобиля.
Однако при скоростях, с которыми передвигаются автомобили, сопротивление, вызываемое трением в пограничных с автомобилем слоях очень мало, и им можно пренебречь в большинстве расчетов.

Образование вихревых потоков можно представить, предположив, что на неподвижный автомобиль направлен с достаточной скоростью поток воздуха. Ударяясь о лобовую поверхность кабины и кузова автомобиля, струи воздуха изменяют направление своего движения (рис. 1). При этом чем менее обтекаемую форму имеет автомобиль, тем интенсивнее и объемнее будут вызываемые им завихрения воздушных струй.
В результате вихреобразования возникает разрежение воздуха сзади автомобиля, тогда как перед ним воздух уплотняется, вследствие чего создается разность давлений воздуха впереди и сзади автомобиля.

Сопротивление воздуха при вихреобразовании зависит от площади поперечного сечения автомобиля (лобовой проекции), и особенно от его формы.
Усилению вихреобразования способствует наличие выступающих частей, прямых углов и резких переходов в профильной проекции автомобиля. Обтекаемые формы современных легковых, и особенно – гоночных автомобилей, существенно снижают сопротивление воздуха, вызываемое вихреобразованием.

Сопротивление воздуха при проектировании кузовов автомобилей определяют чаще всего опытным путем с помощью аэродинамической трубы, которая позволяет получить равномерный прямолинейный установившийся воздушный поток заданной скорости и даже температуры. В аэродинамической трубе можно не только исследовать обтекаемость автомобиля, но и определить эффективность очистки ветрового стекла и ряд других параметров, связанных с воздействием воздушного потока на автомобиль.

Для расчета силы сопротивления воздуха P_ω аналитическими методами можно использовать формулу, полученную опытным путем (эмпирическая зависимость), которая справедлива для всех скоростей автомобиля, кроме самых малых:

где ρ – плотность воздуха;
c – коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы автомобиля;
F – площадь лобового сопротивления, т. е. площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную направлению движения;
v – скорость автомобиля.

Считая, что плотность ρ воздуха в реальных условиях движения автомобиля величина относительно постоянная, вводят понятие коэффициента k_ω обтекаемости автомобиля, который тоже можно считать постоянной величиной:

Тогда формула (3) примет вид:

Значения коэффициента обтекаемости зависят от формы кузова. Так, например, для автобусов капотной компоновки он равен 0,45…0,55, для автобусов вагонной компоновки – 0,35…0,45, для легковых автомобилей – 0,2…0,35, для гоночных автомобилей – 0,15…0,2 и т. д.

Площадь лобового сопротивления с достаточной степенью точности (погрешность не более 10%) можно определить по следующим зависимостям:

• для грузового автомобиля F = BH , где H – высота автомобиля; B – колея автомобиля;
• для легковых автомобилей F = 0,78 B_aH , где B_a – наибольшая ширина автомобиля.

При расчетах силы сопротивления воздуха P_ω важно определить место приложения данной силы, так называемый центр парусности.

Точное положение центра парусности автомобиля определяется опытным путем в аэродинамической трубе. Для приблизительных расчетов принимают высоту положения центра парусности равной половине высоты автомобиля, а его расположение по горизонтали – на оси симметрии лобовой проекции автомобиля.

При скоростях выше 100…120 км/ч со стороны воздушных потоков на автомобиль начинает действовать так называемая подъемная сила, имеющая аэродинамическую природу, направленная вертикально вверх и стремящаяся оторвать автомобиль от поверхности дороги.
Это негативное явление приводит к потере устойчивости и управляемости автомобиля, и связано с тем, что под днищем автомобиля, благодаря его плоской форме, скорость потока воздуха ниже, а давление в воздушном потоке выше, чем над автомобилем, где, благодаря ускорению воздушных масс из-за криволинейной формы кузова автомобиля, давление снижается. В результате на автомобиль начинает действовать подъемная сила, аналогичная подъемной силе, действующей на крыло самолета.
У спортивных автомобилей благодаря специальной форме кузова и использованию аэроэлементов (антикрыло) эту силу направляют вниз, увеличивая сцепление колес с дорогой.

