Теория движения автомобиля: основные элементы

Силы, действующие на автомобиль

На автомобиль, независимо от того, движется он или неподвижен, действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз.

Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равнодействующая этой силы, размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной из осей расположен центр тяжести, тем больше будет нагрузка на эту ось. На легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется примерно поровну.

Действие силы тяжести на автомобиль

Большое значение на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести не только в отношении продольной оси, но и по высоте. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль. Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы (см. рисунок): одна из них прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем скорее нарушится устойчивость и автомобиль может опрокинуться.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

Схема сил, действующих на автомобиль во время движения

На рисунке показана схема сил, действующих на автомобиль во время 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.

Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги.

Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги на ведущих колесах), то колеса пробуксовывают.

Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.

Для определения влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который определяют делением силы сцепления ведущих колес автомобиля на вес автомобиля, приходящийся на эти колеса.

Коэффициент сцепления с дорогой в зависимости от покрытия

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния (наличия влаги, грязи, снега, льда); величина его приведена в таблице (см. рисунок).

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь и пыль. В этом случае грязь образует пленку, резко уменьшающую коэффициент сцепления.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием в жаркую погоду появляется на поверхности маслянистая пленка из выступающего битума, снижающая коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. Так, при возрастании скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.

Разгон, ускорение, накат

Мощность двигателя затрачивается на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения в механизмах трансмиссии.

Если величина усилия, с которым вращаются ведущие колеса, создавая тяговую силу, будет больше чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, т.е. с разгоном.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если тяговое усилие равно силам сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться без ускорения с равномерной скоростью. Чем выше максимальная мощность двигателя и меньше величина суммарных сил сопротивления, тем быстрее автомобиль достигнет заданной скорости.

Кроме того, на величину ускорения влияет вес автомобиля, передаточное число коробки передач, главной передачи, количество передач и обтекаемость автомобиля.

Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии, и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться некоторое время с отключенным двигателем – накатом. Движение накатом используют для экономии топлива.

Торможение автомобиля

Торможение автомобиля имеет большое значение для безопасности движения и зависит от его тормозных качеств. Чем лучше и надежнее тормоза, тем быстрее можно остановить движущийся автомобиль и тем с большей скоростью можно двигаться, а следовательно, и больше будет его средняя скорость.

Во время движения автомобиля накопленная кинетическая энергия поглощается при торможении. Торможению помогают силы сопротивления воздуха, сопротивления качению и сопротивления подъему. На уклоне силы сопротивления подъему отсутствуют, а к инерции автомобиля добавляется составляющая сила тяжести, которая затрудняет торможение.

При торможении между колесами и дорогой возникает тормозная сила, противоположная направлению силы тяги. Торможение зависит от соотношения между тормозной силой и силой сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой будет больше тормозной силы, то автомобиль затормаживается. Если тормозная сила будет больше силы сцепления, то при заторможенных колесах произойдет их скольжение относительно дороги. В первом случае при торможении колеса катятся, постепенно замедляя вращение, а кинетическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию, нагревающую тормозные колодки и диски (барабаны). Во втором случае колеса перестают вращаться и будут скользить по дороге, поэтому большая часть кинетической энергии будет превращаться в тепло трения шин о дорогу. Торможение с остановившимися колесами ухудшает управляемость автомобиля, особенно на скользкой дороге, и приводит к ускоренному износу шин.

Наибольшую тормозную силу можно получить только тогда, когда тормозные моменты на колесах будут пропорциональны нагрузкам, приходящимся на них. Если такая пропорциональность не будет соблюдена, то тормозная сила на одном из колес не будет полностью использована.

Эффективность торможения оценивается по тормозному пути и величине замедления.

Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль от начала торможения до полной остановки. Замедление автомобиля – это величина, на которую уменьшается скорость автомобиля за единицу времени.

Управляемость автомобиля

Под управляемостью автомобиля понимают его способность изменять направление движения.

Стабилизирующее действие углов продольного и поперечного наклона оси поворота колеса

Во время движения автомобиля по прямой очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес в нужном направлении. На автомобиле предусмотрена стабилизация управляемых колес в положении движения в прямом направлении, которая достигается продольным углом наклона оси поворота и углом между плоскостью вращения колеса и вертикалью. Благодаря продольному наклону колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению оси поворота снесена назад на величину а и его работа подобна ролику (см. рисунок).

