Оценка тормозных свойств малотоннажного автопоезда



В статье приведены результаты исследования тормозных свойств одиночного автомобиля и автопоезда на его базе. Установлено влияние весовых и конструктивных параметров прицепа на показатели эффективности торможения и устойчивости движения малотоннажного автопоезда в условиях неравномерности действия тормозных механизмов и сформулированы задачи дальнейших исследований.

Ключевые слова: автомобиль, малотоннажный автопоезд, тягач, прицеп

На современных легковых и малотоннажных грузовых автомобилях устанавливают высокоэффективные тормозные системы, которые позволяют реализовать сцепной вес даже полностью груженого автомобиля на дорогах с высоким коэффициентом сцепления. В случае же их эксплуатации в составе автопоезда, совместно с одноосным прицепом, изменяются условия движения автомобиля. Появляется дополнительное воздействие со стороны прицепа, меняются закономерности изменения силовых и кинематических параметров процесса торможения, возникает необходимость согласования тормозных характеристик тягача и прицепа. Положение усугубляется тем, что тормозная система такого тягача проектируется, исходя из условий торможения одиночного автомобиля, а эксплуатируются автомобили и автопоезда по одним и тем же дорогам. К тому же большинство одноосных прицепов не имеет собственной рабочей тормозной системы. Поэтому влияние прицепа на тормозные свойства автопоезда должно укладываться в определенные пределы, задаваемые параметрами транспортного потока и регламентированные в нормативных документах.

С целью оценки тормозных свойств одиночного автомобиля и малотоннажного автопоезда на его базе были проведены расчетные исследования с использованием математических моделей, описанных в работах [1, 2. Учитывая, что наибольшее распространение, по крайней мере, в нашей стране, получили малотоннажные автопоезда, сформированные на базе легковых автомобилей и одноосных, не оснащенных тормозами (пассивных), прицепов, основное внимание было уделено рассмотрению именно этой категории транспортных средств (ТС). Ниже в качестве примера показана расчетная схема (рис. 1) и приведены уравнения математической модели малотоннажного автопоезда, описывающие плоскопараллельное движение центров масс звеньев, колебания их подрессоренных и неподрессоренных масс и самоповорот управляемых колес тягача.

Рис. 1. Расчетная схема плоскопараллельного движения автопоезда

где R_xj, R_yj, R_zj — суммарные касательные, боковые и нормальные реакции, действующие на колеса соответствующих осей автопоезда; Р_ах, Р_ау, — продольная и поперечная составляющие усилия наката; — ускорения центров масс звеньев автопоезда; M_пi — поворачивающие моменты, действующие на тягач; a, b, B_1–3, h_ga,п, h_кa, l_c, l_п, d, c_a, c_az, c_aα, c_aφ, k_a, k_az, k_aα, k_aφ с_п, с_пz, с_п, с_п, k_п, k_пz, k_п, k_п — размерные и конструктивные параметры звеньев автопоезда; _i — суммарные вертикальные перемещения неподрессоренных масс автопоезда;  — угол самоповорота управляемых колес тягача; i_к — суммарный момент инерции колес и рулевой трапеции относительно шкворней; – поворачивающий момент, действующий на управляемые колеса; l_об — плечо обкатки; k_1 — коэффициент угловой жесткости шин; c_p, h_p — приведенные характеристики жесткости и демпфирования в рулевом управлении; М_т — момент сухого трения.

Эффективность тормозной системы оценивают [3, 4 по величине тормозного пути S_т, отнесенного к начальной скорости V₀ транспортного средства и/или среднему значению замедления j_x в ходе испытаний. Для ТС категории М₁ при испытаниях типа «0» с отсоединенным двигателем нормативы эффективности составляют: j_x  5,8 м/с²; S_т  0,1V₀ + 0,0067V₀². Предписанная эффективность должна достигаться без бокового заноса ТС в полосе движения шириной В_д = 3,5 м и превышения курсового угла  = 15, а задние колеса не должны блокироваться раньше передних колес при коэффициенте торможения z = j_x/g от 0,15 до 0,8.

Эффективность торможения автопоезда с неоснащенным тормозами прицепом должна соответствовать минимальной эффективности торможения автомобиля-тягача при испытаниях типа «0», а среднее замедление автопоезда определяется расчетным путем

.

