Система ВАДС та взаємовплив основних компоненнтів

Робота автомобільного транспорту проходить в тісній взаємодії з дорогою і навколишнім середовищем. При аналізі роботи автомобільного траспорту доцільно розглядати систему, що об'єднує об'єкти і суб'єкти руху: "водій- автомобіль-дорога- навколишнє середовище"

Це досить складна система, що включає різні підпорядковані міні-системи, значення і характеристики яких змінюється в часі та просторі. Основні підсистеми і їх особливості.

"Водій - автомобіль". Передбачає взаємодію водіїв з виконавчими механізмами автомобіля, зусилля, які необхідно до них прикладати, порядок здійснення робочих операцій при зрушенні з місця, зміна траєкторії руху, гальмування і т.д. Дослідження цієї підсистеми має велике значення для оцінки умов роботи водія і виявлення закономірностей руху при різних видах експлуатації автомобіля.

"Водій - дорога". Включає питання екологічного впливу на дорогу, до яких відноситься руйнування трав'яного покриття покриву на узбіччях, пошкодження декоративних і снігозахисних насаджень, сміття на проїзній частині, смузі відводу і площадках для відпочинку і інші негативні дії водіїв та учасників руху, які негативно відбиваються на експлуатаційних якостях автомобільних доріг.

"Водій - навколишнє середовище". Має більш загальний характер. Вона поширюється на екологічні аспекти системи і в першу чергу - на діяльність водіїв по збереженню рослинного та тваринного світу, захисті атмосфери та гідросфери від забруднення.

"Автомобіль - водій" - обернена до підсистеми В-А. Аналіз її дає змогу розкрити вплив конструкції автомобіля на працездатність водія, встановити фактичні і гранично допустимі рівні шуму і вібрації, оцінити степінь запилення і загазування робочого місця водія, визначити критерії освітленості в кабіні, оглядовості і т.п.

"Автомобіль - дорога": Ця підсистема спрямована на розкриття напружено- деформаційного стану дорожніх одягів і земляного полотна під впливом навантажень від рухомого складу. В результаті досліджень цієї підсистеми встановлюються характер і величини зовнішніх навантажень, визначаються пружні і залишкові деформації, вираховуються нормальні і дотичні напруження. Вона дозволяє оцінити міцність дорожнього одягу і її відповідність фактичному складу і інтенсивності руху, виявити причини утворення різного виду залишкових деформацій, розробити обґрунтовані рекомендації по підтриманню дороги в належному експлуатаційному стані.

"Автомобіль - навколишнє середовище ". Ця підсистема із зростанням ринку автомобілів набирає все більше значення. Під колесами автомобілів щорічно гине велика кількість диких тварин, від ударів об капот радіатора і вітрове скло легкового автомобіля на кожному кілометрі шляху гине понад 160 комах.

Вихлопні гази, пилюка, шум, вібрація і інше негативні прояви функціонування транспорту щорічно стають все більш відчутними. Без детального аналізу підсистеми А-С і активної боротьби із різного роду порушеннями встановлених правил забезпечити охорону навколишнього середовища неможливо.

"Дорога-водій". В цій системі закладена велика кількість пістійної та оперотивної інформації, яка визначає дії водія. Водій зобов'язаний не тільки слідкувати за станом дорожніх елементів, враховувати їх при виборі траєкторії і режиму руху автомобіля, але й старанно аналізувати рух інших автомобілів, всю дорожню ситуацію і бути готовим виконати маневр, що виключає дорожно -транспортний випадок, непродуктивні затрати часу. Під впливом інформації, що надходить ззовні, у водія формується емоційне напруження, розвивається втома. На основі дослідження цієї підсистеми можна виробити рекомендації по тренуванню водіїв, раціональному обставленню дороги, вибору засобів подачі інформації та ін. Вона має також велике значення при аналізі безпеки руху і визначенні режимів руху.

"Дорога - автомобіль". Підсистема виділяє вплив експлуатаційного стану дороги на режим роботи і характер руху автомобіля. Використовуючи закономірності, властиві цій системі, можна розв'язувати технічні задачі: встановлювати частоту і амплітуду коливання різних частин автомобіля, визначити стійкість руху, враховувати проходимість транспортних машин, розраховувати швидкість руху, витрату палива, продуктивність автомобілів. Знання законів підсистеми Д-А дозволяє створювати автомобілі для різних умов експлуатації і найбільш раціонально організовуватим роботу автомобілів.