При поперечном наклоне повернуть колесо всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движения по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса передняя часть автомобиля приподнимается на величину б (водитель прилагает сравнительно большее усилие к рулевому колесу).

Для возвращения управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, вес автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.

Схема бокового увода колеса

На автомобилях, особенно у тех, где давление воздуха в шинах невелико, возникает боковой увод. Боковой увод возникает в основном под действием поперечной силы, вызывающей боковой прогиб шины; при этом колеса катятся не по прямой, а смещаются в сторону под действием поперечной силы (см. рисунок).

Оба колеса передней оси имеют одинаковый угол увода. При уводе колес меняется радиус поворота, который увеличивается, уменьшая поворачиваемость автомобиля, а устойчивость движения при этом не изменяется.

При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается, особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем у передних, стабильность движения нарушается, автомобиль начинает «рыскать» и водителю все время приходится подправлять направление движения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давление воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем у задних. Увод колес будет тем больше, чем большей будет боковая сила, действующая на автомобиль, например, на крутом повороте, где возникают большие центробежные силы.

Занос автомобиля

Заносом называется боковое скольжение задних колес при продолжающемся поступательном движении автомобиля. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикальной оси.

Занос может возникать в результате ряда причин. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказаться, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, особенно часто это случается на скользких дорогах.

Схема заноса автомобиля на повороте

При неодинаковых тяговых или тормозных силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, действующих в продольном направлении, возникает поворачивающий момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой или левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их сумма может превысить силу сцепления, препятствующую заносу (см. рисунок).

Чтобы предотвратить начавшийся занос автомобиля, необходимо: прекратить торможение, не выключая сцепление (на автомобилях с МКПП); повернуть колеса в сторону заноса.

Эти приемы выполняют сразу же, как только начался занос. После прекращения заноса нужно выровнять колеса, чтобы занос не начался в другом направлении.

Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге, особенно быстро нарастает занос на большой скорости, поэтому при скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не применяя торможение.

Проходимость автомобиля

Проходимостью автомобиля называется его способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья, а также преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути. Проходимость определяется:

• способностью преодолевать сопротивление качению, используя тяговые силы на колесах;
• габаритными размерами транспортного средства;
• способностью автомобиля преодолевать препятствия, встречающиеся на дороге.

Основным фактором, характеризующим проходимость, является соотношение между наибольшей тяговой силой, используемой на ведущих колесах, и силой сопротивления движению. В большинстве случаев проходимость автомобиля ограничивается недостаточной силой сцепления колес с дорогой и в связи с этим невозможностью использовать максимальную тяговую силу. Для оценки проходимости автомобиля по грунту пользуются коэффициентом сцепного веса, определяемым делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес автомобиля. Наибольшую проходимость имеют автомобили, у которых все колеса являются ведущими. В случае применения прицепов, увеличивающих общий вес, но не изменяющих сцепной вес, проходимость резко снижается.

На величину сцепления ведущих колес с дорогой значительное влияние оказывает удельное давление шин на дорогу и рисунок протектора. Удельное давление определяется давлением веса, приходящегося на колесо, на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля будет лучше, если удельное давление будет меньше. На твердых и скользких дорогах проходимость улучшается при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах будет иметь отпечаток большей площади и имеет меньшее удельное давление, а на твердых грунтах отпечаток этой шины будет меньшей площади и удельное давление увеличивается.

Параметры проходимости автомобиля

Проходимость автомобиля по габаритным размерам определяется по:

• 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.

