Файл: Петров М.А. Работа автомобильного колеса в тормозном режиме.pdf

Г л а в а II

НАГРУЗОЧНЫЕ РЕЖИМЫ АВТОМОБИЛЬНОГО КОЛЕСА

§ 1. Характеристика реальных опорных поверхностей

Движение автомобиля при торможении в значительной степени зависит от свойств опорной поверхности — дороги. Из всего многообразия этих свойств, влияющих на процесс тор­ можения автомобиля и безопасность движения в целом [1], представляется целесообразным рассмотреть основные: эле­ менты плана II профиля, микропрофиль поверхности, шерохо­ ватость покрытия и сцепные свойства.

Элементы плана и профиля дороги определяют траекто­ рию движения автомобиля, а также влияют на величины и соотношение вертикальных, боковых и продольных сил на ко­ лесах при торможении. Микропрофиль поверхности вызывает вертикальные колебания подрессоренных и пеподрессоренных масс автомобиля, периодическое изменение вертикальных ре­ акций и продольных сил на колесах. Кроме того, наличие до­ рожных неровностей приводит к непрерывному изменению ра­ диуса качения и степени проскальзывания колес по опорной поверхности. Шероховатость покрытия является определяю­ щим фактором при формировании контакта шины с опорной поверхностью и существенно влияет на величину коэффициен­ та сцепления [2; 3].

Коэффициент сцепления, являясь обобщающей характе­ ристикой сцепных свойств опорной поверхности, зависит от многих факторов и может значительно изменяться для одной и той же поверхности [4].

.34

Основные элементы дороги регламентируются строитель­ ными нормами, указаниями и инструкциями [5; 6]. В таблице 2.1 приведены принятые в СССР основные нормы в зависи­ мости от типа и назначения дорог и проездов.

Согласно этим нормам поперечные уклоны проезжей части дорог, улиц и площадей в зависимости от типа покрытий долж­ ны составлять 1,5 -ч- 3%. Причем поперечный профиль может быть двухскатным и односкатным. При ширине проезжей час­ ти более 10,5 м он делается только двухскатным. Продольные уклоны распределяются по отдельным участкам дороги по за­ кону, близкому к нормальному, со средним статистическим значением уклона, приблизительно равным нулю, и средним квадратичным отклонением, равным 2 4 %, в зависимости от типа дорог [7; 8].

Микропрофиль

Поверхность дороги всегда имеет неровности различной геометрической формы и размеров. Обычно в первом прибли­ жении принимают, что все неровности имеют синусоидальный профиль с различной длиной волны и амплитуды. Это позво­ ляет классифицировать неровности по длине волны. Один из вариантов такой классификации приведен в работе [7].

Согласно этой классификации различают волны малой дли­ ны (от 0,03 м до 0,3 м) II большой длины (от 0,3 м до 32 м). Причем для различной длины неровностей устанавливаются предельные величины амплитуд. Знание формы и размеров неровностей позволяет рассматривать их возмущающее воз­ действие на колеса автомобиля.

35

Однако результаты обмеров поверхности дорог, выполнен­ ные отечественными п зарубежными исследователями [9; 10; 11; 12; 13], показывают, что фактический мпкропрофиль су­ щественно отличен от синусоидального и имеет неровности сложных форм, которые не могут выражаться простыми ана­ литическими зависимостями. Поэтому реальный микропро­ филь автомобильных дорог в настоящее время характеризует­ ся статистически с использованием теории случайных функ­ ций [9; 10; 11; 12; 13; 14]. При этом мпкропрофиль представля­ ется стационарной случайной функцией, полную характерис­ тику которой дает корреляционная функция или спектраль­ ная плотность.

Нормированные корреляционные функции и дисперсии микропрофнля различного типа автомобильных дорог, полу­ ченные отечественными исследователями, приведены в табли­ це 2.2 и на рис. 2.1 [13]. Согласно этой таблице наибольшие значения дисперсии соответствуют грунтовым разбитым доро­ гам, затем, в порядке убывания — булыжному покрытию, ас­ фальтобетону и цементобетонному шоссе.