Підсистема "дорога- навколишнє середовище " обєднує питання впливу дороги на природні комплекси, що прилягають до неї. При вписуванні дороги в місцевий ланшафт можуть розчленитися лісові масиви, змінюватися гідрологічний режим території, а в прцесі експлуатації відбувається засмічення стічними водами, запилення сільско-господарських культур, засолення грунтів, формуватися нерівномірні відкладення сніжного покриву.

Підсистема "навколишнє середовище - водій " проявляється різноманітним впливом новколишного середовища на водія в процесі виконання ним своїх функцій. Висока і низька температура, вітер, розріджене і забруднене повітря, його вологість виявляють вплив на фізіологічний стан водія. При сильних відхилення природних умов від норми у водія знижується працездатність і продуктивність праці. Природні умови, архітектурно - художні композиції, ланшафтні краєвиди, соціальне середовище також впливають на увагу водія, його настрій і самопочуття.

"Навколишнє середовище - автомобіль". Підсистема формується на стадії проектування автомобіля, коли враховуються кліматичні умови, в яких він працюватиме. Для зменшення лобового опору машині надають обтічну форму,

застосовують спеціальну обробку поверхні.

• При низькій температурі виникають ускладнення із заведеням двигуна, тому передбачаються системи його підігріву.

У нічний час необхідно включати освітлювальні прилади, при випаданні опадів- приладів очищення вітроврго скла. Робота автомобілів в умовах інтенсивного запилювання вимагає частої заміни фільтрів, використання спеціальних змазочних матеріалів. Ця система представляє інтерес при дослідженні експлуатаційної надійності автомобілів, їх роботи в різних кліматичних умовах.

Підсистема "навколишнє середовище - дорога" враховує дію кліматичних, гідроологічних, біологічнихфакторів на дорогу. До них відносяться: промерзання і відтаювання дорожньої конструкції, накопиченя і переміщення вологи, обмерзання покрить, водяна і вітрова ерозія,нагрівання покрить, сніжні заноси проїзної частини та інші явища. В результаті дії цих факторів в дорожніх одягах виникають температурні напруження, в дорожньому полотні проходять адсорбційні, дифузійні, осмотичні та інші процеси, що призводять до зміни в певних межах експлуатаційних якостей дорожніх покрить. Дорога зазнає впливу біогеоценозу, який проявляється в старінні матеріалів, розущільненні ґрунтів земляного полотна, рості придорожніх насаджень і формування трав'яного покриття на відкосах дороги. Дослідження цєї підсистеми дозволяють розробити заходи по підвищенню атмосферо- і морозостійкості дорожніх конструкцій, підвищення стійкості і надійності автомобільних доріг в різних природних умовах.

Всі наведені підсистеми взаємозв'язані. В цілому вони охоплюють всі основні проблеми експлуатації автомобільних доріг.

Тема. Вплив автомобілів I природних факторів на дорогу та умови руху

1. Особливості взаємодії дороги і автомобіля

При русі автомобіля уздовж дороги відбувається його просторове переміщення як поступальне, так і обертальне. При цьому виникають вертикальні сили, що викликають деформацію дорожнього покриття, і дотичні зусилля, найзначніші при розгоні і гальмуванні автомобіля в зоні контакту шини колеса з дорожнім покриттям, що викликають відносний зсув верхніх шарів дорожнього покриття.

Особливо складним є рух автомобіля на підходах до кривих в плані і на самих кривих, в межах яких автомобіль здійснює обертальний рух навкруги вертикальної осі.

На таких ділянках виникають бічні сили, що діють як на автомобіль, так і на верхній шар дорожнього покриття і що роблять великий вплив на стійкість автомобіля. У зв'язку з цим криві в плані і підходи до них проектують в першу чергу з умови забезпечення стійкого руху автомобіля, попередження його перекидання і занос. Таким чином, при русі автомобіля по дорозі діє система сил, різних по напряму і величині.

Велике значення має підтримка високої рівності дорожнього покриття, що дозволяє знизити негативну дію автомобіля на покриття. Наявність нерівностей викликає коливання автомобіля, шкідливі для людини, дорожнього покриття і самого автомобіля. Несподіваний наїзд автомобіля на великій швидкості на нерівність може привести до руйнування дорожнього покриття і поломки конструктивних елементів автомобіля.