Законы движения автомобиля

Чем располагает водитель

При всей сложности управления автомобилем работа водителя сводится, в конечном счете, к регулированию трех параметров: скорости движения, необходимого для движения усилия и направления. А сложность управления возникает из-за разнообразия условий, в которых происходит движение, и множества вариантов сочетаний скорости, усилий и направления. В каждом из этих вариантов поведение автомобиля имеет свои особенности и подчиняется определенным законам механики, свод которых называют теорией автомобиля. Она учитывает и наличие среды движения, то есть поверхности, по которой катятся колеса, и воздушной среды.
Таким образом, эта теория охватывает два из трех звеньев интересующей нас системы «водитель — автомобиль — дорога». Но движение автомобиля возникает (и законы движения вступают в силу) только после того или иного, правильного или неправильного действия водителя. Увы, влиянием этого действия на поведение автомобиля мы иной раз пренебрегаем. Так, не всегда принимаем в расчет, исследуя разгон, что его интенсивность зависит, кроме характеристик машины и дороги, еще и от того, в какой степени водитель их учитывает, например сколько секунд он тратит на переключение передач. Подобных примеров можно привести множество.
Задача наших бесед — помочь водителю правильно Понимать и учитывать законы поведения автомобиля. Тем самым можно обеспечить, на научной основе, максимальное использование качеств автомобиля, заложенных в его технической характеристике, и безопасность движения при наименьших затратах энергии — механической (автомобиля), физической и психической (водителя).
Законы поведения автомобиля принято группировать вокруг следующих его качеств:
динамичности движения, то есть скоростных свойств;
проходимости, то есть способности преодолевать (или обходить) препятствия;
устойчивости и управляемости, то есть способности послушно идти по заданному водителем курсу;
плавности хода, то есть обеспечения благоприятной характеристики колебаний пассажиров и груза в кузове (не путать с плавностью работы двигателя и автоматической трансмиссии!);
экономичности, то есть способности совершать полезную транспортную работу при минимальном расходе топлива и других материалов.
Законы поведения автомобиля, относящиеся к разным группам, в большой мере взаимосвязаны. Если, например, некий автомобиль не обладает хорошими показателями плавности хода и устойчивости, то водителю трудно, а в иных условиях невозможно поддерживать нужную скорость, хотя бы и при высоких динамических показателях машины. Даже такие, казалось бы, второстепенные факторы, как акустические данные, влияют опять-таки на динамичность: многие водители предпочтут вялый разгон интенсивному, если последний у данной модели сопровождается сильным шумом двигателя и трансмиссии.
Между элементами системы «водитель — автомобиль — дорога» существуют связующие звенья. Между дорогой и водителем — это информация, воспринимаемая его зрением и слухом» Между водителем и автомобилем — органы управления, воздействующие на его механизмы, и обратная реакция, воспринимаемая мышцами, органами равновесия водителя и опять-таки зрением (приборы) и слухом. Между автомобилем и дорогой (средой) — поверхность контакта шин с дорогой (а также соприкасающаяся с воздухом поверхность кузова и других частей машины).

Взаимосвязь элементов системы «водитель — автомобиль — дорога».

