4. Время и путь обгона

Обгон представляет собой сложный и опасный маневр, вызванный желанием водителя двигаться без потерь времени. Обгон связан с выездом на соседнюю полосу движения и требует свободного пространства перед обгоняющим автомобилем. Трудность правильного выполнения обгона в сочетании с высокой скоростью требует от водителя безошибочного расчета и точных действий по управлению автомобилем. Малейшая неосмотрительность при обгоне может

привести к тяжелым последствиям. Чем больше скорость транспортного потока, тем больше вероятность ДТП при обгоне. Так, по данным США, при скорости транспортного потока около 11 м/с количество аварий при обгоне, при которых люди получили травмы, составило 14%. При скорости потока, равной 33 м/с, количество таких аварий возросло до 65%.

Маневр обгона можно разделить на три фазы: отклонение обгоняющего автомобиля влево и выезд на соседнюю полосу движения; :Движение слева от обгоняемого автомобиля и впереди него; возвращение обгоняющего автомобиля на свою полосу впереди обгоняе­мого автомобиля.

Для простоты расчетов время, затраченное на поперечное смещение обгоняющего автомобиля и переход его с одной полосы движения на другую, не учитывают, так как это время невелико по сравнению с общим временем обгона. Не учитывают и увеличение пути автомобиля, вызванное этим смещением.

В зависимости от условий движения на дороге обгон может совершаться либо с постоянной, либо с возрастающей скоростью. Обгон с постоянной скоростью характерен для свободного, нестесненного движения автомобиля в загородных условиях. Тогда водитель

обгоняющего автомобиля 1 (рис. 5) имеет впереди себя достаточное пространство для предварительного разгона до большей скорости v₁. Эта скорость должна быть больше скорости v₂ обгоняемого автомобиля 2. Время t_0б и расстояние S_o6 = S₁, необходимые в этом случае для безопасного обгона, определяют следующим образом. Путь обгона

S_o6 = S₁ = D₁ + D₂ + S₂+L₁ + L₂ (11)

или

(12)

где D₁ и D₂ —- дистанции безопасности между обгоняющим и обгоняемым автомобилями в начале и конце обгона, м; L₁ и L₂ — габаритные длины автомобилей 1 и 2, м; S₂ — путь обгоняемого автомобиля, м.

Путь обгоняемого автомобиля

(13)

Из формул (11)— (13) получаем

Следовательно,

Время обгона

Таким образом, время и путь обгона в большой степени зависят от скорости обгоняющего автомобиля v₁. Чем динамичнее автомобиль, тем меньше значения S₀₆ и t_об, следовательно, тем быстрее автомобиль может вернуться на свою полосу движения, обеспечив необходимую безопасность. Многочисленные наблюдения показали, что при свободном движении скорости обгоняющих автомобилей достаточно высоки, но не достигают предельных значений и обычно составляют 80—90% максимально возможной скорости.

Величины дистанций безопасности D₁ и D₂ в большой степени зависят от дорожных условий, типа автомобиля, опыта и квалификации водителя.

Точный их расчет невозможен, поэтому правилами дорожного движения предусматривается, что дистанции между автомобилями выбирает водитель - для ориентировочных расчетов этих расстояний в литературе имеется много различных предложений. Так, некоторые авторы определяют эти дистанции исходя из времени, необходимого водителю для оценки обстановки перед обгоном. Этo время принимают в интервале 2—5 с. Другие исследователи считают дистанции Qi и D, примерно равными остановочному пути обгоняющего автомобиля. Третьи предлагают уравнения, в которых учитывается разность тормозных путей обгоняющего и обгоняемого автомобилей. Массовые наблюдения, проведенные в различных условиях, показали недостоверность этих предпосылок. В действительности водители при определении дистанции безопасности при обгоне учитывают не только возможность экстренного торможения переднего автомобиля, но и вероятность его в данной дорожной обстановке. Другими словами, опираясь на накопленный опыт и интуицию водитель выбирает расстояние с учетом всех факторов, характеризующих условия движения. Не удивительно, что фактические величины дистанций могут весьма значительно отличаться от значений, определенных на основании указанных выше умозрительных предпосылок.

