Воздействие автомобиля на дорогу

Размещено на http://www.allbest.ru//

Воздействие автомобиля на дорогу

Цель работы: Изучение и освоение методики расчета взаимодействия автомобиля с автомобильной дорогой - 6 часов.

Общие сведения: Особенности взаимодействия дороги и автомобиля

При движении автомобиля вдоль дороги происходит его пространственное перемещение как поступательное, так и вращательное. При этом возникают вертикальные силы, вызывающие деформацию дорожного покрытия, и касательные усилия, наиболее значительные при разгоне и торможении автомобиля в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием, вызывающие относительное смещение верхних слоев дорожного покрытия.

Особенно сложным является движение автомобиля на подходах к кривым в плане и на самих кривых, в пределах которых автомобиль совершает вращательное движение вокруг вертикальной оси.

На таких участках возникают боковые силы, действующие как на автомобиль, так и на верхний слой дорожного покрытия и оказывающие большое влияние на устойчивость автомобиля. В связи с этим кривые в плане и подходы к ним проектируют в первую очередь из условия обеспечения устойчивого движения автомобиля, предупреждения его опрокидывания и заноса. Таким образом, при движении автомобиля по дороге действует система сил, разных по направлению и величине.

Для предупреждения появления больших вертикальных усилий, оказывающих отрицательное воздействие на подвеску автомобиля и на дорожную одежду, вертикальные вогнутые кривые проектируют по возможности больших радиусов.

Траектория и скоростной режим автомобиля во многом зависят от того, насколько детально учтены при проектировании элементов автомобильных дорог психофизиологические характеристики водителя.

Если водитель не имеет затруднений в оценке направления дороги, он правильно выбирает траекторию движения автомобиля на проезжей части и скоростной режим.

Ошибки в действиях водителя, особенно при узкой проезжей части, приводят к тому, что автомобиль заезжает на обочину, тем самым разрушая кромку проезжей части, обочину и само дорожное покрытие.

Большое значение имеет поддержание высокой ровности дорожного покрытия, позволяющей снизить отрицательное воздействие автомобиля на покрытие. Наличие неровностей вызывает колебания автомобиля, вредные для человека, дорожного покрытия и самого автомобиля. Неожиданный наезд автомобиля на большой скорости на неровность может привести к разрушению дорожного покрытия и поломке конструктивных элементов автомобиля.

Особенно ухудшается взаимодействие колеса с дорогой при наличии водяной пленки на поверхности дорожного покрытия. Ухудшается сцепление шины колеса с дорожным покрытием, а при высоких скоростях (более 80 км/ч) возникает так называемое явление аквапланирования, заключающееся в образовании водяного клина между передними колесами автомобиля и поверхностью дорожного покрытия; при этом передние колеса автомобиля приподнимаются и автомобиль теряет управляемость.

Появление большегрузных и скоростных грузовых автомобилей привело к неприятному для водителей легковых автомобилей явлению при движении по влажному покрытию - возникновению водяного облака.

Для предупреждения появления вокруг грузового автомобиля водяного облака устраивают так называемый дренаж-асфальт - покрытие, в которое уходит часть воды из зоны контакта шины колеса с дорожным покрытием. На автомобилях сбоку и сзади устанавливают специальные защитные щитки.

Несомненно, что воздействия автомобиля на дорожные сооружения усиливаются при неблагоприятных погодных условиях и плохом обеспечении отвода воды от дороги и ее сооружений, при этом существенно увеличивается износ дорожного покрытия и дорожной одежды в целом.

Силы, действующие от колеса автомобиля на дорожное покрытие

При движении автомобиля по дороге в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием возникают динамические вертикальные, продольные и поперечные касательные силы, значение которых зависит от типа автомобиля, шины колеса, нагрузки, природно-климатических условий и т. п.

На стоящее колесо действует только одна сила - вес автомобиля, приходящийся на это колесо. Особенностью автомобильного колеса является его эластичность. Под действием вертикальной силы колесо деформируется (рис. 2.1, а), в месте контакта радиус колеса меньше, чем в других частях колеса, не соприкасающихся с дорожным покрытием.

Площадь следа колеса Fменяется в пределах 250...1000 см2. Для одного и того же автомобиля значение F, м2, зависит от нагрузки на колесо:

F= G/p, (1)

где G - вес автомобиля, приходящийся на колесо, Н;

р - давление, Па.

Значение р не должно превышать 0,65 МПа на дорогах I - II категорий и 0,55 МПа на дорогах III - V категорий.

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса (рис. 1, а) и по выступам рисунка протектора. При определении среднего давления в расчет принимают площадь отпечатка по выступам протектора. При расчете дорожной одежды для вычисления р условно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром D, м, равновеликую площади эллипса:

(2)

В большинстве автомобилей имеются ведущие и ведомые колеса. К ведущим колесам подается вращающий момент Мвр , Н * м, от двигателя автомобиля:

Мвр = Мдв* ик* иг*з, (3)

где Мдв - вращающий момент на коленчатом валу двигателя, Н * м;

ик - передаточное число коробки передач;

иг - передаточное числоглавной передачи;

з -коэффициент полезного действия главной передачи.

а - стоящее колесо; б - ведущее колесо; в - ведомое колесо; D - размер пятна контакта колеса с дорожным покрытием; Рср, Рmах - соответственно средний и максимальный прогиб дорожного полотна; G - вес автомобиля; R - сила реакции; Gк - вес автомобиля, приходящийся на колесо; Mвр - вращающий момент; Т - сила трения; rк - расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; r - радиус колеса; а - расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции R; Рк - окружная сила; х - скорость движения автомобиля

Рис. 1. Схема сил, действующих на дорожное покрытие:

Действие вращающего момента Мврвызывает появление в зоне контакта окружной силы Рк, направленной в сторону, обратную движению (рис. 1, б). Сила Рквызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения в плоскости контакта колеса с дорожным покрытием, при этом Т = Рк.

При действии вертикальной силы Gк возникает сила реакции R, которая располагается на расстоянии а впереди по ходу движения автомобиля. Значение Gк составляет для грузовых автомобилей - (0,65...0,7) G, для легковых - (0,5...0,55) G, где G - общий вес автомобиля, Н.

На ведомое колесо (рис. 1, в) действует сила тяги. Горизонтальная реакция Т = Ркнаправлена в сторону, противоположную движению. Вертикальная сила реакции R так же, как и в случае ведущего колеса, смещена по ходу движения.

Вращающий момент Мврможет быть определен также с учетом окружной силы Рк, Н, и радиуса качения пневматического колеса rк, м:

Мвр = Ркrк, (4)

при этом

rк = лr, (5)

где л - коэффициент уменьшения радиуса колеса в зависимости от жесткости шин, л = 0,93...0,96;

r - радиус недеформированного колеса, м.

В точке О - мгновенном центре скоростей - приложена сила трения (сцепления) колеса с поверхностью дороги.

Можно записать

R= Gк; Мвр = T*rк + R*a,

где а - расстояние от мгновенного центра скоростей до точки приложения силы реакции R.

Откуда

Т = Мвр/rк - R (a/rк). (6)

Поскольку

Мвр/rк = Рк,

Т = Рк - Gк (а/rк).

Обозначим

а/rк = f; Gк (а/rк) = Gкf = Pf. (7)

Тогда

Т = Рк - Рf,

Для ведомого колеса можно записать

Gк = R; Рк = Т; Ra = Ркrк.

Отсюда

Pк = R (a/rк); R= GкPк = Gкf; Pк= Pf,

где Pf - сила сопротивления качению, Н;

f - коэффициент сопротивления качению.

Сопротивление качению зависит от скорости движения, эластичности шины и состояния поверхности дорожного покрытия.

Коэффициент сопротивления качению возрастает с увеличением скорости движения, так как кинетическая энергия колеса при наездах на неровности прямо пропорциональна квадрату скорости качения. Практически значение f остается постоянным до скорости движения 50 км/ч для определенного типа дорожного покрытия:

При скорости движения более 50 км/ч коэффициент сопротивления качению определяют по формуле

fх = f [1 + 0,01 (х - 50)], (8)

где х - скорость движения, км/ч;

f - коэффициент сопротивления качению при скорости движения до 50 км/ч.

Движение автомобиля возможно при условии Т > Рк. Сила трения достигает наибольшего значения, когда

Тmах = ц Gсц, (9)

где Gсц - нагрузка на ведущее колесо (сцепной вес), Н;

ц - коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления ц - это отношение максимального значения силы тяги на ободе колеса к сцепному весу автомобиля.

Различают следующие значения коэффициентов сцепления (рис. 2): ц - при движении в плоскости качения без скольжения и буксования; ц1 - при движении в плоскости качения при скольжении и буксовании (коэффициент продольного сцепления); ц2 - при боковом заносе (коэффициент поперечного сцепления).

Между этими коэффициентами сцепления имеются следующие зависимости:

R = Gц; R2 =

где Yк - поперечная сила.

Отсюда

(10)

Результаты исследования показывают следующие количественные зависимости между ц, ц1, ц2:

ц1 = (0,7...0,8) ц; ц2 = (0,85...0,90) ц1 или ц2 = (0,6...0,7) ц.

Значение ц зависит от типа и состояния дорожного покрытия, скорости движения и других факторов (табл. 1).

При торможении колеса автомобиля часто возникают большие касательные усилия (рис. 3).

Сила торможения составляет

Pк.т. = ц Gк.т., (2.11)

где Gк.т - вес автомобиля, приходящийся на тормозящие колеса, Н.

Таблица 1

Боковые касательные силы возникают при движении по криволинейным участкам дорог, при обгонах, боковом заносе, при сильном поперечном ветре, при наличии большого поперечного уклона проезжей части. Действие касательных сил в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием приводит к истиранию и деформации дорожного покрытия и истиранию шины.

Задача для самостоятельной проработки

Определить S, Sрасч. и D колеса, а также силы Т, Рк, Рf , и момент Мк действующие на дорогу от колеса автомобиля. Исходные данные приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры и варианты для решения задачи

Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки

автомобиль дорога колесо

Какие силы действуют на дорожное покрытие от стоящего колеса, ведущего колеса, ведомого колеса автомобиля?

Какие силы действуют от колеса на дорожное покрытие при торможении?

Какие силы действуют от колеса на дорожное покрытие на криволинейных участках?

Какова сущность коэффициентов продольного и поперечного сцепления?

Размещено на Allbest.ru