Ограничим несколько круг рассматриваемых нами вопросов: будем считать, что водитель получает достаточную и правильную информацию, ничто не мешает ему быстро и точно обрабатывать ее и принимать верные решения. Тогда каждый закон поведения автомобиля подлежит рассмотрению по схеме: автомобиль движется в таких-то условиях — в местах контакта шин с дорогой и поверхности автомобиля с воздухом происходят такие-то явления — водитель действует, чтобы сохранить или изменить данный характер движения, — действия водителя передаются через органы управления механизмам автомобиля, а от них колесам — в местах контакта происходят новые явления — характер движения автомобиля сохраняется или изменяется.
Все это как будто хорошо известно автомобилистам, но не всегда и не все они одинаково трактуют те или иные понятия. А наука требует точности, строгости. Поэтому необходимо, прежде чем изучать поведение автомобиля в разных ситуациях, кое о чем напомнить и условиться. Таким образом, мы поговорим о том, чем располагает водитель, отправляясь в путь.
В первую очередь — о массе автомобиля. Нас будут интересовать только два его так называемых весовых состояния — «полная масса» и состояние, которое условно назовем ходовым. Массу называют полной, когда автомобиль — с водителем, пассажирами (по числу мест в кузове) и грузом, причем полностью заправлен топливом, смазкой и другими жидкостями, укомплектован запасным колесом и инструментом. Масса пассажира принимается равной 76 кг, багажа — по 10 кг на человека. При ходовом состоянии «на борту» находится водитель, но нет ни пассажиров, ни груза: то есть автомобиль может передвигаться, но не загружен. О «собственной» (без водителя и нагрузки) и тем более «сухой» массе (помимо того без топлива, смазки и т. д.) говорить не будем, так как в этих состояниях машина не может двигаться.
Большое влияние на поведение автомобиля оказывает распределение его массы по колесам, или его так называемая осевая нагрузка, и нагрузка, приходящаяся на каждое колесо и шину. У современных легковых автомобилей в ходовом состоянии на передние колеса приходится 45—60% массы, на задние — 55—40%. Первые числа относятся к автомобилям с задним расположением двигателя, вторые — к переднемоторным. С полной нагрузкой отношение меняется на примерно обратное (у «Запорожца», правда, незначительно). У грузовиков масса в ходовом состоянии распределяется между колесами почти поровну, полная же масса — в отношении около 1 : 2, то есть задние колеса нагружены вдвое больше передних. Поэтому на них устанавливаются двойные скаты.
Вез источника энергии, как и без водителя, наш «Москвич» или ЗИЛ не мог бы двигаться. Только на спусках или после разгона автомобиль может пройти известный отрезок пути без помощи двигателя, расходуя накопленную энергию. У большей части автомобилей источником энергии служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Применительно к теории автомобиля водителю о нем необходимо знать сравнительно немного, а именно — что он дает для движения. Это мы выясним, рассмотрев скоростные характеристики. Кроме того, надо представлять себе, в каком количестве двигатель расходует топливо, то есть знать его экономическую, или топливную, характеристику.

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) двигателя показывает изменение мощности (Ne — в л.с. и кВт) и вращающего (крутящего) момента (Ме — в кГм), развиваемых при разных числах оборотов вала и при полном открытии дроссельной заслонки. В нижней части графика — экономическая характеристика: зависимость удельного расхода топлива (g — в Г/л. с.-час) от числа оборотов в минуту.

Скоростные характеристики — это графики изменения мощности и вращающего (крутящего) момента, развиваемых двигателем, в зависимости от числа оборотов его вала (скорости вращения) при полном или частичном открытии дроссельной заслонки (здесь речь идет о карбюраторном двигателе). Напомним, что момент характеризует усилие, которое может «предоставить» двигатель автомобилю и водителю для преодоления тех или иных сопротивлений, а мощность — это отношение усилия (работы) ко времени. Наиболее важна скоростная характеристика, снятая, как говорят, «на полном дросселе». Ее называют внешней. В ней существенны самые верхние точки кривых, соответствующие наибольшим мощности и вращающему моменту, каковые обычно и записывают в технические характеристики автомобилей и двигателей. Например, для двигателя ВАЗ—2101 «Жигули» — 62 л. с. (47 кВт) при 5600 об/мин и 8,9 кГм при 3400 об/мин.

Частичная скоростная характеристика двигателя показывает изменение мощности, развиваемой при различном открытии дроссельной заслонки карбюратора.
Как видим, число оборотов при наибольшем количестве «кГм» значительно меньше числа оборотов, соответствующих максимуму «л. с». Это значит, что если дроссельная заслонка карбюратора полностью открыта, то вращающий момент при сравнительно небольших мощности двигателя и скорости движения автомобиля будет наибольшим, а при уменьшении или увеличении числа оборотов величина момента снизится. Что в этом положении важно для автомобилиста? Важно, что пропорционально моменту изменяется и тяговое усилие на колесах автомобиля. При езде с дросселем, не полностью открытым (см. график), всегда можно увеличить мощность и момент, сильнее нажав на педаль акселератора.
Тут, забегая вперед, уместно подчеркнуть, что мощность, переданная к ведущим колесам, не может оказаться больше той, что получена от двигателя,какие бы устройства ни были применены в системе трансмиссии. Другое дело — вращающий момент, который можно изменять, вводя в трансмиссию пары шестерен с соответствующими передаточными числами.

Экономические характеристики двигателя при различном открытии дроссельной заслонки.