При временном интервале между следующими один за другим автомобилями менее 9—10 с на величину дистанции влияет и тип автомобиля (рис. 5, б). Наименьшие дистанции выдерживают при следовании легкового автомобиля за легковым, а максимальные — при движении грузового автомобиля за легковым. Характер зависимости дистанции от скорости одинаков для взаимодействующих автомобилей всех типов. Согласно имеющимся данным, первая дистанция безопасности может быть представлена в виде функции скорости обгоняющего автомобиля

вторая — в виде функции скорости обгоняемого автомобиля

где а_об и b_об — эмпирические коэффициенты, зависящие от типа обгоняемого автомобиля (табл. 4).

Вторая дистанция безопасности короче первой, так как водитель обгоняю­щего автомобиля стремится быстрее возвратиться на свою полосу движения и иногда «срезает угол». Кроме того, скорость у_х обгоняющего автомобиля больше скорости v.₂, поэтому если в момент завершения обгона дистанция между автомобилями и окажется короче допустимой, то она очень быстро увеличится.

Таблица 4. значение коэффициентов а_об и b_об

Автомобили	аоб	bоб
Легковые	0,33	0,26
Грузовые средней грузоподъемности	0,53	0,48
Грузовые большой грузоподъемности и автопоезда	0,75	0,67

Для анализа процесса обгона удобно пользоваться схемой, на которой изображены зависимости между временем и перемещениями автомобилей (рис. 6, а). Положения обгоняющего, обгоняемого и

встречного автомобилей в начальный момент времени отмечены в нижней части схемы соответственно цифрами 1’, 2' и 3'. Движение всех трех автомобилей считаем равномерным, и соответствующие зависимости

S = S (t) представляют собой прямые линии /, // и ///. Котангенсы углов _1, _2, ₃ наклона этих прямых пропорциональны скоростям v₁, v₂, v₃ автомобилей. В начале обгона расстояние между передними частями обгоняющего и обгоняемого автомобилей равно D₁ + L₂. Точка А пересечения прямых / и // характеризует момент обгона, в который оба автомобиля поравнялись (время t_A), после чего обгоняющий автомобиль начинает выходить вперед. Чтобы определить минимально необходимые время и путь Обгона, нужно найти на графике такие две точки B и С на линиях /-и //, расстояние между которыми по горизонтали было бы равно сумме D₂ + L_1. Тогда абсцисса точки С определит путь обгона, а ордината — время обгона.

Зная S_об и V₃, можно определить минимальное расстояние S_об, котopoe должно быть свободным перед обгоняющим автомобилем в начале обгона:

На рис. 6, б показаны результаты расчета S_o6, t_o6 и S_СВ. При расчете принято: v₁ = 30 м/с,

v₂ = 10 м/с, L₁ = L_z = 5 м. Путь и время, необходимые для безопасного обгона, резко возрастают при увеличении скорости обгоняемого автомобиля. Так, при v₂ = = 10 м/с для безопасного обгона при отсутствии встречного автомо­биля необходимы расстояние примерно 500 м и время около 17 с. При повышении скорости до 20 м/с S_об возрастает до 1260 м, а время до 95 с. Соответственно увеличивается и расстояние S_CB. Таким образом, если водитель обгоняемого автомобиля повысит скорость, не желая уступить дорогу, то это резко увеличит время и путь обгона и может привести к аварии. Поэтому правила дорожного движения категорически запрещают водителю обгоняемого автомобиля какими бы то ни было способами препятствовать завершению обгона.

