На машину, вне зависимости от того, передвигается она или стоит на месте, воздействует сила тяжести (вес), направленная вертикально вниз.
Сила притяжения удерживает колеса машины на поверхности дороги. Равнодействующая данной силы находится в центре масс. Распределение массы автомобиля по осям зависит от положения центра масс. Чем ближе центр масс к одной из осей, тем сильнее будет нагружена эта ось. В легковых автомобилях нагрузка на оси делится примерно равномерно.
Воздействие гравитации на машину.
Расположение центра тяжести играет важную роль в устойчивости и управляемости автомобиля как относительно продольной оси, так и по вертикали. Чем выше центр тяжести, тем меньше устойчивость автомобиля. Когда машина стоит на горизонтальной поверхности, сила тяжести действует строго вниз. На наклонной поверхности сила тяжести делится на две составляющие (см. рисунок): одна прижимает колёса к дороге, а другая пытается опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и больше угол наклона, тем быстрее автомобиль утратит свою устойчивость и может перевернуться.
В процессе движения на автомобиль, помимо силы тяжести, воздействует множество других сил, на преодоление которых расходуется мощность мотора.
Система сил, воздействующих на автомобиль в процессе движения.
На изображении представлена схема сил, влияющих на автомобиль в процессе 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.
Автомобильными движениями можно заниматься лишь в том случае, если колеса обеспечивают достаточное сцепление с дорожным покрытием.
Если сила сцепления окажется недостаточной (менее силы тяги на передних колесах), то колеса начнут скользить.
Сила контакта с дорогой зависит от массы, приходящейся на колесо, от состояния дорожного покрытия, давления в шинах и узора протектора.
Для оценки влияния состояния дорожного покрытия на силу сцепления используется коэффициент сцепления, который вычисляется как отношение силы сцепления передних колес автомобиля к весу автомобиля, приходящемуся на эти колеса.
Коэффициент трения с дорожным покрытием в зависимости от его типа.
Коэффициент сцепления определяется типом дорожного покрытия и его состоянием (наличие влаги, грязи, снега, льда); его значение представлено в таблице (см. рисунок).
На асфальтобетонных покрытиях коэффициент сцепления значительно снижается, если на поверхности есть влажная грязь и пыль. В этом случае грязь создает пленку, значительно уменьшающую коэффициент сцепления.
В жаркую погоду на асфальтобетонном покрытии дорог возникает маслянистая пленка из выделяющегося битума, что снижает коэффициент сцепления.
Снижение коэффициента сцепления колес с дорожным покрытием также происходит при росте скорости движения. При увеличении скорости на сухом асфальтобетонном покрытии с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления снижается на 0,15.
Разгон, ускорение, накат
Мощность мотора используется для вращения ведущих колёс автомобиля и преодоления трения в трансмиссионных механизмах.
Если сила, с которой крутятся ведущие колеса, создавая тягу, превысит общую силу, противодействующую движению, то машина начнёт двигаться с ускорением, т.е. будет разгоняться.
Ускорением называют увеличение скорости за определенный промежуток времени. Когда тяговое усилие равняется силам, препятствующим движению, автомобиль будет двигаться с равномерной скоростью без ускорения. Чем больше максимальная мощность двигателя и ниже сумма сил сопротивления, тем быстрее автомобиль сможет достичь установленной скорости.
Кроме того, на уровень ускорения воздействуют масса автомобиля, передаточное отношение трансмиссии, главной передачи, число ступеней и аэродинамика автомобиля.
Во время передвижения образуется запас кинетической энергии, и автомобиль получает инерцию. Благодаря инерции транспортное средство может двигаться некоторое время без работающего двигателя – накатом. Использование наката позволяет экономить топливо.
Торможение автомобиля
Торможение автомобиля играет ключевую роль в обеспечении безопасности на дороге и напрямую связано с качеством тормозов. Чем качественнее и эффективнее работают тормоза, тем быстрее возможно остановить автотранспорт, и тем выше скорость, с которой можно передвигаться, что приводит к увеличению его средней скорости.
В процессе движения машины накопленная кинетическая энергия рассеивается при использовании тормозов. На торможение воздействуют силы сопротивления воздуха, сопротивления качению и сопротивления подъему. На склоне силы сопротивления подъему отсутствуют, и к инерции автомобиля добавляется компонент силы тяжести, что усложняет процесс торможения.
При торможении между колесами и дорожным покрытием формируется тормозная сила, противоположная направлению тяги. Эффективность торможения зависит от соотношения тормозной силы и силы сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой превышает тормозную силу, автомобиль будет замедляться. Если тормозная сила окажется большей силе сцепления, то заблокированные колеса начнут скользить по дороге. В первом случае во время торможения колеса вращаются, постепенно снижая свою скорость, а кинетическая энергия автомобиля преобразуется в тепловую энергию, подогревающую тормозные колодки и диски (или барабаны). Во втором случае колеса останавливаются и начинают скользить по поверхности, в результате чего основная часть кинетической энергии преобразуется в теплоту из-за трения шин о дорогу. Торможение с заблокированными колесами ухудшает управляемость автомобиля, особенно на скользкой поверхности, и приводит к более быстрому износу шин.
Максимальная тормозная сила достигается только в том случае, когда тормозные моменты на колесах соответствуют нагрузкам, которые на них воздействуют. Если это соотношение не будет соблюдено, тормозная сила на одном колесе не сможет быть использована полностью.
Эффективность торможения определяется расстоянием, которое требуется для полного остановления, и уровнем замедления.