Экономическая характеристика двигателя отражает удельный расход топлива, то есть его расход в граммах на одну лошадиную силу (или один киловатт) в час. Эта характеристика, как и скоростная, может быть построена для работы двигателя при полной или частичной нагрузках. Особенность двигателя такова, что при уменьшении открытия дросселя приходится расходовать больше топлива на получение каждой единицы мощности.
Описание характеристик двигателя приведено здесь несколько упрощенно, но оно достаточно для практической оценки динамических и экономических показателей автомобиля.

Потери на работу механизмов трансмиссии. Здесь Ne и Ме — мощность и вращающий момент двигателя, NK и Мк — мощность и вращающий момент, подведенные к ведущим колесам.

Не вся энергия, получаемая от двигателя, используется непосредственно для движения автомобиля. Есть еще и «накладной расход» — на работу механизмов трансмиссии. Чем меньше этот расход, тем выше коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии, обозначаемый греческой буквой η (эта). КПД — это отношение мощности, переданной на ведущие колеса, к мощности двигателя, измеренной на его маховике и записанной в техническую характеристику данной модели.
Механизмы не только передают энергию от двигателя, но и сами частично расходуют ее — на трение (пробуксовку) дисков сцепления, трение зубьев шестерен, а также в подшипниках и карданных сочленениях и на взбалтывание масла (в картерах коробки передач, ведущего моста). От трения и взбалтывания масла механическая энергия превращается в тепловую и рассеивается. Этот «накладной расход» непостоянен — он увеличивается, когда в работу включается дополнительная пара шестерен, когда карданные шарниры работают под большим углом, когда масло очень вязкое (в холодную погоду), когда на повороте активно работают шестерни дифференциала (при движении по прямой их работа невелика).
КПД трансмиссии равен приблизительно:
— для легковых автомобилей 0,91—0,97,
для грузовых — 0,85 0,89.
При движении на повороте эти величины ухудшаются, то есть снижаются, на 1—2%. при езде по очень неровной дороге (работа карданов) — еще на 1—2%. в холодную погоду — еще на 1—2%, при движении на низших передачах — еще примерно на 2 %. Так что, если все эти условия движения наступают одновременно, «накладной расход» увеличивается почти вдвое, и значение КПД может снизиться у легкового автомобиля до 0,83—0,88, у грузового — до 0,77—0,84.

Схема основных размеров колеса и шины.

Перечень того, что дано в распоряжение водителя для выполнения определенной транспортной работы, завершают колеса. От характеристики колеса зависят все качества автомобиля: динамичность, экономика, плавность хода, устойчивость, безопасность движения. Говоря о колесе, мы имеем в виду прежде всего его главный элемент — шину.
Основную нагрузку от массы автомобиля воспринимает воздух, находящийся в камере шины. На единицу количества воздуха должно приходиться определенное, всегда одинаковое количество килограммов нагрузки. Другими словами, отношение нагрузки, приходящейся на колесо, к количеству сжатого воздуха в камере шины должно быть постоянным. На основе этого положения и с учетом жесткости шины, действия центробежной силы при вращении колеса и т. д. найдена примерная зависимость между размерами шины, внутренним давлением р в ней и приходящейся на шину допустимой нагрузкой G_k—

где Ш — коэффициент удельной грузоподъемности шины.
Для радиальных шин коэффициент Ш равен — 4,25; для грузовых большего размера — 4. Для шин с метрическими обозначениями величина Ш составляет соответственно 0,00775; 0,007; 0,0065 и 0,006. Размеры шин вписывают в уравнение такими, как они фиксированы в ГОСТах на шины — в дюймах или миллиметрах.
Следует обратить внимание на то, что размер диаметра обода входит в наше уравнение в первой степени, а размер (диаметр) сечения профиля — в третьей, то есть в кубе. Отсюда вывод: решающее значение для грузоподъемности шины имеет сечение профиля, а не диаметр обода. Подтверждением может служить и такое наблюдение: записанные в ГОСТе величины допустимой нагрузки на шину почти пропорциональны квадрату размера сечения.
Из размеров шины нас будет особо интересовать радиус r_к качения колеса, причем так называемый динамический, то есть замеренный при движении автомобиля, когда этот радиус увеличивается, по сравнению со статическим радиусом колеса с шиной, от ее нагрева и от действия центробежной силы. Для дальнейших расчетов можно принять r_к равным половине диаметра шины, приведенного в ГОСТе.
Подведем итог. Водителю даны: автомобиль с определенной массой, которая распределяется на передние и задние колеса; двигатель с известной характеристикой мощности, вращающего момента и оборотов; трансмиссия с известными коэффициентом полезного действия и передаточными числами; наконец, колеса с шинами определенных размеров, грузоподъемности и внутреннего давления.
Задача водителя — в том, чтобы использовать все это богатство наивыгоднейшим образом: достигнуть цели поездки быстрей, безопасней, с наименьшими расходами, с наибольшими удобствами для пассажиров и сохранностью груза.