Чем выше скорость обгоняющего автомобиля, тем меньше значения S_o6, t_0b и S_CB, необходимые для безопасного обгона. Поэтому наиболее безопасен обгон легковым автомобилем тихоходного транспортного средства, например автопоезда. Напротив, обгоны легковых автомобилей, предпринимаемые иногда торопящимися водителями грузовых автомобилей и даже автопоездов, весьма опасны и нередко заканчиваются трагически.

Обгоны с постоянной скоростью возможны на дорогах с проезжей частью шириной более 7—8 м и интенсивностью движения в обоих Управлениях менее 40—60 автомобилей в час, т. е. с интервалом движения около 1 мин. Значительно сложнее и опаснее обгонять при большой интенсивности движения. Так, если интенсивность превышает 150—160 автомобилей в час, то они движутся сплошным потоком. В этих условиях быстроходный автомобиль, догнав медленно Кажущийся автомобиль, уменьшает скорость и некоторое время движется позади него с той же скоростью. Водитель заднего автомобиля внимательно следит за потоком и при появлении перед обгоняемым автомобилем достаточного свободного расстояния начинает обгон, сочетая его с разгоном. Для того чтобы путь и время обгона были минимальными, интенсивность разгона должна быть максимально возможной.

Для расчета пути и времени обгона в этом случае необходимо вначале построить графики интенсивности разгона, характеризующие зависимость между путем и временем движения автомобиля при ускоренном движении. Время разгона можно определить путем интегрирования выражения

Подставив вместо J его значение согласно формуле (10) и интегрируя в пределах от v₀ до v для скорости и от нуля до t_p для времени разгона, получим

(14)

где

Это время, необходимое для увеличения скорости автомобиля от v₀ до v, является минимально возможным, поскольку предполагается, что двигатель автомобиля работает с полной нагрузкой. Определять время разгона автомобиля аналитически, используя формулу (14), целесообразно лишь при наличии ЭЦВМ с готовой программой. Расчеты вручную по этой формуле достаточно трудоемки, поэтому на практике обычно пользуются более простым графоаналитическим методом. Для этого кривую ускорений разбивают на ряд интервалов, начиная от и₀ (см. рис. 4, б), и считают, что в каждом интервале скоростей автомобиль движется с постоянным ускорением j_ср, величину которого определяют по формуле

J_ch= 0.5(j_о+ j₁),

где j_о и j₁ — ускорения соответственно в начале и в конце интерва­ла скоростей, м/с².

При изменении скорости от v₀ до v_х среднее ускорение

Следовательно, время разгона в том же интервале скоростей

Время разгона в интервале скоростей v₁ —v₂

Общее время разгона от минимально устойчивой скорости до ко­нечной

По значениям t, определенным для различных скоростей, строят кривую времени разгона, начиная ее со скорости v_miu, для которой t = 0. Для скорости v_l откладывают значение t₁, для скорости v₂ — значение (t₁ + t₂) и т. д. Полученные точки соединяют плавной линией.

Для расчета пути разгона формулу для ускорения представим в следующем виде:

j = (dv/dt) (dS/dS) = vdvldS.

Подставив вместо ускорения его значение согласно формуле (10) и интегрируя в пределах от v₀ до у для скорости и от 0 до S_p для пути, получаем

При графоаналитическом расчете минимального пути и разгона принимают условно, что автомобиль в каждом из намеченных интервалов скоростей (см. рис. 4, б) движется с постоянной скоростью v_cp = 0,5 (v₁+ v₂). Приращение пути в каждом из интервалов скоростей

Складывая полученные значения S, строят суммарную кривую Sp, начиная с той же скорости, с которой начинали строить кривую t_р. Определив зависимости t_р = t (v) и S_P=S (v) можно по­строить график интенсивности разгона, необходимый для расчета пути и времени обгона с ускорением.