Особливо погіршується взаємодія колеса з дорогою за наявності водяної плівки на поверхні дорожнього покриття. Погіршується зчеплення шини колеса з дорожнім покриттям, а при високих швидкостях (більше 80 км/ч) виникає так зване явище аквапланування, що полягає в утворенні водяного клина між передніми колесами автомобіля і поверхнею дорожнього покриття; при цьому передні колеса автомобіля підводяться і автомобіль втрачає керованість.

Поява великовантажних і швидкісних вантажних автомобілів привела до неприємного для водіїв легкових автомобілів явищу при русі по вологому покриттю — виникненню водяної хмари. Для попередження появи водяної хмари влаштовують так званий дренаж-асфальт — покриття, в яке йде частина води із зони контакту колеса з дорожнім покриттям. На автомобілях збоку і ззаду встановлюють спеціальні захисні щитки.

Дія автомобіля на дорожні споруди посилюються за несприятливих погодних умов і поганого забезпечення відведення води від дороги і її споруд, при цьому істотно збільшується знос дорожнього покриття і дорожнього одягу в цілому.

2. Сили, що діють від колеса автомобіля на дорожнє покриття

При русі автомобіля по дорозі в зоні контакту шини колеса з дорожнім покриттям виникають динамічні вертикальні, подовжні і поперечні дотичні сили, значення яких залежить від типу автомобіля, шини колеса, навантаження, природно-кліматичних умов і т.п.

На колесо, що стоїть, діє тільки одна сила — вага автомобіля, що припадає на це колесо. Особливістю автомобільного колеса є його еластичність. Під дією вертикальної сили колесо деформується (мал. 1, а), в місці контакту радіус колеса менше ніж в інших частинах колеса, не дотичних з дорожнім покриттям.

Мал. 3.1. Схема сил, що діють на дорожнє покриття:

а — колесо, що стоїть; б — ведуче колесо; в — ведоме колесо;

D — розмір плями контакту колеса з дорожнім покриттям;

P_cp, Р_тах — відповідно середнє і максимальне прогинання дорожнього полотна;

G — вага автомобіля; R — сила реакції; G_k— вага автомобіля, що припадає на колесо; М_об — обертаючий момент; Т— сила тертя; r_k — відстань від центру колеса до поверхні дорожнього покриття; r — радіус колеса;

а — відстань від миттєвого центру швидкостей O до лінії дії сили реакції R;

Р_к — окружна сила; V — швидкість руху автомобіля

Площа сліду колеса F міняється в межах 250... 1000 см². Для одного і того ж автомобіля значення F, м², залежить від навантаження на колесо:

Де: G — вага автомобіля, що припадає на колесо, (Н); р — тиск, (Па.)

Значення р не повинне перевищувати 0,65 МПа на дорогах I — II категорій і 0,55 МПа на дорогах III—V категорій.

Розрізняють площу відбитка колеса по контуру у формі еліпса (мал. 3. а) і по виступах малюнка протектора. При визначенні середнього тиску враховують площу відбитка по виступах протектора. При розрахунку дорожнього одягу для обчислення р умовно приймають площу відбитка у вигляді круга діаметром D м, рівновелику площі еліпса:

В більшості автомобілів є ведучі і ведомі колеса. До ведучих коліс подається обертаючий момент М_об (Нм) двигуна автомобіля:

де М_дв — обертаючий момент на колінчастому валу двигуна,

и_к — передавальне число коробки передач;

и_гп— передавальне число головної передачі;

η — коефіцієнт корисної дії головної передачі.

Дія обертаючого моменту М_об викликає появу в зоні контакту окружної сили Р_к направленої убік, зворотну руху (мал. 3.1, б). Сила Р_к викликає горизонтальну силу реакції Т, силу тертя, що є, в площині контакту колеса з дорожнім покриттям, при цьому Т = Р.

При дії вертикальної сили G_к виникає сила реакції R, яка розташовується на відстані а попереду по ходу руху автомобіля. Значення G_к складає для вантажних автомобілів (0,65...0,7) G, для легкових (0,5...0,55) G, де G — загальна вага автомобіля, (Н).

На ведоме колесо (мал. 3.1, в) діє сила тяги. Горизонтальна реакція

Т = Р_к. направлена убік, протилежну руху. Вертикальна сила реакції R так само, як і у разі ведучого колеса, зміщена по ходу руху.

Обертаючий момент М_об може бути визначений також з урахуванням окружної сили Р_к (Н), і радіусу качення пневматичного колеса r_k

М_об= Р_к r_k при цьому r_k = λr

де: λ — коефіцієнт зменшення радіусу колеса залежно від жорсткості шин,

λ = 0,93...0,96; r — радіус недеформованого колеса, (м).

