3.2. Сопротивление движению автомобиля

Все элементы современной автомобильной дороги должны обеспечивать возможность безопасного движения автомобилей с расчетной скоростью. Чем выше интенсивность движения по дороге, тем большие взаимные помехи испытывают автомобили, и скорость их движения снижается. Поэтому требования к отдельным элементам трассы дороги устанавливают из условия движения по дороге одиночного автомобиля.

Движущийся автомобиль испытывает сложную систему перемещений:

• поступательное движение на прямых;

• вращение вокруг вертикальной оси при движении по закруглениям;

• колебания в продольном и поперечном направлениях, вызываемые наездами колес на неровности покрытия и т. д.

Не все эти особенности движения пока еще могут быть в полной мере учтены при проектировании дорог. Поэтому при обосновании требований к элементам дороги в плане и профиле условно допускают, что автомобиль движется без колебаний по ровной, твердой поверхности. Фактический режим движения автомобиля по дороге определяется тремя факторами:

1. эксплуатационными свойствами автомобилей;

2. дорожными условиями, обеспечивающими возможность развить ту или иную скорость;

3. индивидуальными особенностями водителей, избирающих в зависимости от восприятия ими дорожных условий наиболее удобную для себя скорость.

Сила тяги, развиваемая двигателем на ведущих колесах автомобиля, расходуется на преодоление сил сопротивления движению. В наиболее общем случае ускоренного движения на подъем на автомобиль действуют следующие силы сопротивлений (рис. 3.3):

• сопротивление качению (трение качения) Р_f;

• сопротивление движению на подъем Р_i;

• сопротивление воздуха P_w;

• инерционные силы самого автомобиля и вращающихся масс его механизмов P_j, возникающие при изменении скорости движения.

Рис. 3.3. Силы сопротивления движению, действующие на автомобиль

Силы сопротивления качению и сопротивления воздушной среды всегда действуют на движущийся автомобиль. Сопротивления движению на подъем и силы инерции в зависимости от продольного профиля дороги и режима движения автомобиля могут или отсутствовать, или даже иметь отрицательный знак, способствуя движению (например, при спуске под гору или при торможении).

Сопротивление качению вызывается затратой энергии на деформацию шин и дороги. На ровных цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях основным фактором, определяющим сопротивление качению, является обжатие шин. На менее ровных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжных мостовых) добавляются наезды колес на неровности покрытия. На грунтовых дорогах с мягкой поверхностью сопротивление создается затратой усилий на деформирование шины и грунта при образовании колеи.

При движении по дорогам с твердыми покрытиями сопротивление качению прямо пропорционально давлению на дорогу

, (3.1)

где G_i – нагрузка на дорогу от отдельных колес, Н; f_i – коэффициенты сопротивления качению.

При движении по деформирующимся грунтовым поверхностям с образованием колеи существует более сложная зависимость между коэффициентом сопротивления качению и нагрузкой на колесо

, (3.2)

где x – коэффициент, меняющийся от 0,75 до 1,0 в зависимости от состояния грунта (более влажному грунту соответствует большее значение); H – глубина колеи после прохода данного колеса, м; D – диаметр колеса, м.

Обычно коэффициент сопротивления качению относят к общему весу автомобиля, т. е. считают

, (3.3)

где SP_f – суммарное сопротивление качению всех колес автомобиля, Н; G_авт – вес автомобиля, Н.

Сопротивление качению зависит от ровности покрытия, скорости и эластичности шины. Однако при скоростях движения ниже 50 км/ч сопротивление качению возрастет настолько медленно, что коэффициент сопротивления качению можно считать практически постоянным (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Значения коэффициента сопротивления качению f

Покрытие	Значение f
Цементобетонное и асфальтобетонное	0,01–0,02
Из щебня или гравия, обработанных органическими вяжущими материалами, с ровной поверхностью	0,02–0,025
Из щебня или гравия, не обработанных вяжущими, с небольшими выбоинами	0,03–0,04
Булыжная мостовая	0,04–0,05
Грунтовая дорога, ровная, сухая и плотная	0,03–0,06
Пашня, переувлажненный заболоченный грунт, сыпучие пески	0,15–0,30

При скоростях, близких к расчетным, для дорог с ровной, твердой поверхностью можно принимать, что коэффициент сопротивления качению при скорости V (60<V<150 км/ч) подчиняется зависимости

, (3.4)

где f_o – коэффициент сопротивления качению при скоростях до 60 км/ч.