Если в качестве тягача используется легковой автомобиль категории М₁, то величина j_ап должна составлять не менее 5,4 м/с² как с нагрузкой, так и без нагрузки. Причем проведение дорожных испытаний не требуется.

Учитывая указанные рекомендации, при проведении расчетных исследований в качестве оценочных показателей были приняты показатели эффективности торможения S_т, j_x и показатели _уi устойчивости, представляющие собой отношение необходимой для торможения ширины проезжей части к минимально допустимой по условиям безопасности движения,

(2)

где В_аг, В_пг — габаритная ширина звеньев; а_г, b_г, d_г — расстояния от центров масс до крайних точек кузова тягача и прицепа.

Показатель устойчивости может принимать как положительные, так и отрицательные значения, причем положительные значения _у обусловливают область устойчивого, а отрицательные — неустойчивого движения.

Нарушение устойчивости ТС при торможении может быть вызвано появлением поворачивающих моментов М_пi вследствие неодинаковой эффективности действия тормозных механизмов на колесах одноименных осей, которая характеризуется коэффициентами начальной неравномерности «k_нi». Назовем колесо с большей эффективностью торможения «отстающим», а с меньшей — «забегающим». Тогда

где R_xз, R_xот — касательные реакции на «забегающем» и «отстающем» колесах.

В качестве объектов исследования были приняты легковой автомобиль малого класса с параметрами: М_а = 1420 кг, L_a = 2,4 м, a = 1,34 м, b = 1,06 м, h_ga = 0,65 м, p_am = 8,1 МПа, t_d = 0,3 с и малотоннажный автопоезд в составе этого автомобиля и одноосного прицепа. Расчеты проводились для случая торможения ТС на горизонтальном участке дороги с покрытием хорошего качества ( = 0,8) с начальной скорости V₀ = 80 км/ч. В ходе исследований изменялись: загрузка (m_гр) и высота центра масс прицепа (h_gп), коэффициенты k_нi неравномерности и коэффициенты сопротивления боковому уводу k_yi.

С целью поэтапного изучения влияния различных факторов на тормозные свойства в данной работе не учитывалось влияние самоповорота управляемых колес автомобиля и АБС на устойчивость движения ТС. Эти вопросы будут рассмотрены позже.

Расчеты показали, что при заданных исходных значениях параметров торможение одиночного автомобиля и автопоезда с пассивным прицепом при m_п = 300 кг, что соответствует допустимой массе прицепа, заявленной заводом изготовителем данной категории автомобилей, происходит достаточно эффективно и соответствует требованиям нормативных документов. Значения показателей эффективности составили: для одиночного автомобиля — S_т = 37,2 м, j_a = 7,6 м/с², а для автопоезда — S_т = 46,3 м, j_aп = 5,9 м/с². При этом торможение одиночного автомобиля происходит без блокирования колес, а у автопоезда блокируются передние колеса, что вызвано снижением сцепного веса передней оси тягача, вследствие перераспределения вертикальных нагрузок между звеньями автопоезда. Интересно, что устойчивость малотоннажного автопоезда оказалась выше устойчивости одиночного автомобиля (рис. 2), несмотря на появление в сцепном устройстве толкающего усилия, средняя величина которого составила = 1,66 кН, а максимальная — Р_км = 1, 85 кН. Причем устойчивость, как одиночного автомобиля, так и автопоезда определялась габаритными отклонениями передней части автомобиля, а величина курсовых отклонений центров масс составила: для одиночного автомобиля — у_а = 0,43 м, _а = 0,036 рад и для звеньев автопоезда — у_т = 0,30 м, _а = 0,013 рад, у_п = 0,25 м, _а = 0,011 рад. С ростом неравномерности действия тормозных механизмов величина показателей устойчивости (рис. 3) снижается и при значениях коэффициентов неравномерности k_н1,2 > 13 % для одиночного автомобиля и k_н1,2 > 15 % для автопоезда становится отрицательной, что свидетельствует о нарушении устойчивости движения ТС.