В точці О — миттєвому центрі швидкостей — прикладена сила тертя (зчеплення) колеса з поверхнею дороги.

Можна записати R = G_к М_об = Т r_k + Rа

де а — відстань від миттєвого центру швидкостей до точки додатку сили реакції R

Звідки Т=М_об / r_k - R (а/ r_k ) (3.6)

Оскільки М_об / r_k = Р_к Т= Р_к - G_к(а/ r_k )

Позначимо а/ r_k =f G_к(а/ r_k ) = G_к f = Р_f

Тоді T = P_k - P_f

Для ведомого колеса можна записати: G=R P_k=T R а =P_k r_k

Звідси P_k= R (а/ r_k ) R=G_k P_k = G_k f P_k = P_f

де P_f — сила опору качению,(H); f— коефіцієнт опору качению.

Опір качению залежить від швидкості руху, еластичності шини і стану поверхні дорожнього покриття.

Коефіцієнт опору качению зростає із збільшенням швидкості руху, оскільки кінетична енергія колеса при наїздах на нерівності прямо пропорційна квадрату швидкості качения. Практично значення f залишається постійним до швидкості руху 50 км/ч для певного типу дорожнього покриття:

Тип дорожнього покриття Значення ƒ

Цементобетонне і асфальтобетонне 0.О1...0.О2

Із щебеню чи гравію, оброблених органічними в'яжучими

матеріалами, з рівною поверхнею 0.02...0.025

Із щебеню чи гравію, не оброблених органічними в'яжучими, з невеликими вибоїнами 0.03...О.04

Бруківка 0.04.0.05

Ґрунтова дорога, рівна, суха й ущільнена 0,03...0,06

Рілля, надто зволожений заболочений грунт, сипучий пісок 0,15...0.30 і більше

Для швидкостей в інтервалі υ - 60... 150 км/год коефіцієнт опору коченню може бути визначений за допомогою емпіричної залежності:

(3.8)

де V — швидкість руху, км/год;

f — коефіцієнт опору коченню при швидкості руху до 50 км/ч.

Рух автомобіля можливо за умови Т> Рк. Сила тертя досягає найбільшого значення, коли (3.9)

де — навантаження на ведуче колесо (зчіпна вага),(Н);

φ — коефіцієнт зчеплення.

Коефіцієнт зчеплення φ — це відношення максимального значення сили тяги на ободі колеса до зчіпної ваги автомобіля.

Мал. 3.2. Сили, діючі на дорожнє покриття на криволінійних ділянках: Рк — окружна сила (сила тяги); Ук — поперечна сила; R — сила реакції; φ — коефіцієнт зчеплення; φ 1 — коефіцієнт подовжнього зчеплення; φ 2 — коефіцієнт поперечного зчеплення

Розрізняють наступні значення коефіцієнтів зчеплення (мал. 3.2): φ — при русі в площині качения без ковзання і буксування; φ₁ — при русі в площині кочення відповідає початку пробуксовування колеса при його коченні в площині руху (коефіцієнт поздовжнього зчеплення); φ₂ — при бічному занесенні (коефіцієнт поперечного зчеплення). Між ними є наступна залежність:

де Ук — поперечна сила. Звідси (3.10)

Результати дослідження показують наступну кількісну залежність між φ, φ ₁, φ₂,

φ₁= (0,7...0,8) φ ₂ = (0,85...0,90), або φ₂ = (0,6...0,7) φ.

Значення φ залежить від типу і стану дорожнього покриття, швидкості руху і інших чинників (табл. 3.1).

Стан дорожнього покриття	Умови руху	Коефіцієнт зчеплення φ (при швидкості руху 60 км/год)
Сухе чисте	Особливо сприятливі	0,7
Теж	Нормальні	0,5
Вологе брудне	Несприятливі	0,3
Ожеледиця	Особливо неспиятливі	0,1 - 0,2

При гальмуванні колеса автомобіля виникають дотичні зусилля (мал. 3.3).

Сила гальмування складає (3.11)

Де: — вага автомобіля, що доводиться на гальмуючі колеса, (Н).

Мал. 3.3. Сили, діючі на дорожнє покриття при гальмуванні: — вага автомобіля, що доводиться на гальмуючі колеса: Мг — гальмуючий момент; Ркг — сила гальмування; v — швидкість руху автомобіля