Силы, возникающие при буксировке прицепов

В случае буксировки прицепа с помощью буксирного устройства на крюке возникает сила Р_пр , которая тоже направлена в сторону, противоположную силе тяги.
Разложив силу Р_пр на составляющие можно записать:

где G’ , P’_j , P’_f – соответственно сила тяжести, силы сопротивления инерции и качению колес прицепа.

Сила сопротивления воздуха для прицепа в приближенных расчетах не учитывается, так как она прилагается к центру парусности тягача. Кроме того, автопоезда не передвигаются на больших скоростях, когда сила сопротивления воздуха достигает существенных значений.

Нормальная реакция дороги

Нормальная реакция дороги R_z не совершает ни полезной работы, ни работы сопротивления движению, поскольку направлена перпендикулярно направлению движения автомобиля. Однако при изучении тягово-скоростных свойств автомобиля их необходимо учитывать, поскольку R_z определяет силы сопротивления качению и сцепление колес с опорной поверхностью (дорогой).
Нормальные реакции необходимы при оценке таких эксплуатационных свойств автомобиля, как торможение, управляемость, устойчивость и проходимость, а также при расчетах мостов.

Сила тяжести G автомобиля распределяется по всем его колесам, и со стороны дороги действуют соответствующие нормальные реакции на каждое колесо. При этом равномерное распределение массы автомобиля на его колеса хотя и могут иметь место, но в порядке исключения. Поэтому на разные колеса автомобиля действуют разные по величине нормальные реакции, в соответствии с распределением нагрузки на оси и мости, а также на каждое колесо.

Рассмотрим силы, действующие на автомобиль, стоящий на горизонтальной поверхности (рис. 2, а).
Из центра тяжести автомобиля действует вектор силы тяжести G , расположенный на расстоянии l₁ от передней оси, и на расстоянии l₂ от оси заднего моста. В соответствии с законами статики нормальные реакции R_z1 и R_z2 на колеса передней и задней оси обратно пропорциональны расстоянию от центра тяжести до этих осей:

где L – расстояние между осями автомобиля.

Во время движения нормальные реакции дороги изменяются под действием различных сил и моментов. На рис. 2,б показана схема сил, действующих на автомобиль при его разгоне и на подъеме. Расчетным путем можно доказать, что нормальнее реакции дороги на передние колеса уменьшаются, а на задние увеличиваются с ростом крутизны подъема, интенсивности разгона, а также с увеличением силы сопротивления воздуха движению автомобиля.

Изменение динамических нормальных реакций относительно статических учитывает коэффициент изменения нормальных реакций m_p , который представляет собой отношение нормальных реакций, действующих на мост автомобиля при его движении, к реакциям, действующим на этот же мост неподвижного автомобиля:

Во время разгона автомобиля предельные значения коэффициентов составляют:
m_p1 от 0,55 до 0,7; m_p2 от 1,2 до 1,35, т. е. во время разгона нагрузка на передний мост уменьшается, а на задний увеличивается по сравнению с нагрузками в статическом положении.
При торможении автомобиля наблюдается обратное явление. Это объясняется тем, что при разгоне автомобиль как бы «приседает» на задние колеса, а при торможении испытывает «кивок» вперед.

Силы действующие на автомобиль при движении

Схема сил действующих на ведущее колесо

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

• тяговая сила
• сила сопротивления воздуха
• сила сопротивления качению

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Развиваемый двигателем автомобиля крутящий момент передается на ведущие колеса. В передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колесам участвуют механизмы трансмиссии. Крутящий момент на ведущих колесах зависит от крутящего момента двигателя и передаточных чисел коробки передач и главной передачи. В точке касания колес с поверхностью дороги крутящий момент вызывает окружную силу. Противодействие дороги этой окружной силе выражается реактивной силой, передаваемой от дороги на ведущее колесо. Эта сила направлена в сторону движения автомобиля и называется толкающей или тяговой силой. Тяговая сила от колес передается на ведущий мост и далее на раму, заставляя автомобиль двигаться. Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки передач и главной передачи. Тяговая сила на ведущих колесах дости­гает наибольшей величины при движении автомобиля на низшей передаче, поэтому низшую передачу используют при трогании с места автомобиля с грузом, при движении автомобиля по бездорожью. Величина тяговой силы на ведущих колесах автомобиля ограничивается сцеплением шин с поверхностью дороги.