Рис. 2. Изменение показателей устойчивости автомобиля _уа и автопоезда _уап при торможении: k_н1 = k_н2 = 10 %; m_п = 300 кг

Рис. 3. Влияние коэффициентов неравномерности на устойчивость автомобиля _уа и звеньев автопоезда _ут,п при торможении: m_п = 300 кг

С увеличением загрузки прицепа длина тормозного пути автопоезда растет (рис. 4), а замедление снижается и при m_гр = 330 кг (m_п = 430 кг) становится ниже нормативного j_н значения. В то же время величина показателей устойчивости (рис. 5) с ростом m_гр также растет, что говорит о повышении курсовой устойчивости автопоезда.

Рис. 4. Влияние загрузки прицепа на показатели эффективности торможения автопоезда: k_н1 = k_н2 = 10 %

Рис. 5. Влияние загрузки прицепа на показатели устойчивости автопоезда при торможении: k_н1 = k_н2 = 10 %

Анализ закономерностей изменения касательных R_x1,2 и нормальных R_z1,2 реакций, а также поворачивающих моментов М_п1,2, действующих на осях тягача, показал, что с ростом m_гр увеличивается перераспределение вертикальных нагрузок между осями автопоезда — нормальные реакции на колесах задней оси тягача растут, а на колесах передней оси наоборот снижаются. В результате блокируется «отстающее» колесо передней оси, что приводит к уменьшению, действующей на него касательной реакции, а также поворачивающего момента М_п1, вплоть до изменения направления его действия. Это, в свою очередь, снижает величину суммарного поворачивающего момента М_п и оказывает положительное влияние на устойчивость движения тягача и автопоезда в целом, несмотря на существенное увеличение толкающего усилия Р_к в сцепном устройстве. По той же причине повышается курсовая устойчивость автопоезда с увеличением высоты центра масс прицепа (рис. 6), но при этом величина усилия Р_к немного снижается. С увеличением коэффициентов неравномерности k_нi этот процесс нивелируется.

Рис. 6. Влияние высоты центра масс прицепа на показатели устойчивости автопоезда при торможении: m_п = 300 кг; l_п = 2,1 м

Коэффициенты сопротивления уводу k_yi влияют на «шинную поворачиваемость» ТС. Расчеты показали (рис. 7), что снижение коэффициентов k_y на колесах передней оси автомобиля k_yа1 и тягача k_yт1 приводит к усилению недостаточной поворачиваемости и повышению их устойчивости при торможении. Причем для автомобиля это влияние более значительно. Снижение k_y на колесах задней оси ТС наоборот усиливает их избыточную поворачиваемость, что приводит к значительному увеличению курсовых отклонений звеньев и снижению устойчивости автопоезда, а для автомобиля — к выходу за пределы «коридора безопасности» и нарушению устойчивости движения. Изменение k_y на колесах оси прицепа практически не сказывается на устойчивости автопоезда (см. рис. 7, кривая _уп).

Рис. 7. Влияние коэффициентов сопротивления уводу k_yi на курсовую устойчивость ТС при торможении: m_п = 300 кг; k_y0 = 35 кН/рад

Проведенные исследования показали, что выполнение нормативных требований по эффективности и устойчивости торможения малотоннажных автопоездов предполагает решение, по крайней мере, двух основных задач:

‒ определение научно обоснованной полной массы прицепа на стадии его проектирования и контроль ее в процессе эксплуатации;

‒ формирование недостаточной поворачиваемости тягача в процессе торможения автопоезда.

Для решения этих задач целесообразно расширить область исследований, включив в нее не только параметры прицепа, но и конструктивно-эксплуатационные параметры тягача и его систем (рулевого управления и тормозной системы).

Литература:

1. Железнов, Е. И. Повышение тормозных свойств малотоннажных автопоездов: монография/Е. И. Железнов; ВолгГТУ. — Волгоград, 2000. — 144 с.
2. Железнов, Р. Е. О влиянии геометрических параметров автомобиля на курсовую устойчивость при торможении/Р. Е. Железнов, Д. В. Аксенов, Е. И. Железнов//Энерго- и ресурсосбережение: промышленность и транспорт. — 2016. — № 5. — С.16–23.
3. ГОСТ Р 41.13–2007. Единообразные предписания, касающиеся транспортных средств категорий M, N и О в отношении торможения, 2009.
4. ГОСТ Р 41.13-Н-99. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения легковых автомобилей в отношении торможения, 1999.