Распределение тормозных сил между осями автомобиля

Для вывода формул, определяющих замедление, время торможения и тормозной путь при экстренном торможении, было принято допущение, что в процессе торможения у колес передней и задней осей автомобиля тормозные силы одновременно достигают величины, максимально возможной по сцеплению. Это допущение имеет очень важное значение. Опыт показывает, что максимальное значение тормозной силы у каждого из колес достигается в случае, когда колеса находятся на пределе полного скольжения (юза), но еще катятся. При этом происходит качение колеса с некоторым проскальзыванием. Максимальное значение тормозных сил достигается при проскальзывании порядка 15…30%.

При дальнейшем увеличении проскальзывания тормозная сила уменьшается, причем после доведения колеса до полного юза тормозная сила значительно меньше максимально возможной. Чем больше скорость движения автомобиля, тем в большей степени уменьшается тормозная сила, соответствующая юзу колеса по сравнению с максимально возможной. При больших скоростях движения на мокрой дороге это уменьшение может составлять 50…60%. Поэтому для обеспечения минимального тормозного пути нецелесообразно при торможении доводить колеса до полного юза.

Есть и еще одна причина нецелесообразности доведения колес до полного скольжения (юза). Колесо в таком случае не может воспринимать боковой силы. Поэтому даже небольшие боковые силы или моменты, действующие на автомобиль при его торможении с полным скольжением колес какой-либо из осей, вызывают боковое скольжение этой оси. Боковое скольжение колес задней оси, как будет показано в главе «Управляемость и устойчивость», вызывает занос автомобиля, а скольжение колес передней оси – потерю управляемости.

Если тормозная сила на колесах какой-либо из осей достигнет величины максимально возможной по сцеплению, то водитель, вынужден будет прекратить дальнейшее нажатие на педаль во избежание заноса или потери управляемости автомобиля. В результате этого суммарная тормозная сила колес обеих осей окажется меньше максимально возможной по сцеплению, а тормозной путь значительно увеличится по сравнению с теоретическим, подсчитанным по формуле (82).

Посмотрим, можно ли так спроектировать тормозную систему автомобиля, чтобы при всех эксплуатационных условиях, обеспечить одновременное достижение тормозными силами колес передней и задней осей величин, максимально возможных по сцеплению.

Максимально возможные по сцеплению значения касательных реакций, действующих на колеса при торможении, равны: и . Коэффициенты сцепления передних и задних колес в общем случае могут отличаться. Будем, однако, для упрощения считать их одинаковыми.

Отношение тормозных сил и можно без большой погрешности приближенно считать равным отношению касательных реакций . Следовательно, тормозная система должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить соотношение тормозных моментов на колесах передней и задней осей в пропорции .

Найдем реакции Z₁ и Z₂, действующие на колеса автомобиля в процессе торможения на горизонтальной дороге. Схема сил, действующих на автомобиль в этом случае, показана на рис. 24. Будем, как и прежде, при рассмотрении экстренного торможения пренебрегать силой сопротивления воздуха. Кроме того, как показывают расчеты, при экстренном торможении на дорогах с твердым покрытием можно пренебрегать моментами сопротивления качению.

Напишем уравнение моментов автомобиля относительно его центра тяжести и уравнение проекций сил на вертикальную плоскость.

,

При аварийном торможении на горизонтальной дороге (α = 0)

Рис. 24. Схема сил нормальной реакции при торможении

Тогда

, (95)

_. (96)

Решая систему уравнений (95) и (96), получим

,

,

_{. (97)}

Все величины, входящие в правую часть равенства (97), являются переменными. Координата центра тяжести автомобиля а, b и h_g изменяются с изменением нагрузки на автомобиль, а φ_х различно для различных дорог. Поэтому выполнения требования об одновременном доведении тормозных сил, действующих на колеса автомобиля в процессе торможения, до значений, максимально возможных по сцеплению, соотношение между тормозными моментами на передних и задних колесах автомобиля должно быть переменным.

Тормозные системы современных автомобилей выполняются:

– с постоянным (нерегулируемым) распределением тормозных сил;

– с регулируемым по осям распределением тормозных сил без обратной связи;

– с регулируемым распределением тормозных сил по колесам или осям и обратной связью.

При постоянном распределении тормозных сил невозможно во всех случаях движения обеспечить одновременное достижение тормозными силами величин, максимально возможных по сцеплению. В этом случае выбираются какие-то определенные условия, для которых подбирается распределение тормозных моментов (а, следовательно, и тормозных сил) согласно равенству (97). Обычно в качестве таких условий выбирается движение автомобиля с полной нагрузкой по дороге с некоторым коэффициентом сцепления φ_опт=0,4…0,45.

При движении по дорогам с коэффициентом сцепления, большим, чем φ_опт, у таких автомобилей первыми блокируются (переходят на юз) задние колеса, что приводит к возможности возникновения заноса, а при движении по дорогам с коэффициентом сцепления меньшим φ_опт первыми блокируются передние колеса, что приводит к возможности потери управляемости.

Принято характеризовать тормозную систему коэффициентом распределения суммарной тормозной силы, равным отношению тормозной силы, равным отношению тормозной силы, действующей на передние колеса, к суммарной тормозной силе:

_. (98)

Для легковых автомобилей коэффициент β_Т получается большим 0,5, т.е. тормозной момент на передних колесах больше, чем на задних, а для грузовых наоборот.

Нужное распределение тормозных моментов может бить получено различными конструктивными приемами. Чаще всего либо на передних и задних колесах применяются одинаковые по конструкции и размерам тормоза, но с разными диаметрами рабочих тормозных цилиндров или тормозных камер, либо на передних и задних колесах устанавливаются разные по конструкции (реже по размерам) тормоза, обеспечивающие при одинаковых размерах тормозных цилиндров или камер различные тормозные моменты.

Так, например, на некоторых современных легковых автомобилях для передних колес применяются колодочные тормоза с разнесенными опорами, позволяющие при одинаковых диаметрах рабочих тормозных цилиндров создавать тормозные моменты на 30…40% большие, чем тормоза с односторонним расположением опор, применяемые для задних колес.

Применение тормозных систем с регулируемым по осям распределением тормозных сил позволяет получать оптимальное распределение тормозных моментов в более широком диапазоне условий. Для регулируемого распределения тормозных сил применяются специальные регуляторы тормозных сил. Регуляторы тормозных сил могут быть статические, позволяющие изменять распределение тормозных сил в зависимости от изменения распределения веса между осями автомобиля, например, при изменении полезной нагрузки, или динамические, позволяющие изменять распределение тормозных сил в зависимости от динамического перераспределения нормальных реакций Z₁ и Z₂. При регулировании тормозных сил без обратной связи не исключается возможность блокировки и движения юзом всех колес автомобиля. Для исключения такой возможности в настоящее время начинают внедряться тормозные системы, обеспечивающие регулирование тормозных сил по осям или колесам с обратной связью (противоблокировочные устройства).

При нерегулируемой тормозной системе давление в приводе тормозных механизмов колес передней и задней осей будет одинаковым, поэтому и распределение тормозных сил будет постоянным. Такая тормозная система может создать оптимальное торможение, т. е. одновременное доведение всех колес до граници блокирования только при одном определенном коэффициенте сцепления _хопт.

Кроме того, нерегулируемое соотношение тормозных моментов в условиях переменной нагрузки на автомобиле приводит к нестабильности тормозных свойств. Эта нестабильность особенно сильно проявляется у грузовых автомобилей, прицепных звеньев и автобусов, т. е. у АТС соотношение между полной и снаряженной массой которых изменяется в широких пределах.