Сила сцепления колес с дорогой

Трение, возника­ющее между ведущими колесами автомобиля и дорогой, называется силой сцепления. Сила сцепления равна произведению коэф­фициента сцепления на сцепной вес, т. е. вес, приходящийся на ведущие колеса автомобиля. Величина коэффициента сцепления шин с дорогой зависит от качества и состояния дорожного покрытия, формы и состояния рисунка протектора шины, давления воздуха в шине.

У легковых автомобилей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Сила сопротивления воздуха

При движении автомобиль преодолевает сопротивление воздуха, которое складывается из нескольких сопротивлений:

• лобового сопротивле­ния (около 55—60% всего сопротивления воздуха)
• создаваемого выступающими частями—подножками автобуса или автомобиля, крыльями (12—18%)
• возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10—15%) и др.

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Сила сопротивления качению

На каждое колесо ав­томобиля постоянно действует вертикальная нагрузка, которая вызывает вертикальную реакцию дороги. При движении автомобиля на него действует сила сопротивления качению, которая возникает вследствие деформации шин и дороги и трения шин о дорогу.

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

• для асфальтобетонного покрытия— 0,014—0,020
• для гравийного покрытия—0,02—0,025
• для песка—0,1—0,3

Сила сопротивления подъему

Автомобильная дорога состоит из чередующихся между собой подъемов и спусков и редко имеет горизонтальные участки большой длины.

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъему направлена в сторону движения и является движущей силой.

Сила сопротивления разгону

Часть тяговой силы при разгоне затрачивается на ускорение вращающихся масс, главным образом маховика коленчатого вала двигателя и колес автомобиля. Для того чтобы автомобиль начал двигаться с определенной скоростью, ему необходимо преодолеть силу сопротивления разгону, равную произведению массы автомобиля на ускорение. При разгоне автомобиля сила сопротивления разгону направлена в сторону, об­ратную движению. При торможении автомобиля и замедлении его движения эта сила направлена в сторону движения автомобиля. Бывают случаи, когда при резком разгоне груз или пассажиры падают из открытого кузова, с сидений мотоцикла, а при резком торможении пассажиры ударяются о лобовое стекло или о перед­ний борт автомобиля. Для того чтобы таких случаев не было, необходимо, плавно увеличивая частоту вращения коленчатого вала двигателя, преодолевать силу сопротивления разгону и плавно осу­ществлять торможение автомобиля.

Центр тяжести

На автомобиль, как и на любое другое тело, действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Центром тяжести автомобиля называют такую точку автомобиля, от которой вес автомобиля распределяется равномерно во всех направлениях. У автомобиля центр тяжести располагается между передней и задней осью на высоте около 0,6 м для легковых и 0,7—1,0 м для гру­зовых. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее авто­мобиль против опрокидывания. При загрузке автомобиля грузом центр тяжести поднимается у легковых автомобилей примерно на 0,3—0,4 м, а у грузовых на 0,5 м и более в зависимости от рода груза. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может также сместиться вперед, назад или в сторону, при этом будут нарушаться устойчивость автомобиля и легкость управления.

Теория движения автомобиля: основные элементы

Силы, действующие на автомобиль

На автомобиль, независимо от того, движется он или неподвижен, действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз.

Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равнодействующая этой силы, размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной из осей расположен центр тяжести, тем больше будет нагрузка на эту ось. На легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется примерно поровну.