Нормированные корреляционные функции в большинстве случаев имеют вид:

Представленная корреляционная функция состоит из двух составляющих: монотонно убывающей (первый член) и зату­ хающего колебания (второй член). Вследствие того, что коэф­ фициент А2 обычно значительно меньше А,, функция имеет вид убывающей с наложенными волнами сравнительно не­ большой амплитуды. В некоторых случаях нормированная корреляционная функция апроксимируется лишь вторым чле­ ном уравнения, что свидетельствует о значительном влиянии на случайный процесс элемента периодичности с преобладаю­ щей частотой ß.H наконец, иногда удовлетворительное при­ ближение достигается при наличии лишь первого члена урав­ нения, что соответствует монотонно убывающей функции с увеличением s и асимптотически приближающейся к горизон­ тальной оси. Так как в данном случае кривая не пересекает ось абсцисс, то для определения протяженности корреляцион­ ной взаимосвязи высот неровностей условно принимают ниж-

36

Рис. 2.1. Графики нормированных корреляционных функций микропрофиля различных дорог:

а — цементобетонное шоссе (2 участка); б — асфальтобетонное шос­ се (2 участка); в — изношенное булыжное шоссе (2 участка); р^)— нормированная корреляционная функция; s — путь корреляционной связи, м.

ней границей нормированную корреляционную функцию, рав­ ную 0,01 [11].

Принципиальное отличие корреляционных функций по ти­ пам дорог заключается в том, что для дорог с цементобетон­ ным и асфальтобетонным покрытием характерно более поло­ гое протекание кривых что соответствует низкочастотно­ му составу спектра микропрофиля. Для грунтовых дорог и до­ рог с булыжным покрытием кривые корреляционных функций имеют более крутое протекание, так как на этих дорогах ча­ ще встречаются неровности малой длины. Это различие обус­ ловливает и разный путь корреляции, который для асфальто­ бетонных и цементобетонных покрытий составляет 8 -МО м, а на грунтовых п булыжных дорогах — 2ч-4 м [15].

Корреляционная функция, являясь обобщенной статисти­ ческой характеристикой случайного процесса, не дает исчер­ пывающей характеристики микропрофиля с точки зрения его

37

38

воздействия на автомобильное колесо. Поэтому случайный микропрофиль иногда целесообразно представить в аналити­ ческом виде. В этом случае он задается в виде предела сум­ мы бесконечного ряда гармонических функций с элементар­ ными амплитудами, частотами и фазовыми углами, т. е. инте­ гралом Фурье. При определенных допущениях [11] аналити­ ческое выражение случайного микропрофиля может быть по­ лучено по известной для него корреляционной функции. Для некоторых целей анализа взаимодействия колеса с опорной поверхностью достаточно знания статистической связи высот неровностей с их длинами. Данные работ [16; 17] подтвер­ ждают существование такой связи, которая в первом прибли­ жении может быть представлена эмпирической зависимостью вида

где Іі — высота неровности, см; s,| — длина неровности, м.

Шероховатость

Шероховатость поверхности покрытия создается частицами каменного материала, расположенными в верхней части по­ крытия, и собственной шероховатостью этих частиц. В связи с этим различают макроструктуру и микроструктуру шерохо­ ватости.

Макроструктура имеет шаг в диапазоне Зч-ЗО мм с высо­ той неровностей 0,2ч-10 мм [2].

Микроструктура представляет собой неровности дорожно­ го покрытия с шагом до 3 мм, высотой 2 0 -1 − 6 0 микрон.^

Примерные профилограммы шероховатостей различных покрытий приведены на рис. 2.2 [18]. Можно убедиться в том, что неровности имеют различную геометрическую форму и не­ определимый характер чередования. По мере износа покры­ тия начальная высота неровностей макро- и микроструктуры шероховатости уменьшается, а углы при вершинах неровнос­ тей возрастают с 70ч-120° до 150ч-180° [2].

В настоящее время проводятся обширные исследования по изысканию оптимальных шероховатостей дорожных покрытий, а также путей их получения и сохранения в процессе эксплуа­ тации [19; 20; 21]. При этом за критерий оптимальности при­ нято влияние шероховатости на сцепные свойства опорной по­ верхности во влажном или загрязненном состоянии.

39

CL

Рис. 2.2. Профилограммы шероховатостей поверхности автомобиль­ ных дорог с твердым покрытием:

а — асфальт; б — бетонное покрытие новое; в — бетонное покрытие изношенное; Іі — высота микроиеровностей, мм; і — длина микронеровностей, мм.

Путем периодической поверхностной обработки с примене­ нием шероховатых каменных материалов возможно поддержа­ ние оптимальной шероховатости на асфальтобетонных покры­ тиях в течение длительного времени. С этой же целью иногда проводится рифление поверхностного слоя специальными кат­ ками на глубину до 5 мм.

40