Для построения этого графика в координатах S_p — t_р (рис. 7) наносят сначала значения времени t₁ и пути S₁ соответствующие разгону обгоняющего автомобиля от скорости v_о до скорости v₁, затем значения (t_l + t ₂) и (S₁ + S₂) для интервала скоростей

(v₁—v₂,) и т. д. После этого полученные точки соединяют

плавной кривой 00. На кривой отмечают точки A_1, A_t, ..., соответствующие различным значениям v (например, 5; 10 ... м/с).

Для определения времени и пути обгона, сочетаемого разгоном, на кривой намечают точку, соответствующую скорости v₂ обгоняемого автомобиля (например, А₁₎, и от нее откладывают вправо по горизонтали отрезок, равный

D₁ + L.₂. Из конца отрезка проводят наклонную прямую, параллельную касательной к кривой 00 в точке A₁ и изображающую движение обгоняемого автомобиля.

Рис. 7. График обгона при разгоне обгоняющего автомобиля

Точка С пересечения этой прямой с кривой ОО соответствует моменту времени, когда передние части обоих автомобилей находятся на одном уровне. При дальнейшем движении обгоняющий автомобиль начинает выходить вперед. Чтобы определить минимально необходимые путь и время обгона, нужно на диаграмме найти такие две точки В и Е, расстояние между которыми по горизонтали было бы равно суммеD₂ + L₁. Зная положение начальной и конечной точек обгона, по шкалам S_v и t_v находят путь и время обгона, сочетаемого с разгоном. Если нужно учесть возможность появления встречного авто­мобиля, то из точки Е проводят наклонную прямую под углом, соответствующим скорости этого автомобиля, до пересечения с про­должением горизонтальной прямой, проведенной из начальной точ­ки А₁ (точка F). Минимальное расстояние, которое должно быть свободным перед обгоняющим автомобилем для безопасного обгона, определяется длиной отрезка S_св = A₁F.

По описанной методике были рассчитаны время и путь обгона, необходимые автомобилю ВАЗ-2101 «Жигули», движущемуся по го­ризонтальной дороге с покрытием хорошего качества. Результаты расчетов показали, что при скорости обгоняемого автомобиля 10—12 м/с и при отсутствии встречных автомобилей необходимо свобод­ное расстояние не менее 250—300 м. Если автомобиль будет двигать­ся по левой стороне дороги, где возможно появление встречных транспортных средств, то безопасное расстояние увеличивается до 450—500 м. Согласно СНиП при движении автомобиля с расчетной скоростью 33,3 м/с расстояние видимости поверхности дороги долж­но быть не менее 175 м, а расстояние видимости встречного автомоби­ля не менее 350 мм. Эти расстояния нормируют, исходя из располо­жения глаз водителя на высоте 1,2 м над осью проезжей части дороги и на расстоянии 1,5 м от ее правой кромки.

Сравнение этих данных с результатами расчета показывает, что даже на дорогах высших категорий обгон, сочетаемый с разгоном, практически трудно осуществим даже при относительно небольшой скорости обгоняемого автомобиля, так как гарантированные рас­стояния видимости меньше безопасных путей обгона. На дорогах же низших категорий, имеющих небольшую ширину проезжей части, где выезд автомобилей на левую сторону наиболее вероятен, норми­руемые расстояния видимости допускают обгоны лишь весьма тихо­ходных транспортных средств, движущихся со скоростью 7—8 м/с. При недостаточных расстояниях видимости водители вынуждены со­кращать дистанции безопасности в начале и в особенности в конце обгона, что часто приводит к нарушению требований безопасности. Чрезмерное приближение к переднему автомобилю может быть при­чиной аварии в случае неожиданного его торможения. Уменьшение второй дистанции безопасности и «срезание угла», иногда практикуе­мое водителями в конце обгона, также опасны, так как при ошибке в расчете происходит столкновение автомобилей.