Действие силы тяжести на автомобиль

Большое значение на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести не только в отношении продольной оси, но и по высоте. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль. Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы (см. рисунок): одна из них прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем скорее нарушится устойчивость и автомобиль может опрокинуться.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

Схема сил, действующих на автомобиль во время движения

На рисунке показана схема сил, действующих на автомобиль во время движения. К ним относятся:

• сила сопротивления качению, затрачиваемая на деформирование шины и дороги, на трение шины о дорогу, трение в подшипниках ведущих колес и др.;
• сила сопротивления подъему (на рисунке не показана), зависящая от веса автомобиля и угла подъема;
• сила сопротивления воздуха, величина которой зависит от формы (обтекаемости) автомобиля, относительной скорости его движения и плотности воздуха;
• центробежная сила, возникающая во время движения автомобиля на повороте и направленная в противоположную от поворота сторону;
• сила инерции движения, величина которой состоит из силы, необходимой для ускорения массы автомобиля в его поступательном движении, и силы, необходимой для углового ускорения вращающихся частей автомобиля.

Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги.

Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги на ведущих колесах), то колеса пробуксовывают.

Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.

Для определения влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который определяют делением силы сцепления ведущих колес автомобиля на вес автомобиля, приходящийся на эти колеса.

Коэффициент сцепления с дорогой в зависимости от покрытия

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния (наличия влаги, грязи, снега, льда); величина его приведена в таблице (см. рисунок).

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь и пыль. В этом случае грязь образует пленку, резко уменьшающую коэффициент сцепления.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием в жаркую погоду появляется на поверхности маслянистая пленка из выступающего битума, снижающая коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. Так, при возрастании скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.

Разгон, ускорение, накат

Мощность двигателя затрачивается на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения в механизмах трансмиссии.

Если величина усилия, с которым вращаются ведущие колеса, создавая тяговую силу, будет больше чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, т.е. с разгоном.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если тяговое усилие равно силам сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться без ускорения с равномерной скоростью. Чем выше максимальная мощность двигателя и меньше величина суммарных сил сопротивления, тем быстрее автомобиль достигнет заданной скорости.

Кроме того, на величину ускорения влияет вес автомобиля, передаточное число коробки передач, главной передачи, количество передач и обтекаемость автомобиля.

Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии, и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться некоторое время с отключенным двигателем – накатом. Движение накатом используют для экономии топлива.

Торможение автомобиля

Торможение автомобиля имеет большое значение для безопасности движения и зависит от его тормозных качеств. Чем лучше и надежнее тормоза, тем быстрее можно остановить движущийся автомобиль и тем с большей скоростью можно двигаться, а следовательно, и больше будет его средняя скорость.

Во время движения автомобиля накопленная кинетическая энергия поглощается при торможении. Торможению помогают силы сопротивления воздуха, сопротивления качению и сопротивления подъему. На уклоне силы сопротивления подъему отсутствуют, а к инерции автомобиля добавляется составляющая сила тяжести, которая затрудняет торможение.

При торможении между колесами и дорогой возникает тормозная сила, противоположная направлению силы тяги. Торможение зависит от соотношения между тормозной силой и силой сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой будет больше тормозной силы, то автомобиль затормаживается. Если тормозная сила будет больше силы сцепления, то при заторможенных колесах произойдет их скольжение относительно дороги. В первом случае при торможении колеса катятся, постепенно замедляя вращение, а кинетическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию, нагревающую тормозные колодки и диски (барабаны). Во втором случае колеса перестают вращаться и будут скользить по дороге, поэтому большая часть кинетической энергии будет превращаться в тепло трения шин о дорогу. Торможение с остановившимися колесами ухудшает управляемость автомобиля, особенно на скользкой дороге, и приводит к ускоренному износу шин.

Наибольшую тормозную силу можно получить только тогда, когда тормозные моменты на колесах будут пропорциональны нагрузкам, приходящимся на них. Если такая пропорциональность не будет соблюдена, то тормозная сила на одном из колес не будет полностью использована.

Эффективность торможения оценивается по тормозному пути и величине замедления.

Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль от начала торможения до полной остановки. Замедление автомобиля – это величина, на которую уменьшается скорость автомобиля за единицу времени.

Управляемость автомобиля

Под управляемостью автомобиля понимают его способность изменять направление движения.

