Эффективность торможения и устойчивость при торможении

Рабочая и запасная тормозные системы

Наибольшее значение для безопасности автомобиля имеет ра­бочая тормозная система. Ее применяют для плавного снижения скорости с замедлением 2,5-3 м/с² (служебное торможение) и для резкого уменьшения скорости с максимально возможным в данных дорожных условиях замедлением до 8-9 м/с² (экстренное или ава­рийное торможение). В целом при одном назначении рабочей и за­пасной тормозных систем, требования эффективности торможения запасной тормозной системой, предназначенной для снижения ско­рости АТС при выходе из строя рабочей тормозной системы, менее жесткие.

Из всех операций по управлению автомобилем экстренное торможение считается одним из наиболее трудных. Многие дейст­вия водитель повторяет по нескольку десятков и сотен раз за смену и, выработав определенные навыки, достигает в них необходимого автоматизма. Аварийное торможение требуется относительно ред­ко, и натренированность водителя в его применении минимальна. В отличие от остальных операций по управлению, выполняемых водителем в спокойном состоянии и медленном темпе, экстренное торможение связано с внезапным возникновением препятствия. Ощущение опасности создает нервное напряжение, вызывая гне­тущее чувство беспокойства, страха и резко усиливая психофизио­логическую нагрузку водителя. Возникает состояние стресса, при котором водитель может или вообще не выполнить необходимых действий, или выполнить их в замедленном темпе, или, наконец, совершить действия, прямо противоположные требуемым. К тому же, как показывает практика, неисправности в обычных условиях не проявляются, но при резком торможении могут вызвать отказ ТС.

Для обеспечения безопасности автомобиля тормозная система должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Время срабатывания системы должно быть минимальным, а замедление - максимальным во всех условиях эксплуатации.
2. Все колеса должны затормаживаться системой одновремен­но и с одинаковой интенсивностью.
3. Тормозные силы на колесах должны нарастать плавно, в си­стеме не должно быть заеданий и заклиниваний.
4. Эффективность действия системы должна быть постоянной в течение всего срока службы, а вероятность отказов минимальной.
5. Работа системы не должна вызывать потери устойчивости.
6. Усилия, необходимые для перемещения рабочих органов управления (педали, рычаги) системы, не должны превышать фи­зических возможностей водителя.
7. Система должна иметь сигнализацию для информирования принципов движения о начале, интенсивности и окончании тор­можения.

Эффективность торможения и устойчивость при торможении

Для физического представления требований к рабочей тормоз­ной системе рассмотрим процесс торможения, рис. 2.7, поэтапно во времени.

1. 1. Время реакции водителя t_p. Водитель, заметив препятствие и оценив дорожную обстановку, принимает решение о торможении. Он переносит ногу с педали подачи топлива на тормозную педаль. Принято считать, что время реакции водителя находится в преде­лах от 0,3 до 2,5 с.

При неожиданном возникновении опасности это время обычно больше. Скорость автомобиля, практически, не меняется. Время, необходимое для этих действий зависит от условий обзорности ав­томобиля, но в большей степени от квалификации водителя, его возраста, степени утомления и других факторов, поэтому при оценке эффективности торможения не нормируется. Предельное значение времени реакции водителя может быть одним из критери­ев надежности водителя.

1. 2. Время срабатывания тормозной системы t_ср. Этот период принято делить на два временных интервала:

время запаздывания тормозной системы t_с. После нажатия на педаль тормозная сила на колесах, вызывающая замедление, возни­кает не сразу. Необходимо время для выбора зазоров в соединениях тормозного привода. Это время от начала торможения до появле­ния замедления колеблется в среднем от 0,1 до 0,4 с (гидравличе­ский привод) от 0,6 до 0,8 с (пневматический привод). У автопоез­дов с пневматическим приводом тормозных механизмов оно может достигать 2-3 с. В течение времени t_с автомобиль продолжает дви­гаться равномерно с начальной скоростью υ₀;

время нарастания замедления t_н В этом периоде тормозные силы и замедление (отрицательное ускорение j) монотонно нарас­тают до определенного значения.

Увеличение тормозных сил, приложенных к колесам, вызыва­ет рост касательных реакции R_х1 и R _х2 . До начала блокировки ко­лес касательные реакции считают пропорциональными времени R_x =f(t), см. рис. 2.7, а (линии 1 и 2).

Рис. 2.7. Торможение автомобиля:

а - зависимость сил сцепления от времени; б - схема сил, действующих на авто­мобиль

Скорость изменения тормозных сил на передней и задней осях обозначают, соответственно, К₁ и К₂. Для тормозных систем с гидроприводом скорость равна 15-30 км/с, с пневмоприводом - 25-100 км/с.