Расчеты пути и времени обгона, сочетаемого с разгоном, сущест­венно упрощаются, если принять, что обгоняющий автомобиль дви­жется с постоянным ускорением. Ускорение обычно принимают при мерно равным 0,7—0,8 от максимально возможного в данных дорож­ных условиях. При равноускоренном движении обгоняющего авто­мобиля с начальной скорости, равной v₂,

(15)

Кроме того, согласно формуле (11) при отсутствии встречного авто­мобиля

(16)

Следовательно, время обгона

Зная t_об, по формуле (15) или (16) находят путь обгона.

В случае обгона, сочетаемого с разгоном, большое значение име­ет приемистость автомобиля. Чем больше максимальное ускорение автомобиля, тем быстрее будет закончен обгон. Так, если принять d₁ = D₂ = 30 м и l₁ = L₂ = 5 м, то при j = 0,2 м/с'² для обгона автомобиля, движущегося со скоростью 10 м/с, необходимы время не менее 27 с и расстояние около 335 м. При увеличении ускорения до 0,4 м/с² время обгона уменьшается до 19 с, а путь обгона — до 260 м.

5. ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЯ НА ТЯГОВУЮ ДИНАМИЧНОСТЬ

Техническим состоянием автомобиля называют степень его го­товности к работе, т. е. степень соответствия его агрегатов, меха­низмов и приборов нормам, установленным правилами технической эксплуатации. В первое время после выпуска автомобиля с завода детали двигателя и других агрегатов прирабатываются, техническое состояние их улучшается. Затем длительное время оно остается при­мерно неизменным, после чего, вследствие изнашивания деталей, изменения их размеров, образования чрезмерных зазоров, а также возникновения усталостных напряжений, техническое состояние автомобиля начинает ухудшаться, что свидетельствует о необходи­мости его капитального ремонта. Замена негодных деталей и узлов ^исправными, регулировка механизмов во время ремонта улучшают их техническое состояние, однако, как правило, уровень его оказы­вается ниже, чем у нового автомобиля.

Ухудшение технического состояния двигателя прежде всего сказывается на уменьшении его мощности. Уменьшение компрессии из-за изнашивания поршневых колец, поршней и цилиндров или неплотного прилегания клапанов к седлам, наличие нагара на стенках камеры сгорания или смолистых отложений на стенках впускного трубопровода, неправильная установка зажигания (карбюраторные двигатели) или момента начала впрыска топлива (дизели) приводят к уменьшению эффективной мощности двигателя.

При длительном хранении бензина на складах в нем образуются высокомолекулярные соединения, которые, соприкасаясь с горячими стенками впускного трубопровода, оседают на них в виде твердого слоя. Отложения уменьшают проходное сечение трубопровода и вызывают неравномерное распределение горючей смеси по цилиндрам. В результате мощность двигателя может уменьшиться на 15—20%. Изнашивание деталей цилиндро-поршневой группы вызывает прорыв рабочей смеси в картер двигателя при 1зкте сжатия и уменьшение давления конца сжатия. У сильно изношенного двигателя эффективная мощность может составить 80—85% номинальной. В случае установки позднего зажигания мощность может упасть на 25—30%. Слишком раннее зажигание приводит к возникновению детонации, вынужда­ющей водителя уменьшать скорость и переходить на низшие передачи. При засорении воздушного фильтра ухудшается наполнение цилиндров, наруша­ется нормальное смесеобразование, что также вызывает падение мощности, Выход из строя свечи зажигания может уменьшить мощность шестицилиндро­вого двигателя на 15—20%.

В процессе эксплуатации изменяется также техническое состоя­ние агрегатов шасси автомобиля. При неправильном зацеплении ше­стерен в коробке передач и ведущих мостах, а также при чрезмерной затяжке конических роликоподшипников главной передачи и ступиц колес возрастают затра­ты энергии в трансмиссии и хо­довой части, приводящие к ухуд­шению тяговой динамичности ав­томобиля. Такие же последст­вия вызывает неправильная ус­тановка передних колес или за­девание тормозных колодок за барабаны придвижении авто­мобиля.