Равномерное движение

Вряд ли водитель будет на ходу проводить расчеты, почерпнутые из этих простых формул. Для расчетов не хватит времени, да они только отвлекут внимание от управления машиной. Нет, он будет действовать на основе своего опыта и знаний. Но все-таки лучше, если к ним добавится хотя бы общее понимание физических законов, которым подчиняются процессы работы автомобиля.

Силы, действующие на колесо:
G_k — вертикальная нагрузка;
М_k — вращающий момент, приложенный к колесу;
Р_k — тяговое усилие;
R_в — вертикальная реакция;
R_г — горизонтальная реакция.

Возьмем самый, казалось бы, простой процесс — равномерное движение по прямой и ровной дороге. Тут на ведущее колесо действуют: вращающий момент М_k, переданный от двигателя и создающий тяговую силу Р_k; равная последней горизонтальная реакция R_k, действующая в обратном направлении, то есть по ходу автомобиля; сила тяжести (масса), соответствующая нагрузке G_k на колесо, и равная ей вертикальная реакция R_в.
Тяговую силу Р_k можно вычислить, разделив вращающий момент, подведенный к ведущим колесам, на их радиус качения. Напомним, что поступающий от двигателя к колесам вращающий момент коробка и главная передача увеличивают в несколько раз соответственно своим передаточным числам. А поскольку в трансмиссии неизбежны потери, то величину этого возросшего момента надо умножить на коэффициент полезного действия трансмиссии.

Значения коэффициента сцепления (φ) Для асфальтового покрытия при разном его состоянии.

В каждое отдельно взятое мгновение ближайшие к дороге точки в зоне контакта колеса с дорогой неподвижны относительно нее. Если бы они перемещались относительно поверхности дороги, то колесо буксовало бы, а автомобиль не двигался. Чтобы точки контакта колеса с дорогой были неподвижными (напомним — в каждое отдельно взятое мгновение!), требуется хорошее сцепление шины с поверхностью дороги, оцениваемое коэффициентом сцепления φ («фи»). На мокрой дороге с увеличением скорости сцепление резко уменьшается, так как шина не успевает выдавливать воду, находящуюся в области контакта ее с дорогой, и остающаяся пленка влаги облегчает скольжение шины.
Но вернемся к тяговой силе Р_k. Она представляет собой воздействие ведущих колес на дорогу, на что дорога отвечает равной по величине и противоположной по направлению силой реакции R_r. Прочность контакта (то есть сцепления) колеса с дорогой, а значит, и величина реакции R_r, пропорциональна (школьный курс физики) силе G_k (а это часть массы машины, приходящаяся на колесо), прижимающей колесо « дороге. И тогда максимально возможное значение R_r будет равно произведению φ и приходящейся на ведущее колесо части массы автомобиля (то есть G_k). φ — коэффициент сцепления, знакомство с которым состоялось только что.
И теперь мы можем сделать несложный вывод: если тяговая сила Р_k будет меньше реакции R_r или, в крайнем случае, равна ей, то колесо буксовать не станет. Если же эта сила окажется больше реакции, то наступит пробуксовка.
На первый взгляд кажется, что коэффициент сцепления и коэффициент трения — понятия равнозначные. Для дорог с твердым покрытием такой вывод довольно близок к действительности. На мягком же грунте (глина, песок, снег) картина иная, и буксование наступает не от недостатка трения, а от разрушения колесом слоя почвы, находящегося с ним в контакте.
Возвратимся, однако, на твердую почву. Когда колесо катится по дороге, оно испытывает сопротивление движению. За счет чего?
Дело в том, что шина деформируется. При перекатывании колеса к точке контакта все время подходят сжатые элементы шины, а отходят — растянутые. Взаимное перемещение частиц резины вызывает трение между ними. Деформация шиной грунта тоже требует затрат энергии.
Практика показывает, что сопротивление качению должно возрастать с понижением давления в шине (увеличиваются ее деформации), с увеличением окружной скорости шины (ее растягивают центробежные силы), а также на неровной или шероховатой поверхности дороги и при наличии крупных выступов и углублений протектора.
Это на твердой дороге. А мягкую или не очень твердую, даже размягченный от жары асфальт, шина проминает, и на это тоже затрачивается часть тяговой силы.