Тормозной путь – это длина, которую преодолевает автомобиль от начала торможения до остановки. Замедление автомобиля – это показатель, отражающий, на сколько снижается скорость машины за единицу времени.
Управляемость автомобиля
Под управляемостью транспортного средства понимают его умение перенаправлять движение.
Стабилизирующий эффект углов продольного и поперечного наклона оси вращения колеса.
Во время движения автомобиля по прямой крайне важно, чтобы управляемые колеса не отклонялись произвольно, и водителю не приходилось прикладывать усилия для поддержания колес в нужном направлении. На автомобиле реализована система стабилизации управляемых колес в прямом ходе, что достигается за счет продольного угла наклона оси поворота и угла между плоскостью вращения колеса и вертикалью. Благодаря продольному наклону колесо устанавливается таким образом, что его опорная точка относительно оси поворота смещена назад на величину а, и его функционирование похоже на работу ролика (см. рисунок).
Поворачивать колесо при поперечном наклоне значительно сложнее, чем возвращать его в исходное положение – на прямой дороге. Это обусловлено тем, что при повороте колеса передняя часть машины поднимается на величину б (водителю приходится прикладывать значительно больше усилий к рулю).
Для того чтобы вернуть управляемые колеса в положение, соответствующее движению по прямой, вес автомобиля содействует повороту колес, и водитель оказывается в ситуации, когда нужно приложить небольшое усилие к рулю.
Схема бокового смещения колеса
На машинах, особенно у тех, где давление в шинах невысокое, наблюдается боковой увод. Боковой увод возникает главным образом под действием поперечной силы, вызывающей боковой изгиб шины; в этом случае колеса движутся не по прямой, а смещаются в сторону под воздействием этой силы (см. рисунок).
Оба колеса переднего моста имеют одинаковый угол разворота. При изменении положения колес изменяется радиус поворота, который увеличивается, снижая маневренность автомобиля, однако стабильность движения при этом остается без изменений.
При уводе задних колес радиус поворота становится меньше, особенно это заметно, если угол увода задних колес превышает угол передних, стабильность движения нарушается, и автомобиль начинает «рыскать», заставляя водителя постоянно корректировать направление. Чтобы уменьшить влияние увода на управление автомобилем, давление воздуха в шинах передних колес должно быть ниже, чем у задних. Увод колес увеличивается пропорционально боковой силе, действующей на автомобиль, например, на резком повороте, где возникают значительные центробежные силы.
Занос автомобиля
Заносом считают боковое скольжение задних колес во время продолжающегося движения авто вперед. Порой занос может вызвать вращение автомобиля вокруг своей вертикальной оси.
Занос может появляться по нескольким причинам. При резком повороте управляемых колес инерционные силы могут превысить силу сцепления колес с дорогой, что особенно часто наблюдается на скользких покрытиях.
Схема скольжения машины на повороте.
При различных тяговых или тормозных силах, действующих на колеса правой и левой сторон, возникающих в продольном направлении, возникает момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении выступают неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, разнообразие сцепления колес с правой или левой стороны с дорогой или неправильное распределение груза относительно продольной оси автомобиля. Также причиной заноса автомобиля на повороте может быть торможение, так как в этом случае к поперечной силе добавляется продольная сила, и их сумма может превысить силу сцепления, противодействующую заносу.
Для того чтобы избежать возникшего заноса автомобиля, следует: прекратить тормозить, не отпуская сцепление (на машинах с механической трансмиссией); повернуть колеса в ту сторону, куда идет занос.
Эти методы осуществляются сразу же, как только начался срыв. После завершения заноса следует выровнять колеса, чтобы срыв не произошел в другую сторону.
Наиболее часто занос происходит при внезапном торможении на влажной или ледяной поверхности, особенно быстро увеличивается занос при высокой скорости, поэтому на скользких или обледенелых дорогах и в поворотах следует снижать скорость, избегая применения тормозов.
Проходимость автомобиля
Проходимость транспортного средства – это его возможность передвигаться по некачественным покрытиям и в условиях бездорожья, а также успешно справляться с различными преградами, возникающими на пути. Проходимость определяется:
- способностью преодолевать сопротивление качению, используя тяговые силы на колесах;
- габаритными размерами транспортного средства;
- способностью автомобиля преодолевать препятствия, встречающиеся на дороге.
Ключевым фактором, определяющим проходимость, является соотношение максимальной тяговой силы, применяемой на ведущих колесах, и силы, препятствующей движению. В большинстве ситуаций проходимость автомобиля ограничивается низким уровнем сцепления колес с поверхностью дороги, что в свою очередь затрудняет использование максимальной тяговой силы. Для измерения проходимости автомобиля по грунтовым покрытиям применяют коэффициент сцепного веса, который вычисляется делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес машины. Лучшую проходимость демонстрируют автомобили с ведущими всеми колесами. При использовании прицепов, увеличивающих общий вес, но не влияющих на сцепной вес, проходимость значительно снижается.
На уровень сцепления ведущих колес с дорогой значительное воздействие оказывает удельное давление шин на поверхность и рисунок протектора. Удельное давление вычисляется как вес, приходящийся на колесо, разделенный на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля возрастает при меньшем удельном давлении. На твердых и скользких покрытиях проходимость лучше при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах создаст отпечаток большей площади и будет иметь меньшее удельное давление, тогда как на твердых грунтах отпечаток этой шины окажется меньшей площади, что приведет к увеличению удельного давления.
Параметры проходимости транспортного средства
Проходимость транспортного средства по габаритам устанавливается на основе:
- 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.