Пробег до капитального ремонта

Рис. 8. Изменение показателей тяговой динамичности

Большое значение для тяго­вой динамичности автомобиля имеет техническое состояние его шин. Недостаточное давление в них повышает сопротивление качению и снижает поперечную устойчи­вость автомобиля. При изнашивании протектора ухудшаются сцепные свойства, увеличивается склонность к пробуксовке колес при трогании автомобиля с места и разгоне.

Снижение показателей тяговой динамичности автомобиля по ме­ре увеличения срока его работы и ухудшения технического состоя­ния проявляется в уменьшении максимальных скорости и ускоре­ния, а также в снижении интенсивности разгона. Примернее изме­нение v_mах и времени разгона от пробега автомобиля показано на рис. 8. При пробеге автомобиля, равном норме пробега до капиталь­ного ремонта (Ю0%), максимальная скорость уменьшается на 10— 15%, а время разгона с места увеличивается на 25—30% по срав­нению с аналогичными показателями нового автомобиля, прошедше­го обкатку.

Ухудшение тяговой динамичности изношенного автомобиля от­рицательно сказывается на его безопасности. Такие автомобили мед­ленно разгоняются, с трудом преодолевают крутые подъемы, для обгона попутных транспортных средств им нужно на 30—35% боль­ше времени, чем таким же автомобилям в исправном техническом со­стоянии. Соответственно снижается и активная безопасность автомо­биля.

6. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ТЯГОВОЙ ДИНАМИЧНОСТИ АВТОМОБИЛЯ

Совершенствование конструкции автомобиля с целью улучшения его тяговой динамичности возможно по нескольким направлениям. Во многих странах ведутся работы по уменьшению массы автомобиля путем более полного использования свойств металлов (создание равнопрочных конструкций) и применения легких сплавов и пластмасс. Блоки двигателей, картеров коробок передач, сцепления и раздаточных коробок изготовляют из алюминиевых и магни­евых сплавов. Успехи химической промышленности позволили внедрить в автомобилестроение многие виды пластмасс, которые имеют меньшую плотность по сравнению с металлами, более пластичны, что важно при изготовлении деталей сложной формы, и обладают вы­сокой антикоррозионной стойкостью.

Развитие и совершенствование автомобильных двигателей про­исходит в направлении повышения литровой мощности, уменьшения габаритных размеров и массы, увеличения долговечности и сниже­ния расхода топлива.

Тяговую динамичность автомобиля можно улучшить, повышая качество обработки деталей трансмиссии и подбирая надлежащие сорта масел, что приводит к увеличению ее КПД. Для улучшения обтекаемости автомобилей выступающие части делают минимальных размеров. У грузовых автомобилей применяют специальные щитки (обтекатели), уменьшающие завихрение воздуха и силу Р_в.

Тяговая динамичность автомобиля может быть значительно улучшена путем применения бесступенчатой трансмиссии (гидро- или электромеханической). Бесступенчатая трансмиссия обеспечивает легкое управление автомобилем, плавный разгон, уменьшает динамические нагрузки и вибрации. У автомобиля с бесступенчатой передачей водитель воздействует только на две педали (управления дроссельной заслонкой и тормозную), так как педаль сцепления отсутствует. Это способствует повышению безопасности движения. Однако существующие бесступенчатые трансмиссии конструктивно сложнее механических коробок передач, имеют большую массу и отличаются высокой стоимостью. КПД этих трансмиссий невысок, что влечет за собой увеличение расхода топлива.

На легковых автомобилях малого литража, где применение бесступенчатыхx передач затруднено вследствие их больших размеров и массы, улучшения тяговой динамичности добиваются увеличением числа передач в коробке передач и полной их синхронизацией. При этом сводится до минимума время пе­реключения передач и улучшается режим работы двигателя. Иногда устанавливают также электромагнитные сцепления, облегчающие работу водителя.