Коэффициент сопротивления качению на асфальте увеличивается с возрастанием скорости и с понижением давления в шинах.

Сопротивление качению колеса оценивают коэффициентом f. Его величина растет с повышением скорости движения, понижением давления в шинах и с увеличением неровности дороги. Так, на булыжнике или гравийном шоссе для преодоления сопротивления качению нужна в полтора раза большая сила, чем ,на асфальте, а на проселке — в два раза, на песке — в десять раз большая!
Силу P_f сопротивления качению автомобиля (на определенной скорости) подсчитывают несколько упрощенно, как произведение полной массы автомобиля и коэффициента f сопротивления качению.
Может показаться, что силы сцепления Р_φ и сопротивления качению Р_f тождественны. Далее читатель убедится, что между ними есть различия.
Чтобы автомобиль двигался, тяговая сила должна быть, с одной стороны, меньше силы сцепления колес с грунтом или, в крайнем случае, равна ей, а с другой — больше силы сопротивления движению (которая при езде с невысокой скоростью, когда сопротивление воздуха незначительно, можно считать равной силе сопротивления качению) или же равна ей.
В зависимости от скорости вращения вала двигателя и открытия дроссельной заслонки вращающий момент двигателя изменяется. Почти всегда можно найти такое сочетание значений вращающего момента двигателя (соответствующим нажимом на акселератор) и выбора передач в коробке, чтобы постоянно быть в рамках только что названных условий движения автомобиля.
Для умеренно быстрого движения по асфальту (как следует из таблицы) необходима значительно меньшая тяговая сила, чем та, какую автомобили способны развить даже на высшей передаче. Поэтому ехать нужно с полуприкрытой дроссельной заслонкой. В этих условиях машины, как говорят, обладают большим запасом тяги. Этот запас необходим для разгона, обгона, преодоления подъемов.
На асфальте, если он сухой, сила сцепления, за редким исключением, больше тяговой силы на любой передаче в трансмиссии. Если же он мокрый или обледенелый, то движение на пониженных передачах (и троганье с места) без буксования возможно только при неполном открытии дроссельной заслонки, то есть со сравнительно небольшим моментом двигателя.

График мощностного баланса. Точки пересечения кривых соответствуют наибольшим скоростям на ровной дороге (справа) и на подъеме (левая точка).

Каждый водитель, каждый конструктор хочет знать возможности данного автомобиля. Самые точные сведения дают, конечно, тщательные испытания в различных условиях. При знании законов движения автомобиля удовлетворительно точные ответы можно получить и расчетным путем. Для этого нужно иметь: внешнюю характеристику двигателя, данные о передаточных числах в трансмиссии, массе автомобиля и ее распределении, лобовой площади и, приблизительно, о форме автомобиля, размерах шин и внутреннем давлении в них. Зная эти параметры, мы сможем определить статьи расхода мощности и построить график так называемого баланса мощности.
Во-первых, наносим шкалу скорости движения, совмещая соответственные значения числа оборотов n_e вала двигателя и скорости V_a, для чего пользуемся специальной формулой.
Во-вторых, вычитая графически (отмеряя вниз по вертикали соответствующие отрезки) из кривой внешней характеристики потери мощности (0,lN_e), получим другую кривую, показывающую мощность N_k, подводимую к колесам (КПД трансмиссии мы приняли равным 0,9).
Теперь можно построить кривые расхода мощности. Отложим от горизонтальной оси графика отрезки, соответствующие расходу мощности N_f на сопротивление качению. Подсчитываем их по уравнению:

Через полученные точки проводим кривую N_f. Откладываем вверх от нее отрезки, соответствующие расходу мощности N_w на сопротивление воздуха. Их величину подсчитываем, в свою очередь, по такому уравнению:

где F — лобовая площадь автомобиля в m 2 , К — коэффициент сопротивления воздуха.
Отметим, что багаж на крыше увеличивает сопротивление воздуха в 2 — 2,5 раза, прицепная дача — в 4 раза.
Отрезки между кривыми N_w и N_k характеризуют так называемую избыточную мощность, запас которой может быть использован на преодоление прочих сопротивлений. Точка пересечения этих кривых (крайняя справа) соответствует наибольшей скорости, которую способен развить автомобиль на горизонтальной дороге.
Изменяя коэффициенты или масштабы шкал скорости (в зависимости от передаточных чисел), можно построить графики баланса мощности для движения по дорогам с разными покрытиями и на разных передачах.
Далее, если отложим вверх от кривой N_w отрезки, соответствующие, например, мощности, которую нужно израсходовать на преодоление определенного подъема, то получим новую кривую и новую точку пересечения. Эта точка соответствует наибольшей скорости, с которой без разгона может быть взят данный подъем.

На подъеме растет нагрузка, приходящаяся на колеса. Пунктиром показана (в масштабе) ее величина при горизонтальной дороге, черными стрелками — при движении на подъем:
α — угол подъема;
Н — высота подъема;
S — длина подъема.

Тут нужно учитывать, что на подъемах к силам, противодействующим движению автомобиля, добавляется сила его тяжести. Чтобы автомобиль мог двигаться на подъем, угол которого обозначим буквой α («альфа»), тяговая сила должна быть не меньше сил сопротивления качению и подъему, вместе взятых.
Автомобилю «Жигули», например, на ровном асфальте приходится преодолевать сопротивление качению примерно 25 кгс, ГАЗ—53А — около 85 кгс. Значит, им для преодоления подъема на высшей передаче со скоростью соответственно 88 или 56 км/ч (то есть при наибольшем моменте двигателя), с учетом сил сопротивления воздуха около 35 и 70 кгс, остается сила тяги около 70 и 235 кгс. Разделим эти значения на величины полной массы автомобилей и получим уклоны 5 — 5,5 и 3 — 3,5%. На третьей передаче (тут скорость меньше, и сопротивлением воздуха можно пренебречь) наибольший угол преодолеваемого подъема составит около 12 и 7%, на второй — 20 и 15%, на первой — 33 и 33%.
Подсчитайте однажды и запомните значения подъемов, посильных вашему автомобилю! Кстати, если он снабжен тахометром, то запомните также число оборотов, соответствующее наибольшему моменту — оно записано в технической характеристике автомобиля.
Силы сцепления колес с дорогой на подъеме и на ровной дороге различны. На подъеме происходит разгрузка передних колес и дополнительное нагружение задних. Сила сцепления задних ведущих колес увеличивается, и их буксование становится менее вероятным. У машин с передними ведущими колесами сила сцепления при движении на подъем уменьшается, и вероятность их буксования выше.
Перед подъемом выгодно дать автомобилю разгон, накопить энергию, которая даст возможность взять подъем без существенного снижения скорости и, может быть, также без перехода на низшую передачу.

Влияние передаточного числа главной передачи на скорость и запас мощности

Следует подчеркнуть, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа трансмиссии, и количество передач в коробке. Из графика, на котором отложены кривые мощности двигателя (соответственно смещенные в зависимости от разных передаточных чисел главной передачи) и кривая сопротивлений, видно, что с изменением передаточного числа наибольшая скорость меняется лишь незначительно, зато запас мощности с его увеличением резко возрастает. Это, конечно, не значит, что передаточное число можно повышать до бесконечности. Чрезмерное его увеличение ведет к заметному снижению скорости автомобиля, (штриховая линия), износу двигателя и трансмиссии, перерасходу топлива.
Существуют более точные, чем описанные нами, методы расчета (динамическая характеристика, предложенная академиком Е. А. Чудаковым, и другие), но пользование ими — дело довольно сложное. Вместе с тем есть и вовсе простые приблизительные методы расчета.