Стабилизирующее действие углов продольного и поперечного наклона оси поворота колеса

Во время движения автомобиля по прямой очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес в нужном направлении. На автомобиле предусмотрена стабилизация управляемых колес в положении движения в прямом направлении, которая достигается продольным углом наклона оси поворота и углом между плоскостью вращения колеса и вертикалью. Благодаря продольному наклону колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению оси поворота снесена назад на величину а и его работа подобна ролику (см. рисунок).

При поперечном наклоне повернуть колесо всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движения по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса передняя часть автомобиля приподнимается на величину б (водитель прилагает сравнительно большее усилие к рулевому колесу).

Для возвращения управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, вес автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.

Схема бокового увода колеса

На автомобилях, особенно у тех, где давление воздуха в шинах невелико, возникает боковой увод. Боковой увод возникает в основном под действием поперечной силы, вызывающей боковой прогиб шины; при этом колеса катятся не по прямой, а смещаются в сторону под действием поперечной силы (см. рисунок).

Оба колеса передней оси имеют одинаковый угол увода. При уводе колес меняется радиус поворота, который увеличивается, уменьшая поворачиваемость автомобиля, а устойчивость движения при этом не изменяется.

При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается, особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем у передних, стабильность движения нарушается, автомобиль начинает «рыскать» и водителю все время приходится подправлять направление движения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давление воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем у задних. Увод колес будет тем больше, чем большей будет боковая сила, действующая на автомобиль, например, на крутом повороте, где возникают большие центробежные силы.

Занос автомобиля

Заносом называется боковое скольжение задних колес при продолжающемся поступательном движении автомобиля. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикальной оси.

Занос может возникать в результате ряда причин. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказаться, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, особенно часто это случается на скользких дорогах.

Схема заноса автомобиля на повороте

При неодинаковых тяговых или тормозных силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, действующих в продольном направлении, возникает поворачивающий момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой или левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их сумма может превысить силу сцепления, препятствующую заносу (см. рисунок).

Чтобы предотвратить начавшийся занос автомобиля, необходимо: прекратить торможение, не выключая сцепление (на автомобилях с МКПП); повернуть колеса в сторону заноса.

Эти приемы выполняют сразу же, как только начался занос. После прекращения заноса нужно выровнять колеса, чтобы занос не начался в другом направлении.

Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге, особенно быстро нарастает занос на большой скорости, поэтому при скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не применяя торможение.

Проходимость автомобиля

Проходимостью автомобиля называется его способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья, а также преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути. Проходимость определяется:

• способностью преодолевать сопротивление качению, используя тяговые силы на колесах;
• габаритными размерами транспортного средства;
• способностью автомобиля преодолевать препятствия, встречающиеся на дороге.

Основным фактором, характеризующим проходимость, является соотношение между наибольшей тяговой силой, используемой на ведущих колесах, и силой сопротивления движению. В большинстве случаев проходимость автомобиля ограничивается недостаточной силой сцепления колес с дорогой и в связи с этим невозможностью использовать максимальную тяговую силу. Для оценки проходимости автомобиля по грунту пользуются коэффициентом сцепного веса, определяемым делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес автомобиля. Наибольшую проходимость имеют автомобили, у которых все колеса являются ведущими. В случае применения прицепов, увеличивающих общий вес, но не изменяющих сцепной вес, проходимость резко снижается.

На величину сцепления ведущих колес с дорогой значительное влияние оказывает удельное давление шин на дорогу и рисунок протектора. Удельное давление определяется давлением веса, приходящегося на колесо, на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля будет лучше, если удельное давление будет меньше. На твердых и скользких дорогах проходимость улучшается при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах будет иметь отпечаток большей площади и имеет меньшее удельное давление, а на твердых грунтах отпечаток этой шины будет меньшей площади и удельное давление увеличивается.

Параметры проходимости автомобиля

Проходимость автомобиля по габаритным размерам определяется по:

• продольному радиусу проходимости;
• поперечному радиусу проходимости;
• наименьшему расстоянию между низшими точками автомобиля и дорогой;
• переднему и заднему углу проходимости (углы въезда и съезда);
• радиусу поворотов горизонтальной проходимости;
• габаритным размерам автомобиля;
• высоте центра тяжести автомобиля.