Блокирование колес (если максимальные значения тормозных сил ограничены только сцеплением шин с дорогой) указывает на то, что рост тормозных сил и замедления прекращен. Закон изме­нения касательной реакции на колесах переднего моста в процессе торможения характеризуется линией ОВ'С', а на колесах заднего - линией ОАВС.

При коэффициенте сцепления φ_х = 0,7 продолжительность времени до начала блокирования колес заднего моста может быть 0,5 с. Колеса переднего моста блокируются еще через 0,3с. Ско­рость автомобиля снижается до υ ₂ = 0,8 υ ₀.

При снижении скорости автомобиля торможением рабочей тормозной системой тяговая сила Р_Т может сравняться по величине с силой сцепления Р_сц ведущих колес, вследствие чего возможно пробуксовывание колес как обоих на оси, так и одностороннее, что может привести к заносу и выходу из коридора движения.

Максимально допустимая скорость при прямолинейном дви­жении автомобиля до буксования ведущих колес может быть опре­делена из выражения:

(2.11)

Где:

             М_а - масса автомобиля, кг;

             g - ускорение свободного падения, м/с²;

W_в - фактор обтекаемости, Н с²/м²;

а - расстояние от центра тяжести автомобиля до переднего мо­ста, м;

       φ_х - коэффициент продольного сцепления;

       f - коэффициент сопротивления качению;

              α_д - угол продольного уклона дороги;

       δ_вр - коэффициент учета вращающихся масс;

       L - база автомобиля, м;

              h_цт - высота центра тяжести, м;

Движение автомобиля со скоростью, близкой к υ_бук, является лишь одной из предпосылок заноса. Теоретически автомобиль при торможении может двигаться с этой скоростью неограниченно долго без потери курсовой устойчивости. Однако в реальных условиях под действием поперечной составляющей массы, бокового ветра, неровностей дорожного покрытия, а также различных по ве­личине тормозных сил, прикладываемых к колесам правой и ле­вой стороны, возможно при торможении линейное отклонение ав­томобиля от его направления движения уже в начале нарастания замедления.

При малых скоростях влияние этих возмущений невелико, но в случае большой скорости они могут привести к нарушению устойчивости при торможении и выходу автомобиля из коридора движения.

Время запаздывания и время нарастания замедления, а также линейное отклонение автомобиля при торможении зависят от кон­струкции и технического состояния тормозной системы автомоби­ля. Поэтому время срабатывания рабочей и запасной тормозными системами нормируется для категорий (вида) автомобилей (норма­тивы времени срабатывания тормозных систем для эксплуатирую­щихся АТС рассматриваются в главе 6). Нахождение в пределах нормативного коридора движения 3м при торможении рабочей тормозной системой также является обязательным требованием безопасности для всех ТС.

3. Время действия установившегося замедления t_уст Увеличе­ние тормозного момента, приложенного к колесу, вызывает рост тормозных сил, пока касательные реакции не достигнут макси­мального значения, обусловленного сцеплением шин с дорогой. После прекращения роста тормозных сил движение автомобиля происходит с установившимся замедлением до конца торможения. В этом периоде сила инерции Р_И = Mgφ_х (для простоты расчетов примем коэффициент учета вращающихся масс δ_вр = 1), а замедле­ние J_уст = gφ_х - и автомобиль движется равнозамедленно, а его ско­рость падает до нуля. При υ ₃ = 0 продолжительность третьего пе­риода t_уст = υ ₂ / j_yст. Величина установившегося замедления зави­сит от массы автомобиля и определяет продолжительность вре­мени торможения, поэтому нормируется для категорий (вида) ав­томобилей.

При принятых допущениях тормозные силы R_х1 и R _х2 могут беспрепятственно достигать предельных значений по условиям сцепления:

(2.12)

Где: Р _сц1 и P_сц2 - силы сцепления шины с дорогой, соответственно, переднего и заднего мостов; R _z1 и R_z2 - вертикальные реакции дороги, действующие, соот­ветственно, на передний и задний мосты.

Однако, практически, у автомобиля, оборудованного тормоз­ной системой с гидроприводом, предельная величина тормозных сил ограничена физическими возможностями водителя. Усилие, развиваемое им при экстренном нажатии на тормозную педаль, со­ставляет в среднем 500-600 Н и не превышает 1000-1200 Н. У ав­томобиля, имеющего тормозную систему с пневмоприводом, рост тормозных сил лимитируется мощностью компрессора и давлением воздуха в магистрали. (Рост касательных реакций прекращается в точках D и D', после чего они остаются примерно постоянными и равными R_х2 и R_x1 ). Однако, при постоянных характеристиках тормозной системы в изменяющихся дорожных условиях и нерав­номерном распределении массы автомобиля по осям возможны не­управляемые блокировки колес одного моста.