Аэродинамическое сопротивление воздушной среды движению автомобиля вызывается:

1. лобовым сопротивлением, которое обусловлено разностью давления воздуха спереди и сзади движущегося автомобиля;

2. трением воздуха о боковую поверхность автомобиля;

3. сопротивлением, создаваемым выступающими частями автомобиля – крыльями, зеркалами, номерными знаками и др.;

4. затратой мощности на завихрение воздушных струй за автомобилем, около колес и под кузовом;

5. сопротивлением воздуха, проходящего через радиатор и подкапотное пространство.

В результате неравномерного обтекания и образования завихрений давление воздуха на поверхность движущегося автомобиля неравномерно. Имеются зоны повышенного давления (радиатор, лобовое стекло) и разряжения (капот, днище, крыша и задняя часть автомобиля) (рис. 3.4).

Рис 3.4. Распределение давления воздуха на автомобиль: а – картина обтекания движущеюся автомобиля воздухом; б – эпюра распределения давления по вертикальной плоскости симметрии; 1 – нижний поток воздуха; 2 – зовы повышенного давления; 3 – участок отрыва воздушных струй; 4 – прилипание воздушных струй; 5 – зона разрежения при большой скорости; 6 –верхний поток воздуха (знаком «+» обозначены зоны повышенного давления; знаком «–» – зоны разрежения).

Суммарная сила сопротивления воздуха движению автомобиля (в Н) выражается формулой аэродинамики

, (3.5)

где с – коэффициент сопротивления среды (безразмерная величина, зависящая от формы тела, движущегося в воздухе, а также от гладкости его поверхности); r – плотность воздуха, равная на уровне моря 0,125 Н×с²/м⁴; w – площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную направлению его движения («лобовая площадь»), м²; V – скорость движения автомобиля относительно воздушной среды, км/ч; при попутном ветре V=V_авт-V_в, при встречном ветре V=V_авт+V_в.

Произведение с×r при тяговых расчетах автомобилей заменяют коэффициентом сопротивления воздуха К_в, определяемым экспериментально (табл. 3.3).

Таблица 3.3. Значения коэффициента сопротивления воздуха К_в

Автомобиль	Кв, Н×с2/м4	w, м2
Грузовой	0,60-0,70	3,0-7,0
Автобус с кузовом вагонного типа	0,25-0,50	4,5-7,0
Легковой	0,15-0,30	1,4-1,6
Обтекаемый спортивный, гоночный	0,10-0,15	1,0-1,5

Площадь лобовой проекции вычисляют по приближенным формулам: для современных легковых автомобилей w=0,8ВН; для автобусов и грузовых автомобилей с кузовом фургон w=0,9ВН (где В, Н – габаритные ширина и высота автомобилей, м).

Сопротивление движению на подъем с уклоном i создается в результате необходимости дополнительных затрат энергии на перемещение автомобиля по наклонной поверхности дороги на некоторую высоту. Для перемещения автомобиля по участку подъема длиной L на высоту Н нужна работа на преодоление силы тяжести F=GH. Пренебрегая разницей между фактической длиной наклонного участка дороги и его горизонтальной проекцией, несущественной для допускаемых на автомобильных дорогах продольных уклонов, можно выразить сопротивление движению на подъем на единицу пути

. (3.6)

Сопротивление инерционных сил автомобиля, возникающее при изменении его скорости, слагается из сил инерции поступательного движения и инерционных моментов вращающихся частей автомобиля. При массе автомобиля m=G/g и скорости автомобиля V (в м/с) инерционная сила поступательного движения

, (3.7)

где dV/dt – ускорение автомобиля; – относительное ускорение.

Наряду с инерцией поступательного движения при изменении скорости движения возникает инерция вращающихся частей автомобиля (колес, маховиков, механизмов трансмиссии). Для ее учета к инерции поступательного движения обычно вводят поправочный коэффициент учета вращающихся масс d_вр, который представляет собой отношение полной силы, необходимой для разгона всех поступательно движущихся вращающихся частей автомобиля, к силе, необходимой только для разгона поступательно движущихся масс

. (3.8)

Поэтому окончательное выражение для инерционной силы автомобиля имеет вид

. (3.9)

Чем больше передаточное число коробки передач, тем выше значение коэффициента d_вр. Для прямой передачи коэффициент колеблется в пределах 1,03-1,07, при других передачах увеличивается примерно по зависимости

, (3.10)

где n – коэффициент, равный 0,03-0,05 для легковых автомобилей и 0,06-0,07 для грузовых; i_к – передаточное число коробки передач.