Если у автомобиля блокируются только колеса заднего моста и мощность тормозных механизмов недостаточна для доведения пе­редних колес до юза, то замедление на третьем периоде можно оп­ределять по формуле:

(2.13)

Рассмотрим пример: при торможении грузового автомоби­ля категории N₂ (масса - 8000 кг, начальная скорость υ ₀ = 70 км/ч, φ_х = 0,7) после прекращения роста тормозных сил по условиям сце­пления (колеса заблокированы) время установившегося замедления t_уст составило 2,2 - 2,4 с. Перемещение автомобиля за время сраба­тывания тормозной системы (время запаздывания и нарастания за­медления) равно 20,4 м, а за время установившегося замедления - 21,2 м, т. е. тормозной путь составит около 42 м. При ограничении роста тормозных сил конструктивными возможностями тормоз­ной системы (R_{X1 max} = 15 кН, R_{X2 max} = 25 кН) продолжительность времени торможения возрастает до 4,6 с, максимальное замедление автомобиля падает с 7 м/с² до 5 м/с², а тормозной путь возраста­ет до 52 м.

Как правило, разработчики тормозных систем, стремятся обес­печить управляемость и предотвратить раннюю блокировку перед­них колес при торможении. В конструкции грузовых автомобилей большой грузоподъемности и автобусов большой вместимости (М₃ и N₃) ограничивают величину тормозных моментов на колесах переднего моста. Это приводит к тому, что максимальные значения касательных реакций от действия тормозных сил при движении по дорогам с сухим покрытием обычно меньше силы сцепления. По­этому, показатели тормозной динамичности и, соответственно, нормативы тормозной эффективности таких автомобилей ниже, чем у автомобилей, имеющих меньшую массу.

Приведенные формулы, связывая конструктивные особенности автомобиля (массу, положение центра тяжести, базу), дорожные условия, скорость нарастания тормозных сил и т. п., характеризуют упрощенную модель процесса торможения. Для практических рас­четов эффективности торможения рекомендует вводить поправоч­ный коэффициент К_э. Примерные значения К_э для сухого асфальто - или цементобетонного покрытия (φ_х = 0,7) даны в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Поправочный коэффициент К_э к расчетам эффективности торможения

С учетом коэффициента К_э формулы для замедления, оста­новочного времени и остановочного пути приобретают следую­щий вид:

(2.14)

При малом коэффициенте сцепления величина тормозных сил у любого автомобиля достаточна для доведения всех колес до скольжения. Поэтому при (φ_х < 0,4 следует принимать К_э - 1 для ав­томобилей всех типов.

Для упрощения расчетов S_уст, м, t_уст, с, и j_уст, м/с², используют номограммы.

Рассмотренные временные интервалы процесса торможения связаны между собой основным показателем тормозной динамич­ности и эффективности торможения - тормозным путем S_T, м:

(2.15)

Где:

S_c - перемещение автомобиля за время t_c, (S_c = υ ₀ t_c);

S_H - перемещение автомобиля за время t„, (S„ = υ ₀ t_н);

S_уст - перемещение автомобиля за время t_уст, [S_уст = υ ²₂ /(2g φ_х) ].

Во многих международных документах показателем тормозной динамичности и эффективности торможения принято также уста­новившееся замедление j_уст. Значения тормозного пути и устано­вившегося замедления, конкретизированные по видам и категори­ям автомобилей, используют в эксплуатации как оценки соответст­вия эффективности тормозных систем требованиям безопасности (см. подглаву 6.2).

Начальная скорость торможения при проверках в эксплуатации и проведении испытаний в дорожных условиях - 40 км/ч. Масса АТС при проверках не должна превышать разрешенной макси­мальной. Нормативные значения показателей эффективности тор­можения должны быть реализованы водителем при заданных уси­лиях (не более) на органах управления тормозных систем.

Стояночная и вспомогательная тормозные системы

Основное назначение стояночной тормозной системы - удержание автомобиля на месте. При приведении ее в действие должно достигаться:

для АТС с технически допустимой максимальной массой - не­подвижное состояние АТС на опорной поверхности с продольным уклоном до 16 + 1 %;

для АТС в снаряженном состоянии - неподвижное состояние на поверхности с продольным уклоном 23 + 1 % - для АТС катего­рий М₁ - М₃ и 31 + 1 % - для категорий N₁ - N₃.

Усилие, прикладываемое к органу управления стояночной тормозной системы для приведения ее в действие, не должно пре­вышать значений, установленных для рабочей и запасной тормоз­ных систем.

Стояночная тормозная система с приводом на пружинные ка­меры, раздельным с приводом запасной тормозной системы, при торможении в дорожных условиях должны дополнительно выпол­нять функции запасной тормозной системы и обеспечивать устано­вившееся замедление 2,2-2,9 м/с².

Вспомогательная тормозная система предназначена для уменьшения энергонагруженности тормозных механизмов рабочей тормозной системы АТС в диапазоне скоростей 25-35 км/ч. Она должна обеспечивать (за исключением моторного замедлителя) установившееся замедление 0,5-